循環(huán)再生轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)的理論分析

周志杰 韓小渠 吳文翔 王宇 種道彤

1中國艦船研究中心

2西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

潛艇在海下潛航過程中，艙室與外界環(huán)境之間沒有空氣交換，而且艙室內(nèi)人員密集、空間狹小，導(dǎo)致空氣溫濕度較高[1]。空調(diào)系統(tǒng)是船舶上的重要設(shè)備之一，除濕是空調(diào)系統(tǒng)的主要功能，不僅關(guān)系到船員身體健康而且影響各種儀器設(shè)備的正常工作[2]。目前相對比較成熟的除濕技術(shù)包括加熱通風(fēng)除濕，膜法除濕，冷卻式除濕，液體吸收式除濕，固體吸附式除濕及轉(zhuǎn)輪除濕和多種除濕方法組合的方式。利用固體作為水分吸附劑的轉(zhuǎn)輪除濕方法在近些年來得到了快速的發(fā)展，且在處理低溫、低濕空氣時(shí)，轉(zhuǎn)輪除濕更能發(fā)揮其深度除濕性能[3-5]。

轉(zhuǎn)輪除濕在船舶上的主要應(yīng)用途徑是利用廢氣余熱、鍋爐蒸汽等作為再生熱源。楊光海等[6]探討了單轉(zhuǎn)輪兩級空調(diào)除濕在船舶中應(yīng)用的可行性。鄭國杰[7]分析了單級和雙級轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)在船舶中應(yīng)用的可行性，指出雙級除濕方案具有顯著的節(jié)能效果。俞文勝等[8]研究了不同新風(fēng)比和新風(fēng)溫度對船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響。朱軍等[9]研究了待處理空氣進(jìn)口溫度、含濕量、轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速、再生溫度等因素對轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)性能的影響。丁德鋒等[10]研究了轉(zhuǎn)速對船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響。將轉(zhuǎn)輪除濕運(yùn)用到船舶空調(diào)系統(tǒng)中，可以有效解決艙室內(nèi)熱濕負(fù)荷問題，充分利用船舶余熱和海水資源，不僅提高了能源利用效率，還能提升船艙內(nèi)的空氣品質(zhì)及控制精度[11]。

但是，上述轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)需利用一股新風(fēng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪再生，或是利用艙室高濕空氣作為再生空氣對室外空氣進(jìn)行處理，無法滿足潛艇內(nèi)部封閉環(huán)境的使用要求[12]。因此，提出利用轉(zhuǎn)輪除濕后的低溫低濕空氣對船舶設(shè)備余熱進(jìn)行回收，再進(jìn)一步分流部分高溫空氣完成轉(zhuǎn)輪再生，實(shí)現(xiàn)整個(gè)轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)的閉式循環(huán)，并提高除濕效果，通過理論研究探討該系統(tǒng)應(yīng)用于船舶空調(diào)系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)方案

一般常規(guī)除濕方案是將由船舶艙室來的高濕空氣直接冷凝析出水分，然而這種方法的除濕效果有限。而利用空調(diào)進(jìn)行除濕，耗電量較高。循環(huán)再生轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)則充分利用船舶工作過程中的余熱，增強(qiáng)除濕效果，其原理如圖1所示。由艙室來的常溫高濕空氣，進(jìn)入除濕轉(zhuǎn)輪后其含濕量降低，再進(jìn)入余熱回收裝置，對船舶設(shè)備進(jìn)行冷卻，同時(shí)空氣被加熱實(shí)現(xiàn)余熱回收，一部分空氣分流直接進(jìn)入冷凝室，該股濕空氣的除濕效果遠(yuǎn)好于直接冷凝除濕。濕空氣除去的水分留在除濕轉(zhuǎn)輪的干燥劑中，必須進(jìn)行脫附，否則無法連續(xù)使用?？紤]到該系統(tǒng)處于密閉空間，無法提供大量的熱空氣進(jìn)行脫附，因此利用分出的另一路濕度較低的空氣進(jìn)行脫附，利用其顯熱將干燥劑中的水氣化脫附，脫附后的濕空氣含濕量增大，進(jìn)入冷凝室中可以冷凝出更多的水分。轉(zhuǎn)輪除濕組件用于艙室空氣的連續(xù)除濕，是由分子篩材料制成的圓形轉(zhuǎn)輪。除濕后的空氣采用海水冷卻至指定溫度，用于保障艙室溫度處于安全范圍。

