潛艇液體除濕空調系統探討

彭光明 毛志強 鄭 浩 鄧鑫萍 張 瑤

中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

0 引 言

傳統空調是通過將濕空氣冷卻到露點溫度以下來除濕，其制冷與除濕能力不匹配。在潛艇內，空氣中的濕度非常大，使用傳統空調不能同時滿足降溫和除濕的要求。而液體除濕空調則是把降溫和除濕分成兩個過程，相互獨立調節，可適用于高熱濕環境。本文將針對潛艇艙內的熱濕環境和空氣品質，分析液體除濕空調系統應用于船舶的可行性，并提出潛艇液體除濕空調系統方案。

1 潛艇除濕技術分析

目前，主要的除濕方法有冷凝除濕和吸附除濕兩種，其中吸附除濕又分為固體吸附除濕和液體吸附除濕。

1.1 冷凝除濕

冷凝除濕即采用空調制冷除濕，通過壓縮機制冷系統將空氣冷卻到露點溫度以下，空氣中的水分被冷凝為液態水析出。在除濕的同時，空氣溫度也被降低，因此空調系統兼具除濕和降溫的作用。在空調系統設計中，需要平衡溫、濕度。但對于僅需要除濕而沒有降溫需要的環境，必須將冷卻除濕的空氣再加熱到適當的溫度，由此，便會造成能源浪費。

現代潛艇空調系統是以間冷式為主，因送風溫差小，海洋環境濕度大，因此，單獨通過空調制冷系統達不到理想的除濕效果，濕度基本在60%以上，需要進一步配合使用其它除濕技術。

空調系統的耗電量大。為節約能源，潛艇不開空調，僅降低艙室濕度也能達到改善艙室環境的效果。此時，獨立的除濕措施就顯得更為重要。

1.2 吸附除濕

吸附除濕采用吸附材料動態吸附空氣中的水蒸氣。其容易釋放出潛熱，導致溫度升高，但可以連續穩定地進行大負荷的空氣調濕，在低溫、低濕工況下還可實現-70℃的超低空氣露點。

1）固體吸附除濕

典型的固體吸附除濕技術之一為轉輪吸附除濕法，其工作原理如圖1所示。

圖1 轉輪除濕機工作原理Fig.1 Principle of desiccant runner

固體吸附劑被制成蜂窩狀置于轉輪中，擋板將轉輪分為除濕區和再生區。處理空氣通過除濕區后將水分傳給吸附劑，在進行吸附除濕的過程中，可以將相對濕度降至10%。同時，再生空氣通過加熱器提高溫度來降低相對濕度，然后，通過再生區將吸附劑內的水分蒸發出來并帶走，從而恢復吸附劑的吸附能力。轉輪以5～8 r/h的速度對除濕區和再生區進行交替輪換，吸附劑往復經歷吸附—脫附過程［1］，將干燥的空氣連續經溫度調節后送入指定空間，從而達到高精度的溫、濕度控制。

一般情況下，是直接將轉輪吸附除濕法中吸附劑脫附的濕空氣排到艙外。但對于潛艇應用來說，則需要采取措施收集或冷凝脫附出的水蒸氣。此外，固體除濕劑還需要加熱才能進行再生，既消耗艇上電能，又增加艇上熱量。如果采取吸收飽和后在岸上進行再生，則需要攜帶大量吸附劑，既不經濟，艇上空間也不允許。因此，固體除濕劑不適合艙室大氣除濕，只能對潛艇的部分儀器采用少量固體除濕劑，以消除水蒸氣對測量的影響，提高儀器的測量精度。

2）液體吸附除濕

液體除濕技術的原理是被處理空氣與液體除濕劑（CaCl2，LiCl等濃溶液）直接接觸，利用除濕劑對水的強烈吸收作用來達到降低空氣濕度的目的，然后繼續通過其他空氣處理方法將空氣處理至滿足室內送風要求的狀態。吸濕后，被稀釋的除濕溶液被送往再生器，由熱源加熱再生后繼續循環［2］。

