扩散吸收式恒湿文物展柜实验研究

王恒旭 张学军 郑幼明 段兵兵

(1浙江大学制冷与低温研究所 杭州 310027) (2浙江省博物馆 杭州 310007)

扩散吸收式恒湿文物展柜实验研究

王恒旭1张学军1郑幼明2段兵兵1

(1浙江大学制冷与低温研究所 杭州 310027) (2浙江省博物馆 杭州 310007)

结合扩散吸收式制冷系统噪音小、结构简单紧凑的特点，设计和搭建了一台新型的扩散吸收式恒湿文物展柜。制冷循环系统的蒸发器置于水中，利用空气与冷却水的直接接触来除湿，同时实现冷凝水的收集，结构紧凑、便于控制。结合PLC控制系统对该系统的控湿能力进行了实验探究，在实验时间段内，该系统具有较好的控湿能力，在各种工况下均能将文物展柜内环境的相对湿度的波动控制在2.5%以内，可满足博物馆独立展柜的文物展陈恒湿环境的需求。

扩散吸收式 恒湿 文物展柜

1 引 言

文物是中国历史和文化的重要载体，保护珍贵的历史文物对于传承和发扬中华传统文化有着重大意义。文物保存对环境的温湿度要求很高，博物馆必须为其提供稳定的恒温恒湿环境。在博物馆实际运营过程中，为了实现预期的展览效果，部分文物往往根据类别和文物特点采用独立展柜。独立展柜热湿负荷较小，布置分散、灵活，因此不适合用大型集中式空调机组来对空气进行处理。此外，根据《博物馆建筑设计规范》规定[1]，不同藏品的相对湿度推荐值也不相同，因而更适合用独立的展柜系统来提供恒温恒湿环境。

出于对文物保护的需要，展柜内空气的流速要求较缓慢。而在送风温差不容许太大的情况下，利用送风来处理展柜内热(冷)负荷比较困难，因此展柜的温度控制通常由间接控制展厅温度来完成，而独立展柜空气处理系统只控制柜内空气湿度。

目前，恒湿文物展柜主要分为两种，可按除湿方式分为机械式调节和非机械式调节。机械式调节展柜采用制冷系统来除湿，其中采用压缩机制冷的展柜由于噪声较大，不宜在博物馆展厅中大量安装；另外比较常用的是采用半导体制冷的展柜[2]，空气流过半导体制冷芯片的冷端被降温除湿，通过开关芯片来控制除湿量。非机械式调节一般在展柜内放置吸收剂或吸附材料控制空气湿度。德国 Hamburg 展柜设置双层玻璃，在玻璃夹层中循环流动恒温空气控制温度，柜内放有调湿剂控制相对湿度[3]。美国Field Museum of Natural History(Chicago)设计了一种装置，由鼓风机、热交换器、硅胶水源和排水系统等设备组成的装置调节展柜内相对湿度[4]。然而，这些系统在一定程度上存在维护成本较高，能耗较大，控制精度不高等缺陷。

扩散吸收式制冷系统最初于1920年由瑞典皇家理工学院学生Platen和Munters[5]提出。该制冷系统使用3种工质：水作为吸收剂，氨作为制冷剂，氢气作为扩散剂，是自循环吸收系统的一个类别。系统无任何运转部件和阀门，具有无振动、无噪音、运行稳定可靠以及使用寿命长等优点[6]。同时其制冷量较小，与独立展柜的热湿负荷相当。目前，针对扩散吸收式制冷系统的理论及实验研究已十分成熟[7-8]，并成功应用于商业开发，特别是小型的可携带式冰箱上。浙江大学等[9]申请了“基于扩散吸收式制冷的恒温恒湿系统”的发明专利并获授权，将扩散吸收式制冷与湿度控制方法结合起来，应用于独立的文物展柜中。为此，本研究设计并搭建了一台恒湿文物展柜，并对系统的控湿性能进行了实验探究，以期可满足博物馆独立展柜的文物展陈恒湿环境的需求。

2 系统制冷量计算

一般而言，博物馆所用存放文物的小型展柜空间在0.2 m3到2 m3之间。为避免展柜内空气遇到较冷的送风空气而凝露，设计中采用送风温差不大于7℃，换气次数小于2次进行设计计算。文物展柜内的空气状态点处于16—22 ℃、40%—65%范围内，系统采用全回风露点送风方式。根据式(1)—(3)得，展柜最大冷负荷为15 W。

