轉速對船用轉輪除濕空調系統運行特性的影響

丁德鋒，楊光海，鄭國杰，陳　武

(1.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021； 2.福建兆翔臨港置業有限公司，福建 廈門 361006)

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轉速對船用轉輪除濕空調系統運行特性的影響

丁德鋒1，楊光海2，鄭國杰1，陳武1

(1.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021； 2.福建兆翔臨港置業有限公司，福建 廈門 361006)

針對轉輪轉速對船用轉輪除濕空調運行的影響問題，利用實驗平臺，在4種送風量下，以轉輪轉速作為單一變量，分析系統的運行特性。結果表明轉輪轉速過高或過低，都會降低單位轉輪除濕量、電力性能系數和節能率，但對系統制冷量影響較小。結合ISO7547-2002標準，確定系統最佳轉輪轉速為6 r/h。

電力性能系數；轉輪轉速；轉輪除濕空調

近年來轉輪除濕空調在陸地上研究較多，但對于船舶廢氣廢熱應用于轉輪除濕空調的研究較少。相關的研究集中在轉輪轉速和迎風面積對轉輪除濕空調的影響[1]；轉輪轉速、轉輪厚度對除濕轉輪和全熱回收效率的影響[2]；在船舶空調新風的預處理中應用除濕轉輪[3]；對比分析船用轉輪除濕空調4種方案的可行性[4]；利用搭建的船用轉輪除濕空調系統，對系統的運行特性進行研究[5]。船用轉輪除濕空調與陸上所用轉輪除濕空調相比，隨船航行區域跨度大、外界濕度高、運行條件惡劣。為此，需要對船用轉輪除濕空調進行深入研究。

1　原理

根據美國資料浮標中心在2013年提供的關于海表溫度及空氣露點溫度的數據，選擇NO31053、NO22101及NO31001號浮標所測海面數據代表典型海域的氣候，其中NO31053、NO22101及NO31001號浮標分別位于南半球的巴西佩洛塔斯、北半球的韓國仁川和赤道附近的巴西福塔雷薩附近海域。利用美國國家環境衛星服務信息中心(NESDIS)提供的經驗公式[6]：

RH=100×exp[(td-ta)×0.0623 832](1)

式中:RH——相對濕度；%；

td——露點溫度，℃；

ta——海面溫度，℃。

可以求得如圖1所示的相對濕度值，可以看出典型海域的海面全年濕度基本處于60%以上，最大達到95%。過高的濕度影響著人員在船舶艙室中生活、工作的舒適性，為此船舶空調必須具有一定的除濕功率。船舶空調能耗占船舶用電量的1/5左右，而船舶余熱又大量得不到利用，現代船舶主機的熱效率在50%左右，排煙帶走的熱量達30%，排煙溫度在260～400 ℃，將船舶廢熱應用于空調系統，實現廢熱的重新回收利用[7]。

圖1　典型海域全年相對濕度值

基于4種評價指標，利用集美大學已搭建的船用轉輪除濕空調實驗平臺，在4種送風量下，將轉輪轉速作為單一變量，研究轉輪轉速對系統運行特性的影響。

2　實驗與測量

船用轉輪除濕空調系統實驗裝置與實驗過程中傳感器的布置見圖2，圖3為系統焓濕圖。船用轉輪除濕空調系統主要包括處理空氣流程和再生空氣流程。新風利用恒溫恒濕空調機組進行模擬，除濕轉輪采用單轉輪兩級除濕方式，除濕區與再生區的面積比為3∶1，轉輪規格為直徑450×厚200 mm，干燥劑選用硅膠，利用風道式電加熱器模擬船舶的高溫廢氣對再生空氣進行加熱脫附，使其具有再吸濕能力。利用恒溫水源裝置提供的恒溫水對用于中冷器一和中冷器二中的實況海水進行模擬，參照ISO7547-2002中關于海水的設計溫度，設定恒溫水溫度為32℃。壓縮式空調機組中的蒸發器也采用恒溫水源裝置提供的15℃低溫水進行模擬，在其能耗計算中，利用中冷器三中的冷凍水吸熱量(制冷機組的制冷量)除以典型制冷機組的COP(3.5)。