液體除濕空調系統的除濕和降溫過程相互獨立，適用于熱、濕比變化較大的環境。同時，液體除濕劑還可以直接沖洗被處理空氣，沉降空氣中的灰塵、細菌以及病毒。除濕劑本身化學性質穩定，無毒性，可以改善艙室空氣品質［3］。此外，根據ASHRAE舒適區定義，降低空氣濕度，適當提高空氣溫度不影響人體冷熱感［4］。因此，液體除濕空調系統可以通過調節降溫和除濕能力來降低系統的能耗。

2 潛艇液體除濕空調系統

2.1 系統原理

本文在綜合考慮潛艇艙室空間布局和系統節能性要求的基礎上，提出為目前的空調系統增加除濕劑循環系統，并根據系統要求，在分析工作原理的基礎上改進了空調器的設計，甄選了除濕劑類型，解決了除濕劑再生的難題，設計出了一種滿足潛艇艙室環境要求的液體除濕空調系統，其基本原理如圖2所示。

圖2 液體除濕空調系統原理Fig.2 Principle of liquid desiccant air-conditioning system

由圖2可看出，系統管路分為空氣管路、冷水管路和溶液管路。其中空氣管路中的介質為作為環境空氣調節的空氣，其由風機為驅動源，在空調器（組合冷卻器和除溫器）中進行降溫、除濕處理。冷水管路中的介質為冷水機組提供的冷媒水，作為冷源，對空氣進行處理，由冷媒水泵作為驅動源。

溶液管路系統由泵驅動。高溫濃溶液由泵打入換熱器與低溫稀溶液進行換熱，得到低溫濃溶液；低溫濃溶液進入空調器，對被處理空氣進行除濕處理，同時受冷卻水的冷卻，變成低溫稀溶液；低溫稀溶液在換熱器中進行回熱處理；然后，稀溶液進入再生器，經由動力系統廢氣進行加熱，析出水蒸汽，得到高溫濃溶液，得以再生。溶液管路系統周而復始。

2.2 除濕劑的選擇

除濕劑不但要除濕效果好，更應具備穩定的化學性質，無毒性，保證不給密閉艙室大氣環境增加負擔。

民用領域常用的除濕劑有三甘醇、乙二醇、氯化鈣、溴化鋰、氯化鋰等金屬鹵鹽溶液。因液體除濕空調系統需要大量的除濕劑，因而除濕劑的價格因素也是一個需重要考慮的方面。

為了尋求一種性能好、成本低的理想除濕劑，很多學者建議將除濕性能優良但價格高的除濕劑與性能較差但價格低的除濕劑進行混合。1992年，Ertas等［5］選擇了質量比為1∶1的氯化鋰與氯化鈣的混合溶液。實驗數據顯示，與相同濃度的氯化鈣溶液的黏度相比，該新型除濕劑的黏度降低了約40%，并且其溶解度也比單一溶質的除濕劑有所改善。

除濕劑的熱物理性質對于分析其除濕性能非常重要。通過理論計算分析，Ameel等［6］認為將氯化鋰和氯化鋅以2∶1的質量比混合后作為溶質的除濕劑是最理想的，雖然與溴化鋰溶液相比該混合溶液的除濕性能下降了50%～70%，但價格卻可以下降到原來的15%左右，而且混合溶液在黏度和溶解度上也表現出理想的特性。這是由于在氯化鋰、氯化鋅混合溶液中形成了復雜的四氯化合物，因而表現出了比單一溶質的除濕劑更好的特性。

同樣，在氯化鈣、氯化鋅、氯化鋰溶液的任意兩種混合溶液中也可形成四氯化合物。總體來說，溴化鋰、氯化鈣、氯化鋅、氯化鋰溶液的任意兩種混合物溶液均能表現出比單一溶質的溶液更理想的特性。楊英等［7］提出以物質的量之比為1∶1的比例將氯化鈣、氯化鋅混合溶解后作為除濕劑，并對其進行了試驗研究，結果表明是一種性能穩定的除濕劑。

