潛艇液體除濕空調(diào)系統(tǒng)探討

彭光明 毛志強(qiáng) 鄭 浩 鄧鑫萍 張 瑤

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064

0 引 言

傳統(tǒng)空調(diào)是通過將濕空氣冷卻到露點(diǎn)溫度以下來除濕，其制冷與除濕能力不匹配。在潛艇內(nèi)，空氣中的濕度非常大，使用傳統(tǒng)空調(diào)不能同時(shí)滿足降溫和除濕的要求。而液體除濕空調(diào)則是把降溫和除濕分成兩個(gè)過程，相互獨(dú)立調(diào)節(jié)，可適用于高熱濕環(huán)境。本文將針對(duì)潛艇艙內(nèi)的熱濕環(huán)境和空氣品質(zhì)，分析液體除濕空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于船舶的可行性，并提出潛艇液體除濕空調(diào)系統(tǒng)方案。

1 潛艇除濕技術(shù)分析

目前，主要的除濕方法有冷凝除濕和吸附除濕兩種，其中吸附除濕又分為固體吸附除濕和液體吸附除濕。

1.1 冷凝除濕

冷凝除濕即采用空調(diào)制冷除濕，通過壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)將空氣冷卻到露點(diǎn)溫度以下，空氣中的水分被冷凝為液態(tài)水析出。在除濕的同時(shí)，空氣溫度也被降低，因此空調(diào)系統(tǒng)兼具除濕和降溫的作用。在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要平衡溫、濕度。但對(duì)于僅需要除濕而沒有降溫需要的環(huán)境，必須將冷卻除濕的空氣再加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋纱?，便?huì)造成能源浪費(fèi)。

現(xiàn)代潛艇空調(diào)系統(tǒng)是以間冷式為主，因送風(fēng)溫差小，海洋環(huán)境濕度大，因此，單獨(dú)通過空調(diào)制冷系統(tǒng)達(dá)不到理想的除濕效果，濕度基本在60%以上，需要進(jìn)一步配合使用其它除濕技術(shù)。

空調(diào)系統(tǒng)的耗電量大。為節(jié)約能源，潛艇不開空調(diào)，僅降低艙室濕度也能達(dá)到改善艙室環(huán)境的效果。此時(shí)，獨(dú)立的除濕措施就顯得更為重要。

1.2 吸附除濕

吸附除濕采用吸附材料動(dòng)態(tài)吸附空氣中的水蒸氣。其容易釋放出潛熱，導(dǎo)致溫度升高，但可以連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行大負(fù)荷的空氣調(diào)濕，在低溫、低濕工況下還可實(shí)現(xiàn)-70℃的超低空氣露點(diǎn)。

1）固體吸附除濕

典型的固體吸附除濕技術(shù)之一為轉(zhuǎn)輪吸附除濕法，其工作原理如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)工作原理Fig.1 Principle of desiccant runner

固體吸附劑被制成蜂窩狀置于轉(zhuǎn)輪中，擋板將轉(zhuǎn)輪分為除濕區(qū)和再生區(qū)。處理空氣通過除濕區(qū)后將水分傳給吸附劑，在進(jìn)行吸附除濕的過程中，可以將相對(duì)濕度降至10%。同時(shí)，再生空氣通過加熱器提高溫度來降低相對(duì)濕度，然后，通過再生區(qū)將吸附劑內(nèi)的水分蒸發(fā)出來并帶走，從而恢復(fù)吸附劑的吸附能力。轉(zhuǎn)輪以5～8 r/h的速度對(duì)除濕區(qū)和再生區(qū)進(jìn)行交替輪換，吸附劑往復(fù)經(jīng)歷吸附—脫附過程［1］，將干燥的空氣連續(xù)經(jīng)溫度調(diào)節(jié)后送入指定空間，從而達(dá)到高精度的溫、濕度控制。

一般情況下，是直接將轉(zhuǎn)輪吸附除濕法中吸附劑脫附的濕空氣排到艙外。但對(duì)于潛艇應(yīng)用來說，則需要采取措施收集或冷凝脫附出的水蒸氣。此外，固體除濕劑還需要加熱才能進(jìn)行再生，既消耗艇上電能，又增加艇上熱量。如果采取吸收飽和后在岸上進(jìn)行再生，則需要攜帶大量吸附劑，既不經(jīng)濟(jì)，艇上空間也不允許。因此，固體除濕劑不適合艙室大氣除濕，只能對(duì)潛艇的部分儀器采用少量固體除濕劑，以消除水蒸氣對(duì)測(cè)量的影響，提高儀器的測(cè)量精度。

2）液體吸附除濕

液體除濕技術(shù)的原理是被處理空氣與液體除濕劑（CaCl2，LiCl等濃溶液）直接接觸，利用除濕劑對(duì)水的強(qiáng)烈吸收作用來達(dá)到降低空氣濕度的目的，然后繼續(xù)通過其他空氣處理方法將空氣處理至滿足室內(nèi)送風(fēng)要求的狀態(tài)。吸濕后，被稀釋的除濕溶液被送往再生器，由熱源加熱再生后繼續(xù)循環(huán)［2］。

