采用轉(zhuǎn)輪除濕的船用空調(diào)新風(fēng)預(yù)處理方案

朱世奇，陳武，楊玉潔，鄭超瑜

(1.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

遠(yuǎn)洋船舶的空調(diào)設(shè)備是船舶的主要設(shè)備之一，其用電量占全船電網(wǎng)容量20%左右[1]，船舶空調(diào)節(jié)能有重要意義。船舶空調(diào)處理新風(fēng)負(fù)荷的占比高。如果降低新風(fēng)比以減少新風(fēng)量則會(huì)使船艙空氣品質(zhì)變差，影響船員的健康。構(gòu)建一種船舶空調(diào)新風(fēng)預(yù)處理系統(tǒng)，降低新風(fēng)負(fù)荷，能減少船舶空調(diào)的能耗，是實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能減排的可行方向。船舶航行時(shí)主機(jī)會(huì)產(chǎn)生大量的余熱，其中船舶主機(jī)排氣溫度在260～400 ℃之間，屬于品是較高的熱源。船舶航行中舷外海水是可以利用的天然冷卻水源[2]。常用的空氣除濕方法有冷卻除濕、液體吸收除濕、固體吸附劑除濕、轉(zhuǎn)輪除濕和膜除濕[3]。針對(duì)船舶航行時(shí)可回收利用的余熱充足，海水冷源充分，船舶空間有限且搖晃顛簸，船舶空調(diào)采用余熱驅(qū)動(dòng)的除濕轉(zhuǎn)輪進(jìn)行新風(fēng)預(yù)處理；船舶余熱可以作為轉(zhuǎn)輪內(nèi)部固體干燥劑的再生能源，海水起中間冷卻作用，降低新風(fēng)在轉(zhuǎn)輪除濕過程因吸附熱而升高的溫度[4]。為此，考慮利用船舶余熱驅(qū)動(dòng)新風(fēng)預(yù)處理船舶空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能。

1 傳統(tǒng)船舶空調(diào)系統(tǒng)的能耗分析

1.1 某船舶空調(diào)的設(shè)計(jì)參數(shù)

目標(biāo)船為2 600 TEU集裝箱船，總噸34 324 t，設(shè)計(jì)航速22 kn。該船空調(diào)裝置為傳統(tǒng)的壓縮式制冷空調(diào)系統(tǒng)，制冷劑采用 R404A，理論制冷量為214.4 kW，總風(fēng)量18 000 m3/h，配備2臺(tái)壓縮機(jī)，每臺(tái)壓縮機(jī)額定制冷量155.5 kW，空調(diào)系統(tǒng)的COP為2.853。該船空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)：夏季艙室外環(huán)境的干球溫度34 ℃、相對(duì)濕度70%；艙室內(nèi)環(huán)境的干球溫度27 ℃、相對(duì)濕度50%；送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的干球溫度17 ℃、含濕量8.25 g/kg、焓值37.97 kJ/kg，新風(fēng)比例50%。

1.2 傳統(tǒng)船舶空調(diào)系統(tǒng)的空氣處理過程

船舶傳統(tǒng)的一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)處理過程是一種熱濕耦合的方式，其過程的焓濕圖見圖1。

圖1 傳統(tǒng)一次回風(fēng)再熱式空調(diào)系統(tǒng)的處理過程

艙室外新風(fēng)(F)和艙室回風(fēng)(C)混合為(M)，混合后的空氣(M)經(jīng)降溫除濕到機(jī)器露點(diǎn)(D)，再等濕加熱到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)(S)，最后將S狀態(tài)點(diǎn)的空氣送入艙室。

根據(jù)質(zhì)量與能量守恒計(jì)算混合點(diǎn)M的狀態(tài)計(jì)算如下。

GChC+GFhF=GMhM

(1)

GCdC+GFdF=GMdM

(2)

式中：GC、GF、GM分別為C、F、M狀態(tài)下的質(zhì)量流量。已知總風(fēng)量為18 000 m3/h，空氣密度取1.2 kg/m3，計(jì)算得：dM=17.44 g/kg，hM=75.28 kJ/kg。

過S點(diǎn)作ds=8.25 g/kg等含濕量線與Φ=90%的等濕度線交于D點(diǎn)，D點(diǎn)空氣狀態(tài)為dD=8.25 g/kg，hD=33.64 kJ/kg。

設(shè)計(jì)工況下,為滿足艙室降溫除濕的需求，船舶空調(diào)所需的制冷量Q1=G(hM-hD)，空氣密度取1.2 kg/m3，計(jì)算得Q1=249.84 kW。為滿足該艙室送風(fēng)的溫度要求，船舶空調(diào)系統(tǒng)輔助加熱所需的熱量Q2=G(hs-hD)，計(jì)算得Q2=37.98 kW。

