船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)方案的探討

，，

(集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)主要包括除濕轉(zhuǎn)輪和冷卻設(shè)備。除濕轉(zhuǎn)輪是由很多平行空氣通道組成的圓柱形結(jié)構(gòu)組成，在空氣通道壁上覆蓋了一層均勻的干燥劑，用來吸附空氣中的水蒸氣，該除濕過程為等焓吸附過程，空氣的含濕量下降，溫度升高，吸濕飽和后的干燥劑經(jīng)加熱到60～100 ℃[1]可以實(shí)現(xiàn)解析，重新恢復(fù)吸附能力。冷卻設(shè)備采用直接或者間接蒸發(fā)冷卻方式實(shí)現(xiàn)對(duì)處理空氣的冷卻。轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)就是將兩者結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)空氣調(diào)節(jié)的空調(diào)技術(shù)。目前，在中國、美國、日本和歐洲的很多相關(guān)科研院所，都在積極開展對(duì)轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)的研究，研究內(nèi)容集中在新型干燥劑的開發(fā)、轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化、系統(tǒng)構(gòu)建以及與太陽能結(jié)合應(yīng)用等[2-9]。

轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)技術(shù)是一種綠色的制冷技術(shù)，國際能源機(jī)構(gòu)和美國能源部都在積極推廣該技術(shù)在陸地建筑上的應(yīng)用，但從國內(nèi)外已公開發(fā)表的文獻(xiàn)檢索來看，仍然沒有見到對(duì)轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)在船舶上的應(yīng)用做深入研究，只有Digiovanni.等在其發(fā)明專利中提出了將除濕轉(zhuǎn)輪用于對(duì)船舶空調(diào)的新風(fēng)進(jìn)行預(yù)處理[10]，但沒有對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)一步展開研究。而船舶空調(diào)系統(tǒng)較大的濕負(fù)荷符合轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)除濕量大的特點(diǎn)，并且船舶擁有豐富的余熱可以為干燥劑的再生提供熱源，能夠減少空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗，因此，開展對(duì)轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)在船舶上應(yīng)用的深入研究對(duì)船舶減碳是十分有意義的。

1 船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)方案

夏季，海洋環(huán)境下空氣的相對(duì)濕度在70%～80%，有時(shí)可以達(dá)到90%。船舶艙室對(duì)新風(fēng)量有較高的要求，較高比例的新風(fēng)進(jìn)入，給船舶空調(diào)系統(tǒng)帶來了大量的濕負(fù)荷。而船舶空調(diào)通常采用冷卻除濕方式，需要消耗大量的能量用于降低冷卻設(shè)備表面的溫度至露點(diǎn)溫度以下實(shí)現(xiàn)除濕。

與冷卻除濕方式不同，轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)采用干燥劑除濕，除濕過程所消耗能量主要用于干燥劑的再生。干燥劑的再生溫度為60～100 ℃，可以利用太陽能、廢熱等低品質(zhì)能源作為熱源，實(shí)現(xiàn)加熱再生。船舶柴油主機(jī)的排氣溫度在260～400 ℃，排氣熱量約占柴油機(jī)總輸入能量的30%[11]，通過船舶配備的余熱鍋爐利用排氣余熱生產(chǎn)高溫蒸汽，用于加熱再生空氣，可以達(dá)到干燥劑再生溫度的要求。余熱鍋爐生產(chǎn)的蒸汽在冬季主要用于船舶取暖和其它設(shè)備加熱，而空調(diào)制冷的季節(jié)是不需要蒸汽取暖的，其它設(shè)備需要的蒸汽量也會(huì)減少，余熱鍋爐生產(chǎn)的蒸汽量完全可以滿足轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)再生加熱的需要。相比于冷卻除濕方式，轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)在船舶上可以利用廢熱作為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)熱源，可以節(jié)約一部分用于處理空氣中濕負(fù)荷的能耗。

根據(jù)ISO 7547-2002《船舶和海上技術(shù)起居處所的空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)條件和計(jì)算基礎(chǔ)》的相關(guān)規(guī)定，夏季艙室外(狀態(tài)點(diǎn)O)的設(shè)計(jì)溫度為35 ℃、相對(duì)濕度為70%，艙室內(nèi)(狀態(tài)點(diǎn)N)的設(shè)計(jì)溫度為27 ℃、相對(duì)濕度為50%，新風(fēng)比不小于50%。當(dāng)室內(nèi)外空氣在設(shè)計(jì)狀態(tài)下按最小新風(fēng)比50%混合時(shí)，混合點(diǎn)I的干球溫度為31.0 ℃、含濕量為18.20 g/kg(dry.air)。取熱濕比為8 000[12]，送風(fēng)溫差為10 ℃，見圖1。