圖1 循環(huán)再生轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)工作原理

2 理論分析模型

根據(jù)系統(tǒng)的流程，基于質(zhì)量和能量守恒原理建立了理論分析模型，如圖2所示。

圖2 循環(huán)再生轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)質(zhì)量、能量平衡分析模型

直接冷凝時(shí)，濕空氣的濕度從d1降低至d6，則除濕率為：

式中：M為直接冷凝時(shí)的除濕率；d1為待處理空氣含濕量，g/kg；d6為冷凝后濕空氣含濕量，g/kg。

濕空氣在轉(zhuǎn)輪中濕度從d1降低至d2，再分流α1部分至轉(zhuǎn)輪再生區(qū)，吸附水分后含濕量提高至d4：

式中：d2為轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)出口的空氣含濕量，g/kg；d4為轉(zhuǎn)輪再生區(qū)出口的空氣含濕量，g/kg；α1為進(jìn)入再生區(qū)的空氣流量占總空氣流量的比例。

再生后高濕空氣在冷凝器中濕度降低至d6。轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)的除濕率為：

式中：M1為轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)的除濕率。

轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)相比直接冷凝，附加除濕率ΔM為：

式中：ΔM為轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)相比于直接冷凝時(shí)的附加除濕率。

可見，ΔM與轉(zhuǎn)輪除濕出口的濕度d2以及冷凝器出口的濕度d4之差有關(guān)。轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的除濕率相比于直接冷凝能夠提高，主要原因是分流后直接進(jìn)入冷凝室的部分低濕空氣具有附加除濕效果。

在轉(zhuǎn)輪中，由能量守恒：

式中：cp為空氣的比熱容，J/ (kg·℃)；ΔT除濕區(qū)為轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)進(jìn)出口的溫升，℃；ΔT再生區(qū)為轉(zhuǎn)輪再生區(qū)進(jìn)出口的溫降，℃；γ 為水的汽化潛熱，J/(kg·℃)；η 轉(zhuǎn)輪為除濕轉(zhuǎn)輪的熱效率。

可得分流系數(shù)為：

因此，附加除濕率可進(jìn)一步表達(dá)為：

可見，ΔM與d2的關(guān)系為二次函數(shù)，當(dāng)d2={[d1-(cp·ΔT再生區(qū)·η轉(zhuǎn)輪-cp·ΔT除濕區(qū))/γ]+d6}/2時(shí)，轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)的除濕效果達(dá)到最佳。

3 結(jié)果與討論

3.1 典型參數(shù)下的除濕效果

在一定的濕空氣進(jìn)出口參數(shù)和計(jì)算假定條件下（表1），利用上述模型進(jìn)行了計(jì)算。由對比結(jié)果可見：轉(zhuǎn)輪再生熱風(fēng)溫度t3為200 ℃時(shí)，轉(zhuǎn)輪除濕具有增強(qiáng)除濕的效果：除濕率由直接冷凝的41.2%提高至45.9%。直接冷凝除濕與轉(zhuǎn)輪除濕在設(shè)定參數(shù)工況下的d-t圖分別如圖3和圖4所示。

表1 濕空氣主要進(jìn)口參數(shù)、計(jì)算假定條件及計(jì)算結(jié)果

圖3 直接冷凝除濕d-t圖

圖4 轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)的典型工況d-t圖

3.2 關(guān)鍵參數(shù)對除濕效果的影響

再生熱風(fēng)溫度（t3）和再生后冷風(fēng)溫度（t4）是決定所述轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)出口含濕量（d2）與分流系數(shù)對應(yīng)，對除濕率均有顯著影響。

圖5 分流系數(shù)隨轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)出口含濕量d2 及再生熱風(fēng)溫度t3 的變化

圖6 除濕率隨轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)出口含濕量d2 及再生熱風(fēng)溫度t3 的變化