在處理過程中，M～D是冷卻除濕過程，同時(shí)處理空氣的潛熱負(fù)荷和顯熱負(fù)荷。此過程將冷卻器表面溫度降至露點(diǎn)溫度以下，處理空氣經(jīng)過冷卻器后溫度下降，相對(duì)濕度升高，水蒸氣在冷卻器表面冷凝，降低了溫度的同時(shí)也滿足了除濕要求。但冷凝除濕將溫度降至露點(diǎn)狀態(tài)空調(diào)需消耗大量能源；此外，除濕后空氣狀態(tài)(D)的濕度雖滿足要求，但是溫度過低，為了使其達(dá)到送風(fēng)溫度的要求，需要對(duì)空氣進(jìn)行再熱處理，即D～S過程，這種輔助加熱升溫的方式同時(shí)造成能源浪費(fèi)。

2 系統(tǒng)方案

用船舶余熱驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)輪除濕對(duì)船舶空調(diào)進(jìn)行新風(fēng)預(yù)處理，能將新風(fēng)的溫度和濕度解耦；一方面，利用除濕轉(zhuǎn)輪來處理新風(fēng)的潛熱，完成艙室的除濕要求[5]；再用舷外溫度較低的海水進(jìn)行中間冷卻，并結(jié)合壓縮制冷機(jī)組來處理送風(fēng)的顯熱，滿足艙室降溫的要求。用新風(fēng)預(yù)處理的方式來調(diào)節(jié)室內(nèi)的熱濕環(huán)境，既可減少熱濕統(tǒng)一處理的損失，又可解決先降溫再加熱的冷熱抵消問題。根據(jù)上述船舶原有空調(diào)的設(shè)計(jì)參數(shù)，構(gòu)建2種采用轉(zhuǎn)輪除濕進(jìn)行新風(fēng)預(yù)處理的方案。

2.1 采用單級(jí)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行新風(fēng)預(yù)處理

單級(jí)轉(zhuǎn)輪新風(fēng)預(yù)處理的系統(tǒng)方案見圖2，F(xiàn)～S為送風(fēng)空氣的處理過程，F(xiàn)～F1過程為室外新風(fēng)通過轉(zhuǎn)輪進(jìn)行除濕，此過程理論上視為等焓過程，F(xiàn)1～F2為新風(fēng)通過由海水供水的中間冷卻器降溫過程，F(xiàn)2～M為新風(fēng)與艙室一部分回風(fēng)混合過程，艙室新風(fēng)比取50%，M～S為處理空氣經(jīng)過蒸發(fā)器進(jìn)一步降溫的過程,經(jīng)過處理后的空氣狀態(tài)為(S)滿足送風(fēng)的溫度濕度要求，最后送入艙室。中間冷卻器為水冷式換熱器，采用船舶航行中的舷外海水作為冷源；換熱器的海水設(shè)計(jì)溫度取32 ℃，采用6 ℃的設(shè)計(jì)溫差。

圖2 單級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)預(yù)處理系統(tǒng)示意

艙室的部分回風(fēng)經(jīng)再生加熱器加熱到高溫以作為轉(zhuǎn)輪的再生空氣，再生空氣經(jīng)過轉(zhuǎn)輪的再生區(qū)帶走除濕劑吸附的水，使轉(zhuǎn)輪恢復(fù)除濕性能，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪除濕的再生。再生加熱器采用船舶余熱作為熱源，不需額外提供熱源。除濕轉(zhuǎn)輪的處理區(qū)與再生區(qū)面積比為3∶1。

2.2 采用2級(jí)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行新風(fēng)預(yù)處理

采用2級(jí)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行新風(fēng)預(yù)處理的空氣處理過程方案見圖3，采用2級(jí)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行新風(fēng)預(yù)處理。2級(jí)轉(zhuǎn)輪采用與單級(jí)轉(zhuǎn)輪相同的尺寸和除濕劑，處理區(qū)與再生區(qū)面積比均為3∶1；在處理過程中，處理空氣的濕負(fù)荷由雙轉(zhuǎn)輪承擔(dān)，顯熱負(fù)荷由中間冷卻器和蒸發(fā)器承擔(dān)。艙室外新風(fēng)進(jìn)入第一級(jí)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行除濕，通過第一級(jí)中間冷卻器用海水冷卻，再進(jìn)入第二級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕，然后通過第二級(jí)中間冷卻器用海水冷卻，此時(shí)新風(fēng)的濕負(fù)荷已經(jīng)被2級(jí)轉(zhuǎn)輪承擔(dān)。處理后的新風(fēng)與回風(fēng)混合后進(jìn)入蒸發(fā)器降溫，達(dá)到送風(fēng)要求后送入艙室。處理過程在焓濕圖上表述見圖4，各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)見表1。