圖1 送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)6與混合點(diǎn)I的含濕量之差

可知送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)6的干球溫度為17 ℃、含濕量為9.39 g/kg(dry. air)，與混合點(diǎn)I的含濕量之差為8.81 g/kg(dry. air)。因此，在此狀態(tài)下，船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)需要處理的最小濕負(fù)荷為8.81 g/kg(dry.air)。

針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)需要處理的濕負(fù)荷，若采用一個(gè)除濕轉(zhuǎn)輪(除濕區(qū)為270°、再生區(qū)為90°)來處理空氣的濕負(fù)荷，會(huì)增加轉(zhuǎn)輪的厚度，造成空氣的流動(dòng)阻力升高，并且會(huì)提高對(duì)干燥劑除濕性能的要求。若采用2個(gè)轉(zhuǎn)輪來處理空氣的含濕量，除濕效果會(huì)比較好，但增加了系統(tǒng)的占用空間，不符合船舶艙室空間狹小的特點(diǎn)。因此，考慮在一個(gè)轉(zhuǎn)輪上實(shí)現(xiàn)對(duì)處理空氣進(jìn)行兩次除濕，既可以減少系統(tǒng)占用空間，又具有兩個(gè)轉(zhuǎn)輪的除濕效果[13]。如圖2中所示，即將轉(zhuǎn)輪依次分為除濕區(qū)一、再生區(qū)一、除濕區(qū)二和再生區(qū)二，每個(gè)除濕區(qū)的角度為135°，每個(gè)再生區(qū)的角度為45°。

在除濕過程中，受吸附熱的影響，處理空氣的溫度會(huì)不斷升高。如果將第一次除濕后的處理空氣直接送入轉(zhuǎn)輪的除濕區(qū)二進(jìn)行除濕，由于處理空氣溫度較高，水分子的動(dòng)能較大，不利于吸附除濕過程的進(jìn)行，需要將處理空氣的溫度降低后再進(jìn)行除濕。海洋表面的海水溫度在20～30 ℃之間，緯度越高，海水溫度越低，可以將海水作為冷卻水源對(duì)干燥處理后的空氣進(jìn)行初步冷卻，降低處理空氣的溫度。船舶在航行中，區(qū)域跨度大，艙室外的溫、濕度變化大，只靠海水冷卻是不能保證送風(fēng)狀態(tài)的穩(wěn)定性。在轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)中，常用的冷卻方式一種是蒸發(fā)冷卻，但船舶在航行中會(huì)產(chǎn)生一定的擺幅，對(duì)蒸發(fā)冷卻過程造成水流不穩(wěn)定，冷卻效果會(huì)受到較大的影響；另外一種冷卻方式是采用壓縮式空調(diào)機(jī)組，壓縮式空調(diào)機(jī)組性能穩(wěn)定，受外界影響較小，能夠保證冷卻空氣溫度的穩(wěn)定。在船舶航行中，空調(diào)系統(tǒng)需要有較好的獨(dú)立性和穩(wěn)定性，因此，采用壓縮式空調(diào)機(jī)組與除濕轉(zhuǎn)輪結(jié)合在一起，可以有效地保證船舶空調(diào)送風(fēng)狀態(tài)的穩(wěn)定。

圖2 除濕轉(zhuǎn)輪分區(qū)示意

按上述討論構(gòu)建船用單個(gè)轉(zhuǎn)輪兩級(jí)除濕空調(diào)系統(tǒng)的流程見圖3，由空氣的處理過程(實(shí)線所示)和干燥劑的再生過程(虛線所示)2個(gè)流程組成。

1)空氣的處理過程。室外新風(fēng)與艙室回風(fēng)在進(jìn)入除濕區(qū)一之前[14]按一定比例(新風(fēng)比≥50%)混合，作為處理空氣，處理空氣依次經(jīng)過轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)一、海水換熱器一、轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)二、海水換熱器二和壓縮式空調(diào)機(jī)組，最后由處理風(fēng)機(jī)送入艙室。在空氣的處理過程中，處理空氣在除濕區(qū)一和二中一部分水分被干燥劑吸收，處理空氣被干燥，由于吸附熱的釋放，處理空氣的溫度上升。經(jīng)過除濕后的處理空氣在海水換熱器一和二中，進(jìn)行初步冷卻處理。為保證送風(fēng)溫度的穩(wěn)定性，處理空氣經(jīng)海水換熱器二冷卻后，再經(jīng)過壓縮式空調(diào)機(jī)組的蒸發(fā)器進(jìn)一步冷卻至預(yù)定的送風(fēng)狀態(tài)，送入艙室。空氣的處理過程在焓濕圖上的表示見圖4。