在不同再生熱風(fēng)溫度下（t3=160～200 ℃），分流系數(shù)和除濕率隨d2的變化分別如圖5、圖6所示。首先，轉(zhuǎn)輪分流系數(shù)與d2基本成線性關(guān)系（圖5）。隨著d2的下降，分流系數(shù)逐漸增加。這是由于蒸發(fā)潛熱隨著除濕量的增加而逐漸增大，因此所需的熱量增加，必須通過增加再生區(qū)的熱空氣流量來滿足。在d2一定時(shí)，t3越高，分流系數(shù)越小，因?yàn)樵偕諝獾撵式翟黾樱蚨嗤瑩Q熱量下所需的流量減小。當(dāng)分流系數(shù)達(dá)到100%時(shí)，即分流空氣的除濕能力達(dá)到最大值，d2達(dá)到對應(yīng)t3下的最低值。其次，轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)的除濕率近似為d2的二次函數(shù)（圖6）。d2越小，轉(zhuǎn)輪除濕能力越強(qiáng)，但分流系數(shù)也較大。d2越大，轉(zhuǎn)輪除濕能力減小，但分流系數(shù)較小，附加除濕部分增強(qiáng)。因此，存在最佳的d2，使得除濕率達(dá)到最優(yōu)值。當(dāng)t3=200 ℃時(shí)，通過分流75%的熱空氣進(jìn)入轉(zhuǎn)輪再生區(qū)，將除濕區(qū)出口空氣含濕量降至18 g·kg-1，系統(tǒng)的除濕率達(dá)到最佳水平46.2%，與直接冷凝相比除濕率相對提高了12.3%。

在不同再生后冷風(fēng)溫度下（t4=50～100 ℃），分流系數(shù)和除濕率隨d2的變化分別如圖7、圖8所示。當(dāng)t4下降時(shí)，轉(zhuǎn)輪除濕的效果會(huì)增強(qiáng)。以t3=200 ℃為例，隨著t4的下降，分流系數(shù)下降（圖7），這是由于再生空氣的溫升增加、焓降增大，因而流量需求下降。除濕率不斷上升（圖8），這是因?yàn)闇厣黾雍螅鬟^轉(zhuǎn)輪的再生空氣量減少，因而附加除濕率提高。當(dāng)t4從100 ℃降低至50 ℃時(shí)，最佳除濕率從46.2%提高至約55.1%。同時(shí)，最佳分流系數(shù)也隨之改變。t4越低，最佳分流系數(shù)越小，也即流過轉(zhuǎn)輪的最佳分流量越小。當(dāng)t4從100 ℃降低至50 ℃時(shí)，最佳分流系數(shù)從75%降低至68%，最佳d2從18 g·kg-1下降至7 g·kg-1。

圖7 分流系數(shù)隨轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)出口含濕量d2 及再生后冷風(fēng)溫度t4 的變化

圖8 除濕率隨轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)出口含濕量d2 及再生后冷風(fēng)溫度t4 的變化

4 結(jié)論

本文提出一種潛艇艙室空氣循環(huán)再生轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)，針對其除濕效果受關(guān)鍵參數(shù)的影響進(jìn)行了理論分析，為其優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。研究結(jié)果表明通過回收余熱和熱風(fēng)循環(huán)再生，轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)能夠有效提高除濕效果。在所研究的參數(shù)范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)的最佳除濕效果可達(dá)46.2%～55.1%，最佳分流系數(shù)約為68%～75%，而直接冷凝除濕率僅為41.2%。隨著轉(zhuǎn)輪再生區(qū)溫降的增加，最佳分流系數(shù)下降，除濕率則提高。

為了推進(jìn)該型轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)在艦艇中的應(yīng)用，須從以下兩方面開展深入的研究：

1）系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究。獲得其除濕性能隨主要系統(tǒng)參數(shù)的變化規(guī)律，包括典型新風(fēng)溫濕度、新風(fēng)風(fēng)量、再生風(fēng)溫度、分流系數(shù)、轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速等，獲得系統(tǒng)的變工況性能預(yù)測和控制方法。

2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。為了獲得更好的除濕性能，可對分流位置進(jìn)行優(yōu)化、采用雙級轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)，并采用再生溫度更低的轉(zhuǎn)輪材料，同時(shí)結(jié)合能耗分析，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效、節(jié)能除濕。