液體除濕空調(diào)系統(tǒng)的除濕和降溫過程相互獨(dú)立，適用于熱、濕比變化較大的環(huán)境。同時(shí)，液體除濕劑還可以直接沖洗被處理空氣，沉降空氣中的灰塵、細(xì)菌以及病毒。除濕劑本身化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無毒性，可以改善艙室空氣品質(zhì)［3］。此外，根據(jù)ASHRAE舒適區(qū)定義，降低空氣濕度，適當(dāng)提高空氣溫度不影響人體冷熱感［4］。因此，液體除濕空調(diào)系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)降溫和除濕能力來降低系統(tǒng)的能耗。

2 潛艇液體除濕空調(diào)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)原理

本文在綜合考慮潛艇艙室空間布局和系統(tǒng)節(jié)能性要求的基礎(chǔ)上，提出為目前的空調(diào)系統(tǒng)增加除濕劑循環(huán)系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)要求，在分析工作原理的基礎(chǔ)上改進(jìn)了空調(diào)器的設(shè)計(jì)，甄選了除濕劑類型，解決了除濕劑再生的難題，設(shè)計(jì)出了一種滿足潛艇艙室環(huán)境要求的液體除濕空調(diào)系統(tǒng)，其基本原理如圖2所示。

圖2 液體除濕空調(diào)系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of liquid desiccant air-conditioning system

由圖2可看出，系統(tǒng)管路分為空氣管路、冷水管路和溶液管路。其中空氣管路中的介質(zhì)為作為環(huán)境空氣調(diào)節(jié)的空氣，其由風(fēng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)源，在空調(diào)器（組合冷卻器和除溫器）中進(jìn)行降溫、除濕處理。冷水管路中的介質(zhì)為冷水機(jī)組提供的冷媒水，作為冷源，對(duì)空氣進(jìn)行處理，由冷媒水泵作為驅(qū)動(dòng)源。

溶液管路系統(tǒng)由泵驅(qū)動(dòng)。高溫濃溶液由泵打入換熱器與低溫稀溶液進(jìn)行換熱，得到低溫濃溶液；低溫濃溶液進(jìn)入空調(diào)器，對(duì)被處理空氣進(jìn)行除濕處理，同時(shí)受冷卻水的冷卻，變成低溫稀溶液；低溫稀溶液在換熱器中進(jìn)行回?zé)崽幚?；然后，稀溶液進(jìn)入再生器，經(jīng)由動(dòng)力系統(tǒng)廢氣進(jìn)行加熱，析出水蒸汽，得到高溫濃溶液，得以再生。溶液管路系統(tǒng)周而復(fù)始。

2.2 除濕劑的選擇

除濕劑不但要除濕效果好，更應(yīng)具備穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，無毒性，保證不給密閉艙室大氣環(huán)境增加負(fù)擔(dān)。

民用領(lǐng)域常用的除濕劑有三甘醇、乙二醇、氯化鈣、溴化鋰、氯化鋰等金屬鹵鹽溶液。因液體除濕空調(diào)系統(tǒng)需要大量的除濕劑，因而除濕劑的價(jià)格因素也是一個(gè)需重要考慮的方面。

為了尋求一種性能好、成本低的理想除濕劑，很多學(xué)者建議將除濕性能優(yōu)良但價(jià)格高的除濕劑與性能較差但價(jià)格低的除濕劑進(jìn)行混合。1992年，Ertas等［5］選擇了質(zhì)量比為1∶1的氯化鋰與氯化鈣的混合溶液。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，與相同濃度的氯化鈣溶液的黏度相比，該新型除濕劑的黏度降低了約40%，并且其溶解度也比單一溶質(zhì)的除濕劑有所改善。

除濕劑的熱物理性質(zhì)對(duì)于分析其除濕性能非常重要。通過理論計(jì)算分析，Ameel等［6］認(rèn)為將氯化鋰和氯化鋅以2∶1的質(zhì)量比混合后作為溶質(zhì)的除濕劑是最理想的，雖然與溴化鋰溶液相比該混合溶液的除濕性能下降了50%～70%，但價(jià)格卻可以下降到原來的15%左右，而且混合溶液在黏度和溶解度上也表現(xiàn)出理想的特性。這是由于在氯化鋰、氯化鋅混合溶液中形成了復(fù)雜的四氯化合物，因而表現(xiàn)出了比單一溶質(zhì)的除濕劑更好的特性。

同樣，在氯化鈣、氯化鋅、氯化鋰溶液的任意兩種混合溶液中也可形成四氯化合物。總體來說，溴化鋰、氯化鈣、氯化鋅、氯化鋰溶液的任意兩種混合物溶液均能表現(xiàn)出比單一溶質(zhì)的溶液更理想的特性。楊英等［7］提出以物質(zhì)的量之比為1∶1的比例將氯化鈣、氯化鋅混合溶解后作為除濕劑，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明是一種性能穩(wěn)定的除濕劑。