圖3 2級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)預(yù)處理過程示意

圖4 2種新風(fēng)預(yù)處理系統(tǒng)的處理過程

表1 單級(jí)轉(zhuǎn)輪和雙級(jí)轉(zhuǎn)輪新風(fēng)預(yù)處理系統(tǒng)各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)值

再生過程中，艙室的部分回風(fēng)經(jīng)再生加熱器加熱后分別通過2個(gè)轉(zhuǎn)輪，使轉(zhuǎn)輪除濕劑再生脫附，恢復(fù)除濕性能。再生加熱器采用船舶余熱作為熱源，轉(zhuǎn)輪由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

3 新風(fēng)預(yù)處理的方案比較

采用轉(zhuǎn)輪除濕進(jìn)行新風(fēng)預(yù)處理的過程，處理空氣中的水蒸汽被轉(zhuǎn)輪吸附時(shí)會(huì)釋放大量的熱，會(huì)使處理風(fēng)溫度升高，相對(duì)濕度變小，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪表面的水蒸氣分壓力減小，除濕效率下降。想要得到最佳的轉(zhuǎn)輪除濕效果處理空氣應(yīng)保持在25 ℃左右，通常單級(jí)轉(zhuǎn)輪處理空氣需要進(jìn)行預(yù)冷。上述單級(jí)轉(zhuǎn)輪方案中的艙室外溫度為34 ℃、相對(duì)濕度70%、理論除濕量為18.38 kg/h，在處理風(fēng)溫度高、除濕量高、無預(yù)冷的條件下，用單級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕，除濕效率較低，難以直接滿足新風(fēng)預(yù)處理的除濕要求。而且，單級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕方案仍需輔以冷凝除濕，優(yōu)勢(shì)不夠突出。

設(shè)計(jì)采用2級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕方案進(jìn)行新風(fēng)預(yù)處理，方案中2級(jí)轉(zhuǎn)輪共同承擔(dān)18.38 kg/h的除濕量，2級(jí)轉(zhuǎn)輪中每一級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕量要求不高，在新風(fēng)高溫高濕且無預(yù)冷的條件下能夠達(dá)到除濕要求，降低了再生能源的損耗，能更充分地利用船舶余熱作為轉(zhuǎn)輪的再生能源；且能同時(shí)利用海水進(jìn)行中間冷卻，輔助處理空氣的顯熱負(fù)荷。因此，2級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕的新風(fēng)預(yù)處理方案更適合應(yīng)用于船舶空調(diào)。

如果選擇2級(jí)以上的轉(zhuǎn)輪除濕進(jìn)行新風(fēng)預(yù)處理，雖然船舶余熱豐富，但轉(zhuǎn)輪和進(jìn)行中間冷卻作用的海水換熱器數(shù)量的增加，設(shè)備占地面積會(huì)變大，投資和維護(hù)成本也會(huì)相應(yīng)的增加。因此，2級(jí)以上的轉(zhuǎn)輪除濕方案不適合應(yīng)用于船舶。

對(duì)于2級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)預(yù)處理的方案來說，方案中的進(jìn)行中間冷卻作用的水冷換熱器由海水提供冷源，M～S階段壓縮式制冷機(jī)組理論所需制冷量Q=G·Δh。2級(jí)轉(zhuǎn)輪新風(fēng)預(yù)處理方案冷卻盤管進(jìn)口狀態(tài)點(diǎn)M的焓值為53.75 kJ/kg，出口狀態(tài)點(diǎn)S的焓值為37.97 kJ/kg，計(jì)算得采用2級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕進(jìn)行新風(fēng)預(yù)處理的船用空調(diào)所需要的制冷量為94.68 kW，采用傳統(tǒng)方式的船用空調(diào)所需要的制冷量為249.84 kW。因此，采用2級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)預(yù)處理耗能僅為傳統(tǒng)船舶空調(diào)的37.9%。

4 結(jié)論

船舶空調(diào)新風(fēng)比大，新風(fēng)濕負(fù)荷占比高，采用轉(zhuǎn)輪除濕進(jìn)行新風(fēng)預(yù)處理，可實(shí)現(xiàn)溫、濕度解耦；同時(shí)，蒸發(fā)器的表面溫度不必降至露點(diǎn)溫度以下,可提高空調(diào)效率，節(jié)能效果明顯；且可以利用海水進(jìn)行中間冷卻，輔助處理空氣的顯熱負(fù)荷，降低壓縮制冷機(jī)組的耗能；能充分利用船舶余熱，減小船舶余熱排放對(duì)環(huán)境的污染。在設(shè)計(jì)工況下，相比于傳統(tǒng)船舶空調(diào)系統(tǒng)，2級(jí)新風(fēng)預(yù)處理空調(diào)系統(tǒng)消耗功率僅為原船舶空調(diào)的37.9%，具有良好的節(jié)能效果。