朱世奇，陳武，楊玉潔，鄭超瑜

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

遠洋船舶的空調設備是船舶的主要設備之一，其用電量占全船電網容量20%左右[1]，船舶空調節(jié)能有重要意義。船舶空調處理新風負荷的占比高。如果降低新風比以減少新風量則會使船艙空氣品質變差，影響船員的健康。構建一種船舶空調新風預處理系統(tǒng)，降低新風負荷，能減少船舶空調的能耗，是實現船舶節(jié)能減排的可行方向。船舶航行時主機會產生大量的余熱，其中船舶主機排氣溫度在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、轉輪除濕和膜除濕[3]。針對船舶航行時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，船舶空調采用余熱驅動的除濕轉輪進行新風預處理；船舶余熱可以作為轉輪內部固體干燥劑的再生能源，海水起中間冷卻作用，降低新風在轉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動新風預處理船舶空調系統(tǒng)，實現船舶節(jié)能。

1 傳統(tǒng)船舶空調系統(tǒng)的能耗分析

1.1 某船舶空調的設計參數

目標船為2 600 TEU集裝箱船，總噸34 324 t，設計航速22 kn。該船空調裝置為傳統(tǒng)的壓縮式制冷空調系統(tǒng)，制冷劑采用 R404A，理論制冷量為214.4 kW，總風量18 000 m3/h，配備2臺壓縮機，每臺壓縮機額定制冷量155.5 kW，空調系統(tǒng)的COP為2.853。該船空調系統(tǒng)的設計參數：夏季艙室外環(huán)境的干球溫度34 ℃、相對濕度70%；艙室內環(huán)境的干球溫度27 ℃、相對濕度50%；送風狀態(tài)點的干球溫度17 ℃、含濕量8.25 g/kg、焓值37.97 kJ/kg，新風比例50%。

1.2 傳統(tǒng)船舶空調系統(tǒng)的空氣處理過程

船舶傳統(tǒng)的一次回風空調系統(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)一次回風再熱式空調系統(tǒng)的處理過程

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

根據質量與能量守恒計算混合點M的狀態(tài)計算如下。

GChC+GFhF=GMhM

(1)

GCdC+GFdF=GMdM

(2)

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

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

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

在處理過程中，M～D是冷卻除濕過程，同時處理空氣的潛熱負荷和顯熱負荷。此過程將冷卻器表面溫度降至露點溫度以下，處理空氣經過冷卻器后溫度下降，相對濕度升高，水蒸氣在冷卻器表面冷凝，降低了溫度的同時也滿足了除濕要求。但冷凝除濕將溫度降至露點狀態(tài)空調需消耗大量能源；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，為了使其達到送風溫度的要求，需要對空氣進行再熱處理，即D～S過程，這種輔助加熱升溫的方式同時造成能源浪費。

2 系統(tǒng)方案

用船舶余熱驅動的轉輪除濕對船舶空調進行新風預處理，能將新風的溫度和濕度解耦；一方面，利用除濕轉輪來處理新風的潛熱，完成艙室的除濕要求[5]；再用舷外溫度較低的海水進行中間冷卻，并結合壓縮制冷機組來處理送風的顯熱，滿足艙室降溫的要求。用新風預處理的方式來調節(jié)室內的熱濕環(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。根據上述船舶原有空調的設計參數，構建2種采用轉輪除濕進行新風預處理的方案。

2.1 采用單級轉輪進行新風預處理

單級轉輪新風預處理的系統(tǒng)方案見圖2，F～S為送風空氣的處理過程，F～F1過程為室外新風通過轉輪進行除濕，此過程理論上視為等焓過程，F1～F2為新風通過由海水供水的中間冷卻器降溫過程，F2～M為新風與艙室一部分回風混合過程，艙室新風比取50%，M～S為處理空氣經過蒸發(fā)器進一步降溫的過程,經過處理后的空氣狀態(tài)為(S)滿足送風的溫度濕度要求，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；換熱器的海水設計溫度取32 ℃，采用6 ℃的設計溫差。

圖2 單級轉輪除濕新風預處理系統(tǒng)示意

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

2.2 采用2級轉輪進行新風預處理

采用2級轉輪進行新風預處理的空氣處理過程方案見圖3，采用2級轉輪進行新風預處理。2級轉輪采用與單級轉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，處理空氣的濕負荷由雙轉輪承擔，顯熱負荷由中間冷卻器和蒸發(fā)器承擔。艙室外新風進入第一級轉輪進行除濕，通過第一級中間冷卻器用海水冷卻，再進入第二級轉輪除濕，然后通過第二級中間冷卻器用海水冷卻，此時新風的濕負荷已經被2級轉輪承擔。處理后的新風與回風混合后進入蒸發(fā)器降溫，達到送風要求后送入艙室。處理過程在焓濕圖上表述見圖4，各狀態(tài)點參數見表1。

圖3 2級轉輪除濕新風預處理過程示意

圖4 2種新風預處理系統(tǒng)的處理過程

表1 單級轉輪和雙級轉輪新風預處理系統(tǒng)各狀態(tài)點的參數值

再生過程中，艙室的部分回風經再生加熱器加熱后分別通過2個轉輪，使轉輪除濕劑再生脫附，恢復除濕性能。再生加熱器采用船舶余熱作為熱源，轉輪由變頻電機驅動。

3 新風預處理的方案比較

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

設計采用2級轉輪除濕方案進行新風預處理，方案中2級轉輪共同承擔18.38 kg/h的除濕量，2級轉輪中每一級轉輪除濕量要求不高，在新風高溫高濕且無預冷的條件下能夠達到除濕要求，降低了再生能源的損耗，能更充分地利用船舶余熱作為轉輪的再生能源；且能同時利用海水進行中間冷卻，輔助處理空氣的顯熱負荷。因此，2級轉輪除濕的新風預處理方案更適合應用于船舶空調。

如果選擇2級以上的轉輪除濕進行新風預處理，雖然船舶余熱豐富，但轉輪和進行中間冷卻作用的海水換熱器數量的增加，設備占地面積會變大，投資和維護成本也會相應的增加。因此，2級以上的轉輪除濕方案不適合應用于船舶。

對于2級轉輪除濕新風預處理的方案來說，方案中的進行中間冷卻作用的水冷換熱器由海水提供冷源，M～S階段壓縮式制冷機組理論所需制冷量Q=G·Δh。2級轉輪新風預處理方案冷卻盤管進口狀態(tài)點M的焓值為53.75 kJ/kg，出口狀態(tài)點S的焓值為37.97 kJ/kg，計算得采用2級轉輪除濕進行新風預處理的船用空調所需要的制冷量為94.68 kW，采用傳統(tǒng)方式的船用空調所需要的制冷量為249.84 kW。因此，采用2級轉輪除濕新風預處理耗能僅為傳統(tǒng)船舶空調的37.9%。

4 結論

船舶空調新風比大，新風濕負荷占比高，采用轉輪除濕進行新風預處理，可實現溫、濕度解耦；同時，蒸發(fā)器的表面溫度不必降至露點溫度以下,可提高空調效率，節(jié)能效果明顯；且可以利用海水進行中間冷卻，輔助處理空氣的顯熱負荷，降低壓縮制冷機組的耗能；能充分利用船舶余熱，減小船舶余熱排放對環(huán)境的污染。在設計工況下，相比于傳統(tǒng)船舶空調系統(tǒng)，2級新風預處理空調系統(tǒng)消耗功率僅為原船舶空調的37.9%，具有良好的節(jié)能效果。