由于潛艇空間緊張，能量寶貴，更需要追求除濕劑的吸濕性能和穩(wěn)定性，因此，本系統(tǒng)采用物質(zhì)的量比為1∶1的氯化鈣、氯化鋅混合溶解作為除濕劑。

2.3 除濕溶液再生

1）再生原理

再生過程是除濕過程的反過程。除濕過程是除濕溶液從被處理空氣中吸收水分并放出潛熱的過程，而再生過程則是從外界獲取熱量使水分從除濕溶液中蒸發(fā)到空氣中的過程。溶液表面的蒸汽壓 p1與空氣的蒸汽壓 p2的壓差(p1-p2)是水分傳質(zhì)的傳遞勢(shì)，但溶液的再生則是由于除濕溶液的表面蒸汽壓大于與之接觸的空氣的蒸汽壓，這與除濕過程相反。

在除濕器中，較濃的除濕溶液由于吸水稀釋而使?jié)舛冉档?，這時(shí)，其蒸汽壓逐漸變大，當(dāng)其蒸汽壓高于被處理空氣的蒸汽壓時(shí)，除濕溶液便不能進(jìn)行除濕，而是將吸濕后的稀溶液通過熱源的加熱升溫到一定值后，將其引入再生器與空氣接觸。只要保持 (p1-p2)為正值，就可以實(shí)現(xiàn)再生［8］。

2）再生器的設(shè)計(jì)

民用除濕溶液再生裝置的熱源常見的有燃?xì)夂吞柲艿取８鶕?jù)潛艇系統(tǒng)的實(shí)際配置情況，是利用全船海水冷卻系統(tǒng)排出的熱海水對(duì)除濕溶液進(jìn)行再生。在再生器中，將吸濕后的除濕溶液在上部噴淋，而在下面安裝板式換熱器以增大換熱面積；將動(dòng)力系統(tǒng)廢氣直接或經(jīng)過預(yù)熱后采取逆流的方式至下而上吹過板式換熱器，以對(duì)除濕溶液進(jìn)行加熱，如圖3所示。吸濕后的除濕溶液流過板式換熱器時(shí)水分蒸發(fā)，水蒸氣通過壓氣機(jī)排出艇外，再生后的除濕濃溶液從下部流出，回到濃溶液箱［9］。

圖3 除濕劑再生器原理圖Fig.3 Schematic diagram of dehumidizer regeneration machine

2.4 空調(diào)器設(shè)計(jì)

在除濕過程中，水蒸氣凝結(jié)釋放的汽化潛熱被除濕劑和被處理空氣吸收，因此，除濕劑和被處理空氣的溫度都會(huì)有所升高。除濕劑溫度升高后會(huì)使其表面的水蒸氣分壓力升高，導(dǎo)致傳質(zhì)平均壓差減小，從而降低除濕效率。為保證除濕劑的除濕效率，往往需要對(duì)除濕器進(jìn)行水冷，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜化；同時(shí)，除濕器和冷卻器所占的空間比較大，考慮到潛艇的艙室空間布局，本系統(tǒng)將除濕器和冷卻器綜合為一體式空調(diào)器，利用冷水盤管冷卻除濕劑和被處理空氣，其原理如圖4所示。

圖4 空調(diào)器原理圖Fig.4 Schematic diagram of air-conditioning

除濕劑從頂部進(jìn)入經(jīng)多個(gè)小噴頭噴淋的被處理空氣，最后在底部匯集流出。冷水盤管采用叉排形式來加強(qiáng)空氣與冷媒水的換熱效果，為保證除濕劑不被空氣帶出空調(diào)器，在空氣出口處增加了擋水板［10］。

除濕劑與空氣直接接觸，除吸收空氣中的水分外，氯化鈣、氯化鋅混合溶液對(duì)空氣還具有洗滌的作用，能凈化空氣中雜質(zhì)和氣溶膠等。

3 結(jié) 論

潛艇環(huán)境的特殊性限制了許多成熟除濕技術(shù)的使用，但液體除濕空調(diào)系統(tǒng)在潛艇的使用中具有能耗小、噪聲低等很多明顯的優(yōu)勢(shì)，所設(shè)計(jì)的液體除濕空調(diào)系統(tǒng)在滿足除濕和降溫效果的同時(shí)，還可以通過除濕劑與空氣的直接接觸而改善艙室內(nèi)空氣品質(zhì)，對(duì)潛艇艙室大氣環(huán)境的改善起積極作用。具體如下：

1）系統(tǒng)通過能量再利用，使用全船海水冷卻系統(tǒng)排出的熱海水對(duì)除濕溶液進(jìn)行再生，不需要另外消耗能量，保證了整個(gè)除濕系統(tǒng)只有水泵耗功，系統(tǒng)能耗低。

2）系統(tǒng)采用機(jī)械供液、重力回液的循環(huán)方式，即稀溶液箱與除濕劑再生裝置存在一定的安裝高度差，利用重力使稀溶液回流。重力回液使稀溶液低速流過再生器，有利于除濕劑充分吸熱再生，同時(shí)降低系統(tǒng)能耗并減少動(dòng)力機(jī)械設(shè)備，系統(tǒng)能耗小，噪聲低。

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