圖2　船用轉輪除濕空調系統布置

圖3　船用轉輪除濕空調系統焓濕圖

其中處理空氣流程：來自室外的新風(狀態1)首先進入第一級轉輪除濕區a，空氣中的水分被吸附材料等焓吸附，與此同時，吸附過程中釋放的吸附熱對處理空氣進行加熱，經除濕、加熱后達到狀態2。為提高空氣的相對濕度，便于下一級除濕，處理空氣經中冷器一中的海水冷卻后到達狀態3。接著，處理空氣進入第二級轉輪除濕區c，第二次等焓除濕，與第一級除濕類似，在除濕過程中釋放的吸附熱對處理空氣進行加熱后到狀態4，出來的空氣被中冷器二中的海水冷卻后到狀態5。為滿足送風要求，經過兩次等焓除濕和中冷器冷卻后的處理空氣，由輔助制冷機組的蒸發器進一步降溫冷卻后(狀態6)，由送風風機送入艙室，此時的處理空氣具有較低的溫度和適中的濕度。

再生空氣流程：含濕量較低的艙室空氣(狀態7)，經船舶廢氣(飽和蒸汽)加熱到再生溫度(狀態8)，然后被分成兩路，分別進入轉輪再生區b和d，加熱吸濕后的干燥劑，進行脫附過程，使其水蒸氣解吸出來，恢復干燥劑的再生能力，達到狀態9和10。最后，出來后的再生空氣經混合(狀態11)被再生風機直接排到艙外。

為測取實驗過程中的溫濕度等參數值，選用如表1所列的測量儀表。

表1　主要測試參數及儀表

3　除濕性能評價指標

1)轉輪單位除濕量。

(2)

式中：D——轉輪單位除濕量，g/kg；

d1——處理空氣在轉輪除濕區a前的絕對含濕量，g/kg；

d4——處理空氣經轉輪第二次除濕后的絕對含濕量，g/kg。

2)制冷量。

(3)

式中:Qc——制冷量，kW；

qm——處理空氣的質量流量，kg/s；

Hi——處理空氣進口焓值，kJ/kg；

Ho——處理空氣出口焓值，kJ/kg。

3)電力性能系數。

(4)

式中：COP——系統電力性能系數；

Wf——送風風機和再生風機耗電，kW；

Ww——轉輪電機耗電，kW；

Wp——中冷器一和二的水泵耗電，kW；

Wc——輔助制冷劑機組耗電，kW。

4)系統節能率。

(5)

式中：η——系統節能率；

qrd——船用轉輪除濕空調系統耗功，kW；

qr——常規冷卻除濕耗功，采用制冷量除以典型冷卻除濕的COP(3.5)，kW。

4　實驗結果分析

為測取轉輪轉速對船用輪除濕空調系統的影響，參考ISO7547-2002中關于船舶空調的設計標準，新風選為干球溫度35 ℃、相對濕度70%；艙內空氣選為干球溫度27 ℃，相對濕度50%；再生空氣的加熱溫度采用硅膠再生溫度120 ℃。實驗過程中采用100%的新風，利用恒溫恒濕空調機組控制新風的送風量分別為500、600、700和800 m3/h，在同一溫濕度、相同送風量下，設定不同轉輪轉速，待系統運行穩定后，利用數據采集系統測取相應的溫濕度等數據。

轉速對轉輪單位除濕量的影響見圖4。

圖4　轉輪轉速對單位除濕量的影響

從圖4可以看出，在同一風量下，轉輪除濕量基本存在一個峰值，隨著新風處理量的增大，最大單位除濕量所對轉輪轉速呈現增大趨勢。在新風量分別為500、600、700和800 m3/h時，最大單位除濕量所對應的轉速分別為6、8、12和14 r/h。這主要是由于處理風量的增加，使得流速加快，干燥劑除濕與再生的周期縮短，而使最大單位除濕量對應的轉速增加。同時，在相同轉速下，單位轉輪除濕量隨處理風量的增大而減小，這是因為風速的增加，使得處理空氣在除濕區內與干燥劑的接觸時間縮短，熱濕交換不充分。

轉輪轉速對系統制冷量的影響見圖5。

圖5　轉輪轉速對系統制冷量的影響

由圖5可見，對于同一處理風量，系統制冷量在轉速由2～14 r/h的變化過程中基本保持穩定。而在同一轉速下，隨著處理風量的增加，Qc呈現增大趨勢，如在轉速為6 r/h時，處理風量分別為500、600、700和800 m3/h時，系統制冷量分別為9.5、11、12.8和14.4 kW。由公式4可以看出，制冷量是處理空氣質量流量與焓差的乘積，這里處理風量的增加占主要因素。

轉輪轉速對系統電力性能系數的影響見圖6。

圖6　轉輪轉速對電力性能系數的影響

從圖6可以看出，在處理風量分別為500、600和800 m3/h時，COP在轉速6 r/h時最高，分別為7.3、6.8和5.7。當處理風量為700 m3/h時，COP在轉速變化的過程中，于4 r/h時達到5.9，并在4～10 r/h的期間內保持穩定。COP并不隨轉速的增大而進一步增加，反而呈下降趨勢。同時還可以看出，在同一轉輪轉速下，COP隨著處理風量的增加而呈下降趨勢。