(1)

hN=1.01tN+(2 500+1.84tN)dN/1 000

(2)

ho=1.01to+(2 500+1.84to)do/1 000

(3)

式中：Q为冷负荷，W；为质量流量，kg/s；d为空气的含湿量，g/kg；h为空气的焓，kJ/kg；t为温度，℃。其中，下标N为展柜内空气状态点；O为送风状态点。

本文选用了某公司所开发的扩散吸收式制冷机芯。机芯的工作原理如图1所示[10]：制冷循环以氨作制冷剂，水作为吸收剂，氦作扩散剂，其制冷过程是使蒸发器中的液氨在低分压下蒸发向氦气中扩散，产生NH3-He混合气。氨气在吸收器中被水吸收成氨水，进入发生器中被加热释放出氨气。氨气经冷凝器冷却成液氨，液氨再进入蒸发器蒸发，从而形成一次次的吸热、放热反应。

图1 恒湿系统结构图Fig.1 Schematic diagram of DAR system

采用热平衡法对系统的制冷量进行了测量，如图2所示。将电热丝均匀缠绕于蒸发管上，并用保温棉隔热保温。待系统运行稳定后对其进行加热，改变电热丝的加热功率，控制系统的蒸发温度。实验测得，当发生器的加热功率为75 W，机芯充注压力为1.5 MPa，蒸发温度为6.2 ℃时，可产生约20 W的制冷量，能够满足展柜空间的湿负荷需求。

图2 热平衡法示意图[11]Fig.2 Schematic diagram of measurement of cooling capacity using thermal balance

本文搭建了除湿实验台进行了试运行实验。实验采用扩散吸收式制冷系统的蒸发器作为直接蒸发冷却器，对展柜内空气进行除湿。实验时间段内展柜内外的温湿度变化如图3所示，系统开始运行时，展柜内湿度下降很快，在45 min后达到最低值，此时展柜内相对湿度为22%。然后开始缓慢回升，约3小时后达到稳定。稳定时，展柜内相对湿度约为29.5%。因此，采用该型号的扩散吸收式制冷系统作为恒湿系统的冷源具备可行性。

图3 试运行实验中展柜内外温湿度变化Fig.3 Variation of temperature and humidity inside and outside showcase during trial operation experiment

3 实验装置

结合扩散吸收式制冷系统热启动时间较长，蒸发温度较不稳定的特点以及恒湿展柜对除湿和加湿的功能需求，本系统以水为中间载冷剂，采用与水直接接触的方式对空气进行除湿和加湿处理，一方面缩短了空气处理回路的长度，减小了送风阻力；另一方面，冷凝水可直接用于加湿，而不需要排出，从而使空气处理系统的体积和结构更加紧凑。

因此，综上所述的横断面研究认为非老龄化的人群抑郁症状与血清CXCL8的关系仍不清楚，更深入的研究应扩大研究人群，做一些青年人相关的前瞻性研究。

3.1 空气处理系统

如图4所示，空气处理室被隔热板分为两个小室，扩散吸收式循环的蒸发器放置于右侧小室的水中，当展柜内空气湿度高于设定值时，制冷系统工作使水温低于空气露点，空气在经过水面时被冷却除湿；加热管放置于另一小室的水中，当展柜内空气湿度低于设定值时，加热管开始工作，使水蒸发速率加快，达到加湿的目的。除湿室内设有一个水温传感器，用于监测和控制水温。实验展柜采用无框玻璃结构，四周进行密封处理以增强展柜的密闭性，控制外界与展柜之间的泄漏量。

图4 恒湿系统结构图Fig.4 Schematic diagram of constant humidity system

3.2 控制系统

实验中采用西门子S7-200可编程控制器控制恒湿系统的运行，展柜内外分别放置一台温湿度传感器，输出的温湿度信号作为PLC的输入，PLC输出信号用于控制制冷系统、加热管及风机。水温传感器采用PT100温度传感器。系统的基本控制策略如图5所示：PLC根据湿度设定值、展柜内实时湿度及环境湿度判断工作模式，通过设定目标值计算出需要的水温，再与实时水温进行比较，控制制冷机、加热管和风机的启停。为防止水箱内的水结冰损坏蒸发管，水温设有低温保护。实验所采用的展柜及恒湿实物系统如图6所示。

