采用转轮除湿的船用空调新风预处理方案

朱世奇，陈武，杨玉洁，郑超瑜

(1.集美大学 轮机工程学院，福建 厦门 361021；2.上海海事大学 商船学院，上海 201306)

远洋船舶的空调设备是船舶的主要设备之一，其用电量占全船电网容量20%左右[1]，船舶空调节能有重要意义。船舶空调处理新风负荷的占比高。如果降低新风比以减少新风量则会使船舱空气品质变差，影响船员的健康。构建一种船舶空调新风预处理系统，降低新风负荷，能减少船舶空调的能耗，是实现船舶节能减排的可行方向。船舶航行时主机会产生大量的余热，其中船舶主机排气温度在260～400 ℃之间，属于品是较高的热源。船舶航行中舷外海水是可以利用的天然冷却水源[2]。常用的空气除湿方法有冷却除湿、液体吸收除湿、固体吸附剂除湿、转轮除湿和膜除湿[3]。针对船舶航行时可回收利用的余热充足，海水冷源充分，船舶空间有限且摇晃颠簸，船舶空调采用余热驱动的除湿转轮进行新风预处理；船舶余热可以作为转轮内部固体干燥剂的再生能源，海水起中间冷却作用，降低新风在转轮除湿过程因吸附热而升高的温度[4]。为此，考虑利用船舶余热驱动新风预处理船舶空调系统，实现船舶节能。

1 传统船舶空调系统的能耗分析

1.1 某船舶空调的设计参数

目标船为2 600 TEU集装箱船，总吨34 324 t，设计航速22 kn。该船空调装置为传统的压缩式制冷空调系统，制冷剂采用 R404A，理论制冷量为214.4 kW，总风量18 000 m3/h，配备2台压缩机，每台压缩机额定制冷量155.5 kW，空调系统的COP为2.853。该船空调系统的设计参数：夏季舱室外环境的干球温度34 ℃、相对湿度70%；舱室内环境的干球温度27 ℃、相对湿度50%；送风状态点的干球温度17 ℃、含湿量8.25 g/kg、焓值37.97 kJ/kg，新风比例50%。

1.2 传统船舶空调系统的空气处理过程

船舶传统的一次回风空调系统处理过程是一种热湿耦合的方式，其过程的焓湿图见图1。

图1 传统一次回风再热式空调系统的处理过程

舱室外新风(F)和舱室回风(C)混合为(M)，混合后的空气(M)经降温除湿到机器露点(D)，再等湿加热到送风状态点(S)，最后将S状态点的空气送入舱室。

根据质量与能量守恒计算混合点M的状态计算如下。

GChC+GFhF=GMhM

(1)

GCdC+GFdF=GMdM

(2)

式中：GC、GF、GM分别为C、F、M状态下的质量流量。已知总风量为18 000 m3/h，空气密度取1.2 kg/m3，计算得：dM=17.44 g/kg，hM=75.28 kJ/kg。

过S点作ds=8.25 g/kg等含湿量线与Φ=90%的等湿度线交于D点，D点空气状态为dD=8.25 g/kg，hD=33.64 kJ/kg。

设计工况下,为满足舱室降温除湿的需求，船舶空调所需的制冷量Q1=G(hM-hD)，空气密度取1.2 kg/m3，计算得Q1=249.84 kW。为满足该舱室送风的温度要求，船舶空调系统辅助加热所需的热量Q2=G(hs-hD)，计算得Q2=37.98 kW。

在处理过程中，M～D是冷却除湿过程，同时处理空气的潜热负荷和显热负荷。此过程将冷却器表面温度降至露点温度以下，处理空气经过冷却器后温度下降，相对湿度升高，水蒸气在冷却器表面冷凝，降低了温度的同时也满足了除湿要求。但冷凝除湿将温度降至露点状态空调需消耗大量能源；此外，除湿后空气状态(D)的湿度虽满足要求，但是温度过低，为了使其达到送风温度的要求，需要对空气进行再热处理，即D～S过程，这种辅助加热升温的方式同时造成能源浪费。

2 系统方案

用船舶余热驱动的转轮除湿对船舶空调进行新风预处理，能将新风的温度和湿度解耦；一方面，利用除湿转轮来处理新风的潜热，完成舱室的除湿要求[5]；再用舷外温度较低的海水进行中间冷却，并结合压缩制冷机组来处理送风的显热，满足舱室降温的要求。用新风预处理的方式来调节室内的热湿环境，既可减少热湿统一处理的损失，又可解决先降温再加热的冷热抵消问题。根据上述船舶原有空调的设计参数，构建2种采用转轮除湿进行新风预处理的方案。

