船用转轮除湿空调系统方案的探讨

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(集美大学 轮机工程学院，福建 厦门 361021)

转轮除湿空调系统主要包括除湿转轮和冷却设备。除湿转轮是由很多平行空气通道组成的圆柱形结构组成，在空气通道壁上覆盖了一层均匀的干燥剂，用来吸附空气中的水蒸气，该除湿过程为等焓吸附过程，空气的含湿量下降，温度升高，吸湿饱和后的干燥剂经加热到60～100 ℃[1]可以实现解析，重新恢复吸附能力。冷却设备采用直接或者间接蒸发冷却方式实现对处理空气的冷却。转轮除湿空调就是将两者结合起来实现空气调节的空调技术。目前，在中国、美国、日本和欧洲的很多相关科研院所，都在积极开展对转轮除湿空调的研究，研究内容集中在新型干燥剂的开发、转轮结构优化、系统构建以及与太阳能结合应用等[2-9]。

转轮除湿空调技术是一种绿色的制冷技术，国际能源机构和美国能源部都在积极推广该技术在陆地建筑上的应用，但从国内外已公开发表的文献检索来看，仍然没有见到对转轮除湿空调在船舶上的应用做深入研究，只有Digiovanni.等在其发明专利中提出了将除湿转轮用于对船舶空调的新风进行预处理[10]，但没有对关键技术进一步展开研究。而船舶空调系统较大的湿负荷符合转轮除湿空调除湿量大的特点，并且船舶拥有丰富的余热可以为干燥剂的再生提供热源，能够减少空调系统的能源消耗，因此，开展对转轮除湿空调在船舶上应用的深入研究对船舶减碳是十分有意义的。

1 船用转轮除湿空调系统方案

夏季，海洋环境下空气的相对湿度在70%～80%，有时可以达到90%。船舶舱室对新风量有较高的要求，较高比例的新风进入，给船舶空调系统带来了大量的湿负荷。而船舶空调通常采用冷却除湿方式，需要消耗大量的能量用于降低冷却设备表面的温度至露点温度以下实现除湿。

与冷却除湿方式不同，转轮除湿空调采用干燥剂除湿，除湿过程所消耗能量主要用于干燥剂的再生。干燥剂的再生温度为60～100 ℃，可以利用太阳能、废热等低品质能源作为热源，实现加热再生。船舶柴油主机的排气温度在260～400 ℃，排气热量约占柴油机总输入能量的30%[11]，通过船舶配备的余热锅炉利用排气余热生产高温蒸汽，用于加热再生空气，可以达到干燥剂再生温度的要求。余热锅炉生产的蒸汽在冬季主要用于船舶取暖和其它设备加热，而空调制冷的季节是不需要蒸汽取暖的，其它设备需要的蒸汽量也会减少，余热锅炉生产的蒸汽量完全可以满足转轮除湿空调系统再生加热的需要。相比于冷却除湿方式，转轮除湿空调系统在船舶上可以利用废热作为系统驱动热源，可以节约一部分用于处理空气中湿负荷的能耗。

根据ISO 7547-2002《船舶和海上技术起居处所的空调通风设计条件和计算基础》的相关规定，夏季舱室外(状态点O)的设计温度为35 ℃、相对湿度为70%，舱室内(状态点N)的设计温度为27 ℃、相对湿度为50%，新风比不小于50%。当室内外空气在设计状态下按最小新风比50%混合时，混合点I的干球温度为31.0 ℃、含湿量为18.20 g/kg(dry.air)。取热湿比为8 000[12]，送风温差为10 ℃，见图1。

图1 送风状态点6与混合点I的含湿量之差

可知送风状态点6的干球温度为17 ℃、含湿量为9.39 g/kg(dry. air)，与混合点I的含湿量之差为8.81 g/kg(dry. air)。因此，在此状态下，船用转轮除湿空调系统需要处理的最小湿负荷为8.81 g/kg(dry.air)。

针对空调系统需要处理的湿负荷，若采用一个除湿转轮(除湿区为270°、再生区为90°)来处理空气的湿负荷，会增加转轮的厚度，造成空气的流动阻力升高，并且会提高对干燥剂除湿性能的要求。若采用2个转轮来处理空气的含湿量，除湿效果会比较好，但增加了系统的占用空间，不符合船舶舱室空间狭小的特点。因此，考虑在一个转轮上实现对处理空气进行两次除湿，既可以减少系统占用空间，又具有两个转轮的除湿效果[13]。如图2中所示，即将转轮依次分为除湿区一、再生区一、除湿区二和再生区二，每个除湿区的角度为135°，每个再生区的角度为45°。