图5 控制策略Fig.5 Control strategy of constant humidity system

图6 实验台示意图Fig.6 Figure of constant humidity system with showcase

其中，露点温度按下面方法计算：

tsat=-35.28 896-2.0 322lnpv+1.17 025(lnpv)2

(1)

(2)

lnpv，sat=c1/t+c2+c3t+c4t2+c5t4+c6lnt

(3)

4 实验结果及分析

4.1 单一工况下实验及分析

系统参数及实验时环境参数如表1所示。图7给出了在高湿工况下，系统在实验时间段内，展柜内外温湿度及水温的变化情况。从图7中可见，在水温高于展柜内空气状态点对应的露点温度时，由于风机并未开启，展柜内相对湿度不变；当水温低于露点温度时，风机开启，展柜内相对湿度有小幅减小，当水温低于一定值后，展柜内相对湿度开始迅速降低，此时由于展柜内空气对应的露点温度也随之降低，因而随着水温的继续下降，展柜内空气相对湿度的变化速率并未受到较大的影响，并最终达到稳定。

表1 系统参数及实验时环境参数Table 1 Systematic parameters and environment parameters under experiment

图7 高湿工况下展柜内外温湿度及水温变化Fig.7 Variation of temperature and humidity inside and outside showcase and water temperature in humid environment

稳定状态下，制冷系统保持开启状态，风机间断开启以维持展柜内的相对湿度，实验中相对湿度值变化范围为49.4%—51.7%；此时，水温保持在7.2 ℃左右，展柜内空气的露点温度为10.2 ℃。

图8给出了在低湿工况下，系统在达到稳定后，展柜内外温湿度及水温的变化情况。从图8中可见，展柜内相对湿度值变化范围为49.8%—51.4%。由于展柜密闭性良好，水箱内水分的自然蒸发作用会引起展柜内的相对湿度增加，因此，在实验过程中扩散吸收式制冷系统仍保持开启状态，且除湿室内的水温维持在7 ℃左右。

图8 低湿工况下展柜内外温湿度及水温变化Fig.8 Variation of temperature and humidity inside and outside showcase and water temperature in arid environment

结合高湿工况和低湿工况下的实验结果，可以得出以下结论：(1)采用扩散吸收式制冷和直接接触式的换热结构除湿能力良好，能够快速地将展柜内空气的相对湿度处理到设定范围；(2)采用控制水温的方式能够较好地控制系统的除湿量，由于在除湿过程中，展柜内空气的相对湿度下降引起其露点温度随之下降，系统继续运行以获得更低的水温，以保证除湿过程能连续地进行；(3)在系统密闭性良好的情况下，水分的自然蒸发作用会影响展柜内的空气湿度，因此在加湿工况下制冷系统仍需保持开启状态，以应对展柜内空气相对湿度加大的情况。

4.2 全天候变工况运行实验及分析

为探究系统在全天候变工况下对展柜相对湿度的控制性能，本文将实验装置放置于自然环境中进行测试。实验时间段内外界环境温度由26 ℃下降至18 ℃,再回升至26 ℃，在实验时间段内，展柜内外温湿度及水温的变化情况如图9所示。可以发现，当外界环境温度变化时，展柜内的相对湿度基本保持在48.0%—51.7%，说明系统对于环境温度变化对展柜相对湿度造成的干扰具有较快的响应，能够满足博物馆文物展出时日常运行的需要，但控制精度仍有待提高。

图9 全天变工况下展柜内外温湿度及水温变化Fig.9 Variation of temperature and humidity inside and outside showcase and water temperature under varying condition

5 结 论

结合扩散吸收式制冷系统无振动、无噪声和运行稳定的特点，采用直接接触式换热的结构，设计和搭建了一台简单紧凑的用于独立展柜的机械式恒湿机，并结合PLC控制系统对其控湿能力进行了实验探究。根据实验结果，可以发现：

(1)在不同工况下，该扩散吸收式恒湿机均能够快速地将展柜内空气的相对湿度处理到设定范围，并维持展柜内相对湿度的长期稳定；

(2)控制水箱内水的温度是控制除湿速率和除湿量的关键，展柜内空气相对湿度的变化受到水温变化的直接影响，采用控制水温的方式能够较好地控制系统的除湿量。

(3)在全天候变工况下，该系统对于环境温度变化对展柜相对湿度造成的干扰具有较快的响应，相对湿度波动控制在2.5%以内，能够满足博物馆文物展出时日常运行的需要。

1 华东建筑设计院.JGJ66-91博物馆建筑设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，1991.