節能率隨轉速變化見圖7。

圖7　轉輪轉速對系統節能率的影響

圖7表明，在4種處理風量下，相對于傳統的冷卻除濕方式系統節能率基本維持在35%以上，節能效果明顯，但隨處理風量的增加系統節能率呈下降趨勢，同時系統節能率基本在6 r/h時具有一峰值，這是因為轉速過快，干燥劑再生不完全，而轉速過低時，再生后的干燥劑會重新吸收再生空氣中的水蒸氣。

綜上，在選擇最佳轉速時，必須綜合考慮單位除濕量、制冷量、COP及節能率。從圖4～7可以看出，對于同一處理風量，系統的單位除濕量、COP和節能率都存著一個峰值，而制冷量基本保持不變，這是由于當轉速太低時，干燥劑在再生區停留時間太長，甚至干燥劑重新吸附再生空氣中的水蒸氣，致使其在處理區的吸濕能力下降，而轉速過快時，干燥劑在再生區沒有脫附完全，同樣會降低其吸附能力。

由于實驗平臺中，新風口風管與送風口風管分別采用320 mm×200 mm、250 mm×250 mm的方形風管，參照文獻[8]及ISO7547-2002標準中關于風速的設計規定，該系統選擇處理風量為500 m3/h時較為合理。從除濕量、除濕效率和節能率上看，該系統最佳轉輪轉速在6 r/h左右。

5　結論

1)隨著處理風量的增加，最大單位除濕量所對應的轉速呈增大趨勢；相同處理風量時，系統制冷量基本不隨轉速變化。

2)對于該系統，當船用轉輪除濕空調在ISO7547-2002標準的設計工況下運行時，轉輪轉速設為6 r/h左右較合理，系統節能率最高。由于船舶實際航行時，不同海域海況復雜，船用轉輪除濕空調常常在非設計工況下運行，為此后期需要進一步針對具體海域研究船用轉輪除濕空調的最佳轉輪轉速。

[1] CHUNG Jae Dong, LEE Dae-Young, Seok Mann Yoon. Optimization of desiccant wheel speed and area ratio of regeneration to dehumidification as a function of regeneration temperature[J].Solar Energy, 2009,83:625-635.

[2] 張立志.除濕技術[M].北京:化學工業出版社,2005.

[3] DIGIOVANNI A, COLAHAN D J, KNAUSS D T. Dynamic desiccant cooling system for ships: US, 6854279B1[P].2005.

[4] CHEN Wu, YANG Guang-hai. Study on the application of rotary desiccant air-conditioning system on ships[J].Advanced Science Letter,2011,4(5):1410-1415.

[5] 楊光海.船用轉輪除濕空調系統的研究[D].廈門:集美大學,2012.

[6] 伍玉梅,何宜軍孟雷.利用衛星資料反演月平均近海面氣溫和濕度[J].海洋與湖沼，2008,39(6):546-551.

[7] 任文江,施潤華.船舶動力裝置節能[M].上海:上海交通大學出版社,1991.

[8] 徐勇.通風與空氣調節工程[M].北京:機械工程出版社,2005.

Effect of Rotational Speed on Performances of Rotary Desiccant Air-conditioning System of Ships

DING De-feng1, YANG Guang-hai2, ZHENG Guo-jie1, CHEN Wu1

(1.Fujian Key Laboratory of Naval Architecture and Ocean Engineering, Xiamen Fujian 361021, China; 2.Fujian Zhaoxiang Panport Property Co. Ltd., Xiamen Fujian 361006, China)

In order to understand the effect of rotational speed upon performances of the rotary desiccant air-conditioning system of ships, the operational characteristics of the system is studied experimentally used the rotational speed of desiccant wheel as the single variable. Taking advantage of an experimental rig, the is operational parameters are tested under four kinds of supply air volume. It is showed that too high or too low rotational speed of the desiccant wheel will both lower the moisture removal, coefficient of performance and energy saving rate, while have little influence on refrigerating capacity. According to the ISO7547-2002 standard, the velocity that optimizes the dehumidification performances is about 6 r/h.

moisture removal; coefficient of performance; rotational speed; rotary desiccant air-conditioning

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.021

2015-09-02

2015-10-06

交通運輸部應用基礎研究項目

丁德鋒(1986-)，男，碩士，助教

U664.86

A

1671-7953(2016)01-0109-04

(2012329815280)；

教育部科技重點項目(201210090001)

研究方向:船舶空調與制冷

E-mail:dingdefeng8866@163.com