由于潛艇空間緊張，能量寶貴，更需要追求除濕劑的吸濕性能和穩定性，因此，本系統采用物質的量比為1∶1的氯化鈣、氯化鋅混合溶解作為除濕劑。

2.3 除濕溶液再生

1）再生原理

再生過程是除濕過程的反過程。除濕過程是除濕溶液從被處理空氣中吸收水分并放出潛熱的過程，而再生過程則是從外界獲取熱量使水分從除濕溶液中蒸發到空氣中的過程。溶液表面的蒸汽壓 p1與空氣的蒸汽壓 p2的壓差(p1-p2)是水分傳質的傳遞勢，但溶液的再生則是由于除濕溶液的表面蒸汽壓大于與之接觸的空氣的蒸汽壓，這與除濕過程相反。

在除濕器中，較濃的除濕溶液由于吸水稀釋而使濃度降低，這時，其蒸汽壓逐漸變大，當其蒸汽壓高于被處理空氣的蒸汽壓時，除濕溶液便不能進行除濕，而是將吸濕后的稀溶液通過熱源的加熱升溫到一定值后，將其引入再生器與空氣接觸。只要保持 (p1-p2)為正值，就可以實現再生［8］。

2）再生器的設計

民用除濕溶液再生裝置的熱源常見的有燃氣和太陽能等。根據潛艇系統的實際配置情況，是利用全船海水冷卻系統排出的熱海水對除濕溶液進行再生。在再生器中，將吸濕后的除濕溶液在上部噴淋，而在下面安裝板式換熱器以增大換熱面積；將動力系統廢氣直接或經過預熱后采取逆流的方式至下而上吹過板式換熱器，以對除濕溶液進行加熱，如圖3所示。吸濕后的除濕溶液流過板式換熱器時水分蒸發，水蒸氣通過壓氣機排出艇外，再生后的除濕濃溶液從下部流出，回到濃溶液箱［9］。

圖3 除濕劑再生器原理圖Fig.3 Schematic diagram of dehumidizer regeneration machine

2.4 空調器設計

在除濕過程中，水蒸氣凝結釋放的汽化潛熱被除濕劑和被處理空氣吸收，因此，除濕劑和被處理空氣的溫度都會有所升高。除濕劑溫度升高后會使其表面的水蒸氣分壓力升高，導致傳質平均壓差減小，從而降低除濕效率。為保證除濕劑的除濕效率，往往需要對除濕器進行水冷，導致系統復雜化；同時，除濕器和冷卻器所占的空間比較大，考慮到潛艇的艙室空間布局，本系統將除濕器和冷卻器綜合為一體式空調器，利用冷水盤管冷卻除濕劑和被處理空氣，其原理如圖4所示。

圖4 空調器原理圖Fig.4 Schematic diagram of air-conditioning

除濕劑從頂部進入經多個小噴頭噴淋的被處理空氣，最后在底部匯集流出。冷水盤管采用叉排形式來加強空氣與冷媒水的換熱效果，為保證除濕劑不被空氣帶出空調器，在空氣出口處增加了擋水板［10］。

除濕劑與空氣直接接觸，除吸收空氣中的水分外，氯化鈣、氯化鋅混合溶液對空氣還具有洗滌的作用，能凈化空氣中雜質和氣溶膠等。

3 結 論

潛艇環境的特殊性限制了許多成熟除濕技術的使用，但液體除濕空調系統在潛艇的使用中具有能耗小、噪聲低等很多明顯的優勢，所設計的液體除濕空調系統在滿足除濕和降溫效果的同時，還可以通過除濕劑與空氣的直接接觸而改善艙室內空氣品質，對潛艇艙室大氣環境的改善起積極作用。具體如下：

1）系統通過能量再利用，使用全船海水冷卻系統排出的熱海水對除濕溶液進行再生，不需要另外消耗能量，保證了整個除濕系統只有水泵耗功，系統能耗低。

2）系統采用機械供液、重力回液的循環方式，即稀溶液箱與除濕劑再生裝置存在一定的安裝高度差，利用重力使稀溶液回流。重力回液使稀溶液低速流過再生器，有利于除濕劑充分吸熱再生，同時降低系統能耗并減少動力機械設備，系統能耗小，噪聲低。

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