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(yè)有限公司，福建 廈門 361006)

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轉(zhuǎn)速對船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)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(yè)有限公司，福建 廈門 361006)

針對轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速對船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)運行的影響問題，利用實驗平臺，在4種送風(fēng)量下，以轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速作為單一變量，分析系統(tǒng)的運行特性。結(jié)果表明轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速過高或過低，都會降低單位轉(zhuǎn)輪除濕量、電力性能系數(shù)和節(jié)能率，但對系統(tǒng)制冷量影響較小。結(jié)合ISO7547-2002標(biāo)準(zhǔn)，確定系統(tǒng)最佳轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速為6 r/h。

電力性能系數(shù)；轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)

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

1　原理

根據(jù)美國資料浮標(biāo)中心在2013年提供的關(guān)于海表溫度及空氣露點溫度的數(shù)據(jù)，選擇NO31053、NO22101及NO31001號浮標(biāo)所測海面數(shù)據(jù)代表典型海域的氣候，其中NO31053、NO22101及NO31001號浮標(biāo)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(huán)境衛(wèi)星服務(wù)信息中心(NESDIS)提供的經(jīng)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(diào)必須具有一定的除濕功率。船舶空調(diào)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(xiàn)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(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)，實現(xiàn)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(biāo)，利用集美大學(xué)已搭建的船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)實驗平臺，在4種送風(fēng)量下，將轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速作為單一變量，研究轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)運行特性的影響。

2　實驗與測量

船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)實驗裝置與實驗過程中傳感器的布置見圖2，圖3為系統(tǒng)焓濕圖。船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)主要包括處理空氣流程和再生空氣流程。新風(fēng)利用恒溫恒濕空調(diào)機組進行模擬，除濕轉(zhuǎn)輪采用單轉(zhuǎn)輪兩級除濕方式，除濕區(qū)與再生區(qū)的面積比為3∶1，轉(zhuǎn)輪規(guī)格為直徑450×厚200 mm，干燥劑選用硅膠，利用風(fēng)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(guān)于海水的設(shè)計溫度，設(shè)定恒溫水溫度為32℃。壓縮式空調(diào)機組中的蒸發(fā)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(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)布置

圖3　船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)焓濕圖

其中處理空氣流程：來自室外的新風(fēng)(狀態(tài)1)首先進入第一級轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)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(jīng)除濕、加熱后達到狀態(tài)2。為提高空氣的相對濕度，便于下一級除濕，處理空氣經(jīng)中冷器一中的海水冷卻后到達狀態(tài)3。接著，處理空氣進入第二級轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)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(tài)4，出來的空氣被中冷器二中的海水冷卻后到狀態(tài)5。為滿足送風(fēng)要求，經(jīng)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(fā)器進一步降溫冷卻后(狀態(tài)6)，由送風(fēng)風(fēng)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(tài)7)，經(jīng)船舶廢氣(飽和蒸汽)加熱到再生溫度(狀態(tài)8)，然后被分成兩路，分別進入轉(zhuǎn)輪再生區(qū)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(fù)干燥劑的再生能力，達到狀態(tài)9和10。最后，出來后的再生空氣經(jīng)混合(狀態(tài)11)被再生風(fēng)機直接排到艙外。

為測取實驗過程中的溫濕度等參數(shù)值，選用如表1所列的測量儀表。

表1　主要測試參數(shù)及儀表

3　除濕性能評價指標(biāo)

1)轉(zhuǎn)輪單位除濕量。

(2)

式中：D——轉(zhuǎn)輪單位除濕量，g/kg；

d1——處理空氣在轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)a前的絕對含濕量，g/kg；

d4——處理空氣經(jīng)轉(zhuǎn)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(zhì)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(shù)。

(4)

式中：COP——系統(tǒng)電力性能系數(shù)；

Wf——送風(fēng)風(fēng)機和再生風(fēng)機耗電，kW；

Ww——轉(zhuǎn)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(tǒng)節(jié)能率。

(5)

式中：η——系統(tǒng)節(jié)能率；

qrd——船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)耗功，kW；

qr——常規(guī)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(jié)果分析

為測取轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速對船用輪除濕空調(diào)系統(tǒng)的影響，參考ISO7547-2002中關(guān)于船舶空調(diào)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，新風(fēng)選為干球溫度35 ℃、相對濕度70%；艙內(nèi)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(fēng)，利用恒溫恒濕空調(diào)機組控制新風(fēng)的送風(fēng)量分別為500、600、700和800 m3/h，在同一溫濕度、相同送風(fēng)量下，設(shè)定不同轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速，待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測取相應(yīng)的溫濕度等數(shù)據(jù)。

轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)輪單位除濕量的影響見圖4。

圖4　轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速對單位除濕量的影響

從圖4可以看出，在同一風(fēng)量下，轉(zhuǎn)輪除濕量基本存在一個峰值，隨著新風(fēng)處理量的增大，最大單位除濕量所對轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)增大趨勢。在新風(fēng)量分別為500、600、700和800 m3/h時，最大單位除濕量所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速分別為6、8、12和14 r/h。這主要是由于處理風(fēng)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(yīng)的轉(zhuǎn)速增加。同時，在相同轉(zhuǎn)速下，單位轉(zhuǎn)輪除濕量隨處理風(fēng)量的增大而減小，這是因為風(fēng)速的增加，使得處理空氣在除濕區(qū)內(nèi)與干燥劑的接觸時間縮短，熱濕交換不充分。

轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)制冷量的影響見圖5。

圖5　轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)制冷量的影響

由圖5可見，對于同一處理風(fēng)量，系統(tǒng)制冷量在轉(zhuǎn)速由2～14 r/h的變化過程中基本保持穩(wěn)定。而在同一轉(zhuǎn)速下，隨著處理風(fēng)量的增加，Qc呈現(xiàn)增大趨勢，如在轉(zhuǎn)速為6 r/h時，處理風(fēng)量分別為500、600、700和800 m3/h時，系統(tǒng)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(zhì)量流量與焓差的乘積，這里處理風(fēng)量的增加占主要因素。

轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)電力性能系數(shù)的影響見圖6。

圖6　轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速對電力性能系數(shù)的影響

從圖6可以看出，在處理風(fēng)量分別為500、600和800 m3/h時，COP在轉(zhuǎn)速6 r/h時最高，分別為7.3、6.8和5.7。當(dāng)處理風(fēng)量為700 m3/h時，COP在轉(zhuǎn)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(nèi)保持穩(wěn)定。COP并不隨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速下，COP隨著處理風(fēng)量的增加而呈下降趨勢。

節(jié)能率隨轉(zhuǎn)速變化見圖7。

圖7　轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)節(jié)能率的影響

圖7表明，在4種處理風(fēng)量下，相對于傳統(tǒng)的冷卻除濕方式系統(tǒng)節(jié)能率基本維持在35%以上，節(jié)能效果明顯，但隨處理風(fēng)量的增加系統(tǒng)節(jié)能率呈下降趨勢，同時系統(tǒng)節(jié)能率基本在6 r/h時具有一峰值，這是因為轉(zhuǎn)速過快，干燥劑再生不完全，而轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速時，必須綜合考慮單位除濕量、制冷量、COP及節(jié)能率。從圖4～7可以看出，對于同一處理風(fēng)量，系統(tǒng)的單位除濕量、COP和節(jié)能率都存著一個峰值，而制冷量基本保持不變，這是由于當(dāng)轉(zhuǎn)速太低時，干燥劑在再生區(qū)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(qū)的吸濕能力下降，而轉(zhuǎn)速過快時，干燥劑在再生區(qū)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(fēng)口風(fēng)管與送風(fēng)口風(fēng)管分別采用320 mm×200 mm、250 mm×250 mm的方形風(fēng)管，參照文獻[8]及ISO7547-2002標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于風(fēng)速的設(shè)計規(guī)定，該系統(tǒng)選擇處理風(fēng)量為500 m3/h時較為合理。從除濕量、除濕效率和節(jié)能率上看，該系統(tǒng)最佳轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速在6 r/h左右。

5　結(jié)論

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

2)對于該系統(tǒng)，當(dāng)船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)在ISO7547-2002標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計工況下運行時，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速設(shè)為6 r/h左右較合理，系統(tǒng)節(jié)能率最高。由于船舶實際航行時，不同海域海況復(fù)雜，船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)常常在非設(shè)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(zhuǎn)輪除濕空調(diào)的最佳轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速。

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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(yīng)用基礎(chǔ)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(diào)與制冷

E-mail:dingdefeng8866@163.com