丁德锋，杨光海，郑国杰，陈　武

(1.福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021； 2.福建兆翔临港置业有限公司，福建 厦门 361006)



转速对船用转轮除湿空调系统运行特性的影响

丁德锋1，杨光海2，郑国杰1，陈武1

(1.福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021； 2.福建兆翔临港置业有限公司，福建 厦门 361006)

针对转轮转速对船用转轮除湿空调运行的影响问题，利用实验平台，在4种送风量下，以转轮转速作为单一变量，分析系统的运行特性。结果表明转轮转速过高或过低，都会降低单位转轮除湿量、电力性能系数和节能率，但对系统制冷量影响较小。结合ISO7547-2002标准，确定系统最佳转轮转速为6 r/h。

电力性能系数；转轮转速；转轮除湿空调

近年来转轮除湿空调在陆地上研究较多，但对于船舶废气废热应用于转轮除湿空调的研究较少。相关的研究集中在转轮转速和迎风面积对转轮除湿空调的影响[1]；转轮转速、转轮厚度对除湿转轮和全热回收效率的影响[2]；在船舶空调新风的预处理中应用除湿转轮[3]；对比分析船用转轮除湿空调4种方案的可行性[4]；利用搭建的船用转轮除湿空调系统，对系统的运行特性进行研究[5]。船用转轮除湿空调与陆上所用转轮除湿空调相比，随船航行区域跨度大、外界湿度高、运行条件恶劣。为此，需要对船用转轮除湿空调进行深入研究。

1　原理

根据美国资料浮标中心在2013年提供的关于海表温度及空气露点温度的数据，选择NO31053、NO22101及NO31001号浮标所测海面数据代表典型海域的气候，其中NO31053、NO22101及NO31001号浮标分别位于南半球的巴西佩洛塔斯、北半球的韩国仁川和赤道附近的巴西福塔雷萨附近海域。利用美国国家环境卫星服务信息中心(NESDIS)提供的经验公式[6]：

RH=100×exp[(td-ta)×0.0623 832](1)

式中:RH——相对湿度；%；

td——露点温度，℃；

ta——海面温度，℃。

可以求得如图1所示的相对湿度值，可以看出典型海域的海面全年湿度基本处于60%以上，最大达到95%。过高的湿度影响着人员在船舶舱室中生活、工作的舒适性，为此船舶空调必须具有一定的除湿功率。船舶空调能耗占船舶用电量的1/5左右，而船舶余热又大量得不到利用，现代船舶主机的热效率在50%左右，排烟带走的热量达30%，排烟温度在260～400 ℃，将船舶废热应用于空调系统，实现废热的重新回收利用[7]。

图1　典型海域全年相对湿度值

基于4种评价指标，利用集美大学已搭建的船用转轮除湿空调实验平台，在4种送风量下，将转轮转速作为单一变量，研究转轮转速对系统运行特性的影响。

2　实验与测量

船用转轮除湿空调系统实验装置与实验过程中传感器的布置见图2，图3为系统焓湿图。船用转轮除湿空调系统主要包括处理空气流程和再生空气流程。新风利用恒温恒湿空调机组进行模拟，除湿转轮采用单转轮两级除湿方式，除湿区与再生区的面积比为3∶1，转轮规格为直径450×厚200 mm，干燥剂选用硅胶，利用风道式电加热器模拟船舶的高温废气对再生空气进行加热脱附，使其具有再吸湿能力。利用恒温水源装置提供的恒温水对用于中冷器一和中冷器二中的实况海水进行模拟，参照ISO7547-2002中关于海水的设计温度，设定恒温水温度为32℃。压缩式空调机组中的蒸发器也采用恒温水源装置提供的15℃低温水进行模拟，在其能耗计算中，利用中冷器三中的冷冻水吸热量(制冷机组的制冷量)除以典型制冷机组的COP(3.5)。

图2　船用转轮除湿空调系统布置

图3　船用转轮除湿空调系统焓湿图

其中处理空气流程：来自室外的新风(状态1)首先进入第一级转轮除湿区a，空气中的水分被吸附材料等焓吸附，与此同时，吸附过程中释放的吸附热对处理空气进行加热，经除湿、加热后达到状态2。为提高空气的相对湿度，便于下一级除湿，处理空气经中冷器一中的海水冷却后到达状态3。接着，处理空气进入第二级转轮除湿区c，第二次等焓除湿，与第一级除湿类似，在除湿过程中释放的吸附热对处理空气进行加热后到状态4，出来的空气被中冷器二中的海水冷却后到状态5。为满足送风要求，经过两次等焓除湿和中冷器冷却后的处理空气，由辅助制冷机组的蒸发器进一步降温冷却后(状态6)，由送风风机送入舱室，此时的处理空气具有较低的温度和适中的湿度。

再生空气流程：含湿量较低的舱室空气(状态7)，经船舶废气(饱和蒸汽)加热到再生温度(状态8)，然后被分成两路，分别进入转轮再生区b和d，加热吸湿后的干燥剂，进行脱附过程，使其水蒸气解吸出来，恢复干燥剂的再生能力，达到状态9和10。最后，出来后的再生空气经混合(状态11)被再生风机直接排到舱外。

为测取实验过程中的温湿度等参数值，选用如表1所列的测量仪表。

表1　主要测试参数及仪表

3　除湿性能评价指标

1)转轮单位除湿量。

(2)

式中：D——转轮单位除湿量，g/kg；

d1——处理空气在转轮除湿区a前的绝对含湿量，g/kg；

d4——处理空气经转轮第二次除湿后的绝对含湿量，g/kg。

2)制冷量。

(3)