在除湿过程中，受吸附热的影响，处理空气的温度会不断升高。如果将第一次除湿后的处理空气直接送入转轮的除湿区二进行除湿，由于处理空气温度较高，水分子的动能较大，不利于吸附除湿过程的进行，需要将处理空气的温度降低后再进行除湿。海洋表面的海水温度在20～30 ℃之间，纬度越高，海水温度越低，可以将海水作为冷却水源对干燥处理后的空气进行初步冷却，降低处理空气的温度。船舶在航行中，区域跨度大，舱室外的温、湿度变化大，只靠海水冷却是不能保证送风状态的稳定性。在转轮除湿空调中，常用的冷却方式一种是蒸发冷却，但船舶在航行中会产生一定的摆幅，对蒸发冷却过程造成水流不稳定，冷却效果会受到较大的影响；另外一种冷却方式是采用压缩式空调机组，压缩式空调机组性能稳定，受外界影响较小，能够保证冷却空气温度的稳定。在船舶航行中，空调系统需要有较好的独立性和稳定性，因此，采用压缩式空调机组与除湿转轮结合在一起，可以有效地保证船舶空调送风状态的稳定。

图2 除湿转轮分区示意

按上述讨论构建船用单个转轮两级除湿空调系统的流程见图3，由空气的处理过程(实线所示)和干燥剂的再生过程(虚线所示)2个流程组成。

1)空气的处理过程。室外新风与舱室回风在进入除湿区一之前[14]按一定比例(新风比≥50%)混合，作为处理空气，处理空气依次经过转轮除湿区一、海水换热器一、转轮除湿区二、海水换热器二和压缩式空调机组，最后由处理风机送入舱室。在空气的处理过程中，处理空气在除湿区一和二中一部分水分被干燥剂吸收，处理空气被干燥，由于吸附热的释放，处理空气的温度上升。经过除湿后的处理空气在海水换热器一和二中，进行初步冷却处理。为保证送风温度的稳定性，处理空气经海水换热器二冷却后，再经过压缩式空调机组的蒸发器进一步冷却至预定的送风状态，送入舱室。空气的处理过程在焓湿图上的表示见图4。

图3 船用单个转轮两级除湿空调系统流程

图4 空气的处理过程在焓湿图上的表示

2)干燥剂的再生过程。再生空气采用舱室的回风，首先送入加热器，加热器采用余热锅炉生产的蒸汽来加热再生空气至所需温度，加热后的再生空气出来后被分成两路，分别进入除湿转轮的再生区一和再生区二。在再生区中，干燥剂吸附的水分受热蒸发到再生空气中，随着气流经再生风机排到室外，干燥剂吸湿能力恢复。干燥剂的再生过程在焓湿图上的表示见图5。

2 船用转轮除湿空调实验台

根据确定的系统方案，实验室建立了送风量为1 000 m3/h的船用单个转轮两级除湿空调系统实验台，以便对船用转轮除湿空调系统的性能进行实验分析和研究。除湿转轮采用蜂窝状硅胶转轮，直径450 mm，厚度200 mm，采用调速电机控制转轮转速。处理风机和再生风机通过变频器来改变风机频率调节风量。系统中各点空气状态通过温湿度传感器和数据采集模块进行采集。

图5 干燥剂的再生过程在焓湿图上的表示

在该实验台中，海洋环境、海水和废热分别采用以下方式来模拟实现。

1)采用恒温恒湿空调装置生产所需温湿度的空气，用来模拟海洋环境下的空气。该设备的风量处理范围为500～1 500 m3/h，温度控制范围为20～40 ℃、控制精度为±0.6 ℃，相对湿度控制范围为50%～90%、控制精度为±2.5%。

2)实验室建立了两套恒温水源设备，在水的回路上安装有流量计，通过变频器改变水泵频率来控制水流量，供水温度的控制精度在0.1 ℃以内。其中一套恒温水源设备用作模拟不同温度的海水，对除湿后的空气进行初步冷却；另外一套用来模拟压缩式空调机组，进一步对空气进行冷却。

3)采用电加热模拟余热锅炉生产的蒸汽，对再生空气进行加热，利用可控硅和PLC内置PID对加热温度进行控制。

3 结论

将转轮除湿空调应用到船舶上，可以有效地利用船舶余热，减少船舶空调系统用于除湿的能耗。船用转轮除湿空调系统可采用单转轮两级除湿的方案，利用单个除湿转轮实现两次除湿，即将一个转轮分为2个除湿区和2个再生区，每个除湿区的角度为135°，每个再生区的角度为45°，以便减少系统的占用空间，增强除湿效果。通过分析可知，系统应采用海水冷却和压缩式空调机组冷却相结合的方式，以便保证系统送风状态的稳定性。

为了推进转轮除湿空调系统在船舶上的应用，须在以下几方面开展深入的研究。

1)系统结构参数的优化。通过不断实验，分析和总结系统中各参数的变化规律，根据变化规律来确定系统各个部件的最佳运行工况，例如：转轮转速、处理空气风速、冷却水流量、再生空气风速、再生温度等，并对不同部件之间运行工况的最佳匹配做研究。

2)系统性能评估。对于整个系统，为了获得更好的处理效果，并且系统运行更加节能，需要确定用于评估系统整体性能的参数，即系统热力性能系数COP的定义。

3)变工况特性研究。海洋船舶在短时间内跨区域航行，船舶空调的运行的外界环境温湿度变化较大，系统受到外界变化的影响增加，需要对系统的变工况特性进行详尽的研究。

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