圖3 船用單個(gè)轉(zhuǎn)輪兩級(jí)除濕空調(diào)系統(tǒng)流程

圖4 空氣的處理過程在焓濕圖上的表示

2)干燥劑的再生過程。再生空氣采用艙室的回風(fēng)，首先送入加熱器，加熱器采用余熱鍋爐生產(chǎn)的蒸汽來加熱再生空氣至所需溫度，加熱后的再生空氣出來后被分成兩路，分別進(jìn)入除濕轉(zhuǎn)輪的再生區(qū)一和再生區(qū)二。在再生區(qū)中，干燥劑吸附的水分受熱蒸發(fā)到再生空氣中，隨著氣流經(jīng)再生風(fēng)機(jī)排到室外，干燥劑吸濕能力恢復(fù)。干燥劑的再生過程在焓濕圖上的表示見圖5。

2 船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

根據(jù)確定的系統(tǒng)方案，實(shí)驗(yàn)室建立了送風(fēng)量為1 000 m3/h的船用單個(gè)轉(zhuǎn)輪兩級(jí)除濕空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，以便對(duì)船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析和研究。除濕轉(zhuǎn)輪采用蜂窩狀硅膠轉(zhuǎn)輪，直徑450 mm，厚度200 mm，采用調(diào)速電機(jī)控制轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速。處理風(fēng)機(jī)和再生風(fēng)機(jī)通過變頻器來改變風(fēng)機(jī)頻率調(diào)節(jié)風(fēng)量。系統(tǒng)中各點(diǎn)空氣狀態(tài)通過溫濕度傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行采集。

圖5 干燥劑的再生過程在焓濕圖上的表示

在該實(shí)驗(yàn)臺(tái)中，海洋環(huán)境、海水和廢熱分別采用以下方式來模擬實(shí)現(xiàn)。

1)采用恒溫恒濕空調(diào)裝置生產(chǎn)所需溫濕度的空氣，用來模擬海洋環(huán)境下的空氣。該設(shè)備的風(fēng)量處理范圍為500～1 500 m3/h，溫度控制范圍為20～40 ℃、控制精度為±0.6 ℃，相對(duì)濕度控制范圍為50%～90%、控制精度為±2.5%。

2)實(shí)驗(yàn)室建立了兩套恒溫水源設(shè)備，在水的回路上安裝有流量計(jì)，通過變頻器改變水泵頻率來控制水流量，供水溫度的控制精度在0.1 ℃以內(nèi)。其中一套恒溫水源設(shè)備用作模擬不同溫度的海水，對(duì)除濕后的空氣進(jìn)行初步冷卻；另外一套用來模擬壓縮式空調(diào)機(jī)組，進(jìn)一步對(duì)空氣進(jìn)行冷卻。

3)采用電加熱模擬余熱鍋爐生產(chǎn)的蒸汽，對(duì)再生空氣進(jìn)行加熱，利用可控硅和PLC內(nèi)置PID對(duì)加熱溫度進(jìn)行控制。

3 結(jié)論

將轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)應(yīng)用到船舶上，可以有效地利用船舶余熱，減少船舶空調(diào)系統(tǒng)用于除濕的能耗。船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)可采用單轉(zhuǎn)輪兩級(jí)除濕的方案，利用單個(gè)除濕轉(zhuǎn)輪實(shí)現(xiàn)兩次除濕，即將一個(gè)轉(zhuǎn)輪分為2個(gè)除濕區(qū)和2個(gè)再生區(qū)，每個(gè)除濕區(qū)的角度為135°，每個(gè)再生區(qū)的角度為45°，以便減少系統(tǒng)的占用空間，增強(qiáng)除濕效果。通過分析可知，系統(tǒng)應(yīng)采用海水冷卻和壓縮式空調(diào)機(jī)組冷卻相結(jié)合的方式，以便保證系統(tǒng)送風(fēng)狀態(tài)的穩(wěn)定性。

為了推進(jìn)轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用，須在以下幾方面開展深入的研究。

1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。通過不斷實(shí)驗(yàn)，分析和總結(jié)系統(tǒng)中各參數(shù)的變化規(guī)律，根據(jù)變化規(guī)律來確定系統(tǒng)各個(gè)部件的最佳運(yùn)行工況，例如：轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速、處理空氣風(fēng)速、冷卻水流量、再生空氣風(fēng)速、再生溫度等，并對(duì)不同部件之間運(yùn)行工況的最佳匹配做研究。

2)系統(tǒng)性能評(píng)估。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)，為了獲得更好的處理效果，并且系統(tǒng)運(yùn)行更加節(jié)能，需要確定用于評(píng)估系統(tǒng)整體性能的參數(shù)，即系統(tǒng)熱力性能系數(shù)COP的定義。

3)變工況特性研究。海洋船舶在短時(shí)間內(nèi)跨區(qū)域航行，船舶空調(diào)的運(yùn)行的外界環(huán)境溫濕度變化較大，系統(tǒng)受到外界變化的影響增加，需要對(duì)系統(tǒng)的變工況特性進(jìn)行詳盡的研究。

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