式中:Qc——制冷量，kW；

qm——处理空气的质量流量，kg/s；

Hi——处理空气进口焓值，kJ/kg；

Ho——处理空气出口焓值，kJ/kg。

3)电力性能系数。

(4)

式中：COP——系统电力性能系数；

Wf——送风风机和再生风机耗电，kW；

Ww——转轮电机耗电，kW；

Wp——中冷器一和二的水泵耗电，kW；

Wc——辅助制冷剂机组耗电，kW。

4)系统节能率。

(5)

式中：η——系统节能率；

qrd——船用转轮除湿空调系统耗功，kW；

qr——常规冷却除湿耗功，采用制冷量除以典型冷却除湿的COP(3.5)，kW。

4　实验结果分析

为测取转轮转速对船用轮除湿空调系统的影响，参考ISO7547-2002中关于船舶空调的设计标准，新风选为干球温度35 ℃、相对湿度70%；舱内空气选为干球温度27 ℃，相对湿度50%；再生空气的加热温度采用硅胶再生温度120 ℃。实验过程中采用100%的新风，利用恒温恒湿空调机组控制新风的送风量分别为500、600、700和800 m3/h，在同一温湿度、相同送风量下，设定不同转轮转速，待系统运行稳定后，利用数据采集系统测取相应的温湿度等数据。

转速对转轮单位除湿量的影响见图4。

图4　转轮转速对单位除湿量的影响

从图4可以看出，在同一风量下，转轮除湿量基本存在一个峰值，随着新风处理量的增大，最大单位除湿量所对转轮转速呈现增大趋势。在新风量分别为500、600、700和800 m3/h时，最大单位除湿量所对应的转速分别为6、8、12和14 r/h。这主要是由于处理风量的增加，使得流速加快，干燥剂除湿与再生的周期缩短，而使最大单位除湿量对应的转速增加。同时，在相同转速下，单位转轮除湿量随处理风量的增大而减小，这是因为风速的增加，使得处理空气在除湿区内与干燥剂的接触时间缩短，热湿交换不充分。

转轮转速对系统制冷量的影响见图5。

图5　转轮转速对系统制冷量的影响

由图5可见，对于同一处理风量，系统制冷量在转速由2～14 r/h的变化过程中基本保持稳定。而在同一转速下，随着处理风量的增加，Qc呈现增大趋势，如在转速为6 r/h时，处理风量分别为500、600、700和800 m3/h时，系统制冷量分别为9.5、11、12.8和14.4 kW。由公式4可以看出，制冷量是处理空气质量流量与焓差的乘积，这里处理风量的增加占主要因素。

转轮转速对系统电力性能系数的影响见图6。

图6　转轮转速对电力性能系数的影响

从图6可以看出，在处理风量分别为500、600和800 m3/h时，COP在转速6 r/h时最高，分别为7.3、6.8和5.7。当处理风量为700 m3/h时，COP在转速变化的过程中，于4 r/h时达到5.9，并在4～10 r/h的期间内保持稳定。COP并不随转速的增大而进一步增加，反而呈下降趋势。同时还可以看出，在同一转轮转速下，COP随着处理风量的增加而呈下降趋势。

节能率随转速变化见图7。

图7　转轮转速对系统节能率的影响

图7表明，在4种处理风量下，相对于传统的冷却除湿方式系统节能率基本维持在35%以上，节能效果明显，但随处理风量的增加系统节能率呈下降趋势，同时系统节能率基本在6 r/h时具有一峰值，这是因为转速过快，干燥剂再生不完全，而转速过低时，再生后的干燥剂会重新吸收再生空气中的水蒸气。

综上，在选择最佳转速时，必须综合考虑单位除湿量、制冷量、COP及节能率。从图4～7可以看出，对于同一处理风量，系统的单位除湿量、COP和节能率都存着一个峰值，而制冷量基本保持不变，这是由于当转速太低时，干燥剂在再生区停留时间太长，甚至干燥剂重新吸附再生空气中的水蒸气，致使其在处理区的吸湿能力下降，而转速过快时，干燥剂在再生区没有脱附完全，同样会降低其吸附能力。

由于实验平台中，新风口风管与送风口风管分别采用320 mm×200 mm、250 mm×250 mm的方形风管，参照文献[8]及ISO7547-2002标准中关于风速的设计规定，该系统选择处理风量为500 m3/h时较为合理。从除湿量、除湿效率和节能率上看，该系统最佳转轮转速在6 r/h左右。

5　结论

1)随着处理风量的增加，最大单位除湿量所对应的转速呈增大趋势；相同处理风量时，系统制冷量基本不随转速变化。

2)对于该系统，当船用转轮除湿空调在ISO7547-2002标准的设计工况下运行时，转轮转速设为6 r/h左右较合理，系统节能率最高。由于船舶实际航行时，不同海域海况复杂，船用转轮除湿空调常常在非设计工况下运行，为此后期需要进一步针对具体海域研究船用转轮除湿空调的最佳转轮转速。

[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] 张立志.除湿技术[M].北京:化学工业出版社,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] 杨光海.船用转轮除湿空调系统的研究[D].厦门:集美大学,2012.

[6] 伍玉梅,何宜军孟雷.利用卫星资料反演月平均近海面气温和湿度[J].海洋与湖沼，2008,39(6):546-551.

[7] 任文江,施润华.船舶动力装置节能[M].上海:上海交通大学出版社,1991.

[8] 徐勇.通风与空气调节工程[M].北京:机械工程出版社,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

交通运输部应用基础研究项目

丁德锋(1986-)，男，硕士，助教

U664.86

A

1671-7953(2016)01-0109-04

(2012329815280)；

教育部科技重点项目(201210090001)

研究方向:船舶空调与制冷

E-mail:dingdefeng8866@163.com