2.1 采用单级转轮进行新风预处理

单级转轮新风预处理的系统方案见图2，F～S为送风空气的处理过程，F～F1过程为室外新风通过转轮进行除湿，此过程理论上视为等焓过程，F1～F2为新风通过由海水供水的中间冷却器降温过程，F2～M为新风与舱室一部分回风混合过程，舱室新风比取50%，M～S为处理空气经过蒸发器进一步降温的过程,经过处理后的空气状态为(S)满足送风的温度湿度要求，最后送入舱室。中间冷却器为水冷式换热器，采用船舶航行中的舷外海水作为冷源；换热器的海水设计温度取32 ℃，采用6 ℃的设计温差。

图2 单级转轮除湿新风预处理系统示意

舱室的部分回风经再生加热器加热到高温以作为转轮的再生空气，再生空气经过转轮的再生区带走除湿剂吸附的水，使转轮恢复除湿性能，实现转轮除湿的再生。再生加热器采用船舶余热作为热源，不需额外提供热源。除湿转轮的处理区与再生区面积比为3∶1。

2.2 采用2级转轮进行新风预处理

采用2级转轮进行新风预处理的空气处理过程方案见图3，采用2级转轮进行新风预处理。2级转轮采用与单级转轮相同的尺寸和除湿剂，处理区与再生区面积比均为3∶1；在处理过程中，处理空气的湿负荷由双转轮承担，显热负荷由中间冷却器和蒸发器承担。舱室外新风进入第一级转轮进行除湿，通过第一级中间冷却器用海水冷却，再进入第二级转轮除湿，然后通过第二级中间冷却器用海水冷却，此时新风的湿负荷已经被2级转轮承担。处理后的新风与回风混合后进入蒸发器降温，达到送风要求后送入舱室。处理过程在焓湿图上表述见图4，各状态点参数见表1。

图3 2级转轮除湿新风预处理过程示意

图4 2种新风预处理系统的处理过程

表1 单级转轮和双级转轮新风预处理系统各状态点的参数值

再生过程中，舱室的部分回风经再生加热器加热后分别通过2个转轮，使转轮除湿剂再生脱附，恢复除湿性能。再生加热器采用船舶余热作为热源，转轮由变频电机驱动。

3 新风预处理的方案比较

采用转轮除湿进行新风预处理的过程，处理空气中的水蒸汽被转轮吸附时会释放大量的热，会使处理风温度升高，相对湿度变小，最终导致转轮表面的水蒸气分压力减小，除湿效率下降。想要得到最佳的转轮除湿效果处理空气应保持在25 ℃左右，通常单级转轮处理空气需要进行预冷。上述单级转轮方案中的舱室外温度为34 ℃、相对湿度70%、理论除湿量为18.38 kg/h，在处理风温度高、除湿量高、无预冷的条件下，用单级转轮除湿，除湿效率较低，难以直接满足新风预处理的除湿要求。而且，单级转轮除湿方案仍需辅以冷凝除湿，优势不够突出。

设计采用2级转轮除湿方案进行新风预处理，方案中2级转轮共同承担18.38 kg/h的除湿量，2级转轮中每一级转轮除湿量要求不高，在新风高温高湿且无预冷的条件下能够达到除湿要求，降低了再生能源的损耗，能更充分地利用船舶余热作为转轮的再生能源；且能同时利用海水进行中间冷却，辅助处理空气的显热负荷。因此，2级转轮除湿的新风预处理方案更适合应用于船舶空调。

如果选择2级以上的转轮除湿进行新风预处理，虽然船舶余热丰富，但转轮和进行中间冷却作用的海水换热器数量的增加，设备占地面积会变大，投资和维护成本也会相应的增加。因此，2级以上的转轮除湿方案不适合应用于船舶。

对于2级转轮除湿新风预处理的方案来说，方案中的进行中间冷却作用的水冷换热器由海水提供冷源，M～S阶段压缩式制冷机组理论所需制冷量Q=G·Δh。2级转轮新风预处理方案冷却盘管进口状态点M的焓值为53.75 kJ/kg，出口状态点S的焓值为37.97 kJ/kg，计算得采用2级转轮除湿进行新风预处理的船用空调所需要的制冷量为94.68 kW，采用传统方式的船用空调所需要的制冷量为249.84 kW。因此，采用2级转轮除湿新风预处理耗能仅为传统船舶空调的37.9%。

4 结论

船舶空调新风比大，新风湿负荷占比高，采用转轮除湿进行新风预处理，可实现温、湿度解耦；同时，蒸发器的表面温度不必降至露点温度以下,可提高空调效率，节能效果明显；且可以利用海水进行中间冷却，辅助处理空气的显热负荷，降低压缩制冷机组的耗能；能充分利用船舶余热，减小船舶余热排放对环境的污染。在设计工况下，相比于传统船舶空调系统，2级新风预处理空调系统消耗功率仅为原船舶空调的37.9%，具有良好的节能效果。