East China Architectural Design & Research Institute.JGJ66-91Standard of museum architecture design[S]. Beijing：China Architecture & Building Press，1991.

2 马维理.无线组网文物展柜恒湿机[P].中国，200910064734, 2009.09.16.

Ma Weili. Constant humidity machine for relic showcase with wireless network device[P]. China, 200910064734, 2009. 09. 16.

3 Soren Svare,Rita Lyng Petersen. Climate-conditioned display case for lorich’s map of the elbe in the hamburg public records office[J]. Museum Management and Curatorship, 1999, 18(2): 193-204.

4 Ault J, Klein S A, Rendindl D T. Indoor environmental control: Review of current recommendations and survey of conditions at the chicago field museum[J]. AHSRAE Transactions. 2001, 107.

5 Platen B C V, Munters C. Refrigerator[P]. U.S. 1685764, 1928.

6 Dominik Schall, Simon Hirzel. Thermal cooling using low-temperature waste heat: a cost-effective way for industrial companies to improve energy efficiency [J]. Energy Efficiency, 2012, 5(4): 547-569.

7 Maiya M P. Studies on gas circuit of diffusion absorption refrigerator[C].In 21st IIR international congress of refrigeration. DC. USA. 2003.

8 Srikhirin P, Aphornratana S. Investigation of a diffusion absorption refrigerator[J].Applied Thermal Engineering, 2002, 22(11): 1181-1193.

9 张学军，沈根法，郑幼明，等.基于扩散吸收式制冷的恒温恒湿系统[P].中国，201010524027.2.2011.03.16.

Zhang Xuejun, Shen Genfa, Zheng Youming, et al. Constant temperature and humidity system based on diffusion absorption refrigeration system[P]. China, 201010524027. 2. 2011. 03. 16.

10 曹园树，李华山，龙 臻，等. 扩散吸收式制冷技术进展[J]. 新能源进展, 2014(1):63-69.

Cao Yuanshu, Li Huashan, Long Zhen,et al. A review on diffusion absorption refrigeration technology[J]. Advances in New and Renewable Energy, 2014 (1):63-69.

11 陆蕾颖, 张 华, 刘占杰，等. 一种扩散吸收式制冷系统的性能实验[J]. 低温与超导, 2007(1):79-83.

Lu Leiying, Zhang Hua, Liu Zhanjie, et al. Experiment of diffusion-absorption refrigeration system[J], Cryogenics & Superconductivity, 2007 (1): 79-83.

12 赵荣义. 空气调节[M].北京：中国建筑工业出版社，2004：154-155.

Zhao Rongyi. Air-conditioning[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2004: 154-155.

Experimental study on constant humidity relic showcase based on diffusion absorption refrigeration system

Wang Hengxu1Zhang Xuejun1Zheng Youming2Duan Binbin1

(1Institute of Refrigeration and Cryogenics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China) (2Zhejiang Provincial Museum, Hangzhou 310027, China)

A constant humidity relic showcase is developed based on the diffusion absorption refrigeration system, which is noiseless and compact. In this system, the evaporator of the refrigeration system is located under the water, which is cooled and used to dehumidify the air flowing above. Meanwhile, the condensate water is collected. Experiment study on the performance of the system is conducted using a PLC control system. The results shows that the system can wellcontrol the fluctuation ofthe relative humidity of the air inside the show case within 2.5 percent,meeting the demands of the constant humidity environment for showcases in museum.

diffusion absorption refrigeration; constant humidity; relic showcase

2015-11-20；

2016-02-18

浙江省文物局文物保护科技项目资助。

王恒旭，男，23岁，硕士研究生。

TB657

A

1000-6516(2016)01-0032-05