一种基于单片机控制的多毛细管船舶空调除湿系统的研究

刘娟，段丽华

（渤海船舶职业学院 电气工程系，辽宁 葫芦岛 125005）

0 引言

人体在湿度为 60%～70%的空气环境中最为舒适，高于70%的湿度，人体舒适度就会下降。随着人们生活水平的日益提高，和对高品质人居环境的需求，大多数空调都已经配备了除湿功能，能够满足一般的温湿度控制要求，然而由于海上湿度相对正常情况要大好多，同时，又由于远洋船舶通常在全球海域内航行。当船舶从北半球越过赤道至南半球、或者从南半球至北半球的航行过程中，外界气温可能在+50～+30℃℃的范围内剧烈变化，虽然空调制冷本身就具有除湿功能，但是在海洋这个湿度非比一般大的环境里，普通的空调的除湿效果不能保证其船舱内的湿度控制要求。并且在南方地区的阴雨季节，温度并不高，这时假如用普通空调来除湿，吹出的是凉风，越除湿会越冷，给人的感觉会相当不愉快。虽然有的船舶也同时配有除湿机，但对除湿机而言，环境温度低于15℃时，附着于蒸发器表面的水滴会结冰而使除湿效果减弱，若环境温度超过40℃以上时，系统内压力会增高而使压缩机过载，此时过载掩护器要堵截线路，否则压缩机电念头会毁损。为了让船员有个更好，更舒适的工作和生活环境，必须专门针对远航船舶空调湿度控制系统进行研究。本论文就针对此种情况，设计一套基于单片机控制的多毛细管转换空调湿度控制的系统。

1 系统具体设计方案

1.1 空调制冷原理简介[1]

现代船舶空调主要采用集中式、半集中式，有的也采用分体式。就除湿方式来说，有制冷模式和独立除湿模式两种。但无论哪种空调，无论采用哪种控制方式，其制冷过程都如图1所示：

空调的制冷系统由压缩机、冷凝器、节流毛细管、蒸发器组成，并由铜管将这四个元件相连接组成一个系统。首先将系统内的制冷剂蒸气吸入汽缸，并由压缩机进行压缩提高压力再排出气缸，促使制冷剂在系统内流动；接着蒸气状态的制冷剂在冷凝器中把所吸收的热量排放出系统凝结为液体；液体制冷剂经过节流毛细管降低到蒸发压力后，进入蒸发器，在蒸发器中气化吸热制冷完成整个制冷过程。

空调的除湿过程为：空调进风在节流毛细管及蒸发器处被冷却，当二者的表面温度低于空气的露点温度时，进风中的水分就会凝聚下来，这样出风湿度就会降低，达到去湿的目的。也就是说，空调的去湿是在节流毛细管和蒸发器上完成的，如果我们能对这两部分进行一下改造，那么就能很好的对空调的除湿功能进行控制。

图1 空调制冷过程示意图

1.2 电磁阀结构和工作原理介绍[3]

电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通气孔，每个孔都通向不同的管路，腔中间是阀芯，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀芯就会被吸引到哪边，通过控制阀芯的移动来档住或漏出不同的出气孔，而进气孔是常开的，本文就是应用这一点来改变制冷剂的流向。

以三位五通电磁阀为例，三位五通电磁阀顾名思义，三个工作位置，五个口。三个位置是指电磁阀的阀芯有三个位置。三位电磁阀都是有两个线圈的。我们暂且称之为A和B线圈。AB都不通电的时候阀芯是一个位置，A通电时阀芯会动作，这是第二个位置，A断电，B通电的时候阀芯的位置是第三个位置。所以一共三个位置。五通就是指五个口，一个进气口，两个气缸口，两个排气口（这两个也可以并成一个）。

1.3 毛细管的结构和作用[4]

毛细管如图2所示，一般是铜制的，管内直径在1 mm以下，连接于冷凝器与蒸发器之间，起到节流降低压缩机送来的高压液化制冷剂的压力的作用。制冷系统中制冷剂流量随毛细管长度的增加而减少，随毛细管直径的增大而增加。改变毛细管长度和直径，也就改变了供给蒸发器的制冷剂流量，空调的工作状态将产生变化。

图2 毛细管实物图

1.4 电磁阀对多路毛细管的控制[2]

从前文我们已经得知，空调的除湿主要集中在节流毛细管和蒸发器上，我们在这两个器件上做一些改进，那么就能进一步提高空调的除湿能力。蒸发器改造起来相对难度较大，那么我们就在节流毛细管上做些改造，具体的改进方法如图3所示。

图3 多节流毛细管的空调制冷过程示意图

如前文所述，改变毛细管长度和直径，也就改变了供给蒸发器的制冷剂流量，空调的工作状态将产生变化，除湿效果也会相应的发生变化。基于这种理论，我们在冷凝器和节流器之间加装一个多位电磁阀（图中以三位为例），节流毛细管的数量也由一根增至多根（数量与电磁阀是位数相匹配），每一个的长短和直径都不同，然后我们应用单片机控制电磁阀的磁铁线圈通断电，从而控制阀芯所在的位置，就能控制在冷凝器出来的制冷剂到底流向哪个节流毛细管，即本设计是通过电磁阀控制多路节流毛细管，再根据毛细管的不同来调节空调的去湿能力。

1.5 单片机对空调除湿系统的控制[5]

单片机通过对电磁阀的控制来实现对整个空调除湿系统的控制，控制原理图如图4所示。

利用湿度传感器将室内湿度信号采集到单片机内部，单片机再控制电磁阀的通断方向来改变节流毛细管路，再经过蒸发器等器件到达室内，节流毛细管不同，除湿能力也就不同。单片机控制流程图如图5所示。

1.6 单片机对空调温度的控制

要想除湿，空调温度必须降到空气露点温度以下，这时除湿以后的出风温度必然低于人居温度要求，就要对其进行加热。

图4 基于单片机控制的空调除湿系统原理图

如图4所示，蒸发器后要安装一电热器，单片机除了采集湿度信号，同样也通过温度传感器采集温度信号，当出风通过蒸发器（表面低温）析出冷凝水后再由电热器件加热到合适的温度，单片机对电热器的控制流程图见图5。

图5 单片机控制的空调除湿系统流程图

2 结束语

虽然本论文是以外界气温在+50～+30℃℃的范围内剧烈变化为背景来探讨的，但是，这并不是说本系统只适合这种情况下，它一样具有普通空调的其他功能。对于其他情况，比如加热并去湿等一样可以实现，这只不过是对毛细管和电热器控制程度的不同而已，这里不再做过多说明。

现代船舶空调装置在严酷的海况和多变的气候条件下，应用本系统，不仅仅实现温度的控制，而且因为节流毛细管路的多路使得空调能在很大程度根据实际情况调节湿度。采用单片机控制，简单、方便、成本低，也就是说，本系统具有节能、高精度的技术特征和优良调节的性能，这将是今后船舶空调系统实现电子化控制、节能和高效除湿的主要技术措施。

[1] 梁晓宇. 空调器和除湿器的除湿原理. 基础学堂.

[2] 刘华, 许谦. 空调独立除湿原理及实现方法. 江苏:太仓冷气机厂, 2009.

[3] 厉和凤, 徐建华. 船舶空调中的温湿度控制. 浙江水产学院学报, 1998.

[4] 李震, 江亿, 陈晓阳, 刘晓华. 溶液除湿空调及热湿独立处理空调系统. 暖通空调HV&AC, 2003, 33（6）.

[5] 陈安扬. 船舶空调系统设计新思路. 低温送风. 船舶工程, 2003 , 25（5）.