潜艇液体除湿空调系统探讨

彭光明 毛志强 郑 浩 邓鑫萍 张 瑶

中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

0 引 言

传统空调是通过将湿空气冷却到露点温度以下来除湿，其制冷与除湿能力不匹配。在潜艇内，空气中的湿度非常大，使用传统空调不能同时满足降温和除湿的要求。而液体除湿空调则是把降温和除湿分成两个过程，相互独立调节，可适用于高热湿环境。本文将针对潜艇舱内的热湿环境和空气品质，分析液体除湿空调系统应用于船舶的可行性，并提出潜艇液体除湿空调系统方案。

1 潜艇除湿技术分析

目前，主要的除湿方法有冷凝除湿和吸附除湿两种，其中吸附除湿又分为固体吸附除湿和液体吸附除湿。

1.1 冷凝除湿

冷凝除湿即采用空调制冷除湿，通过压缩机制冷系统将空气冷却到露点温度以下，空气中的水分被冷凝为液态水析出。在除湿的同时，空气温度也被降低，因此空调系统兼具除湿和降温的作用。在空调系统设计中，需要平衡温、湿度。但对于仅需要除湿而没有降温需要的环境，必须将冷却除湿的空气再加热到适当的温度，由此，便会造成能源浪费。

现代潜艇空调系统是以间冷式为主，因送风温差小，海洋环境湿度大，因此，单独通过空调制冷系统达不到理想的除湿效果，湿度基本在60%以上，需要进一步配合使用其它除湿技术。

空调系统的耗电量大。为节约能源，潜艇不开空调，仅降低舱室湿度也能达到改善舱室环境的效果。此时，独立的除湿措施就显得更为重要。

1.2 吸附除湿

吸附除湿采用吸附材料动态吸附空气中的水蒸气。其容易释放出潜热，导致温度升高，但可以连续稳定地进行大负荷的空气调湿，在低温、低湿工况下还可实现-70℃的超低空气露点。

1）固体吸附除湿

典型的固体吸附除湿技术之一为转轮吸附除湿法，其工作原理如图1所示。

图1 转轮除湿机工作原理Fig.1 Principle of desiccant runner

固体吸附剂被制成蜂窝状置于转轮中，挡板将转轮分为除湿区和再生区。处理空气通过除湿区后将水分传给吸附剂，在进行吸附除湿的过程中，可以将相对湿度降至10%。同时，再生空气通过加热器提高温度来降低相对湿度，然后，通过再生区将吸附剂内的水分蒸发出来并带走，从而恢复吸附剂的吸附能力。转轮以5～8 r/h的速度对除湿区和再生区进行交替轮换，吸附剂往复经历吸附—脱附过程［1］，将干燥的空气连续经温度调节后送入指定空间，从而达到高精度的温、湿度控制。

一般情况下，是直接将转轮吸附除湿法中吸附剂脱附的湿空气排到舱外。但对于潜艇应用来说，则需要采取措施收集或冷凝脱附出的水蒸气。此外，固体除湿剂还需要加热才能进行再生，既消耗艇上电能，又增加艇上热量。如果采取吸收饱和后在岸上进行再生，则需要携带大量吸附剂，既不经济，艇上空间也不允许。因此，固体除湿剂不适合舱室大气除湿，只能对潜艇的部分仪器采用少量固体除湿剂，以消除水蒸气对测量的影响，提高仪器的测量精度。

2）液体吸附除湿

液体除湿技术的原理是被处理空气与液体除湿剂（CaCl2，LiCl等浓溶液）直接接触，利用除湿剂对水的强烈吸收作用来达到降低空气湿度的目的，然后继续通过其他空气处理方法将空气处理至满足室内送风要求的状态。吸湿后，被稀释的除湿溶液被送往再生器，由热源加热再生后继续循环［2］。

液体除湿空调系统的除湿和降温过程相互独立，适用于热、湿比变化较大的环境。同时，液体除湿剂还可以直接冲洗被处理空气，沉降空气中的灰尘、细菌以及病毒。除湿剂本身化学性质稳定，无毒性，可以改善舱室空气品质［3］。此外，根据ASHRAE舒适区定义，降低空气湿度，适当提高空气温度不影响人体冷热感［4］。因此，液体除湿空调系统可以通过调节降温和除湿能力来降低系统的能耗。

2 潜艇液体除湿空调系统

2.1 系统原理

本文在综合考虑潜艇舱室空间布局和系统节能性要求的基础上，提出为目前的空调系统增加除湿剂循环系统，并根据系统要求，在分析工作原理的基础上改进了空调器的设计，甄选了除湿剂类型，解决了除湿剂再生的难题，设计出了一种满足潜艇舱室环境要求的液体除湿空调系统，其基本原理如图2所示。

图2 液体除湿空调系统原理Fig.2 Principle of liquid desiccant air-conditioning system

由图2可看出，系统管路分为空气管路、冷水管路和溶液管路。其中空气管路中的介质为作为环境空气调节的空气，其由风机为驱动源，在空调器（组合冷却器和除温器）中进行降温、除湿处理。冷水管路中的介质为冷水机组提供的冷媒水，作为冷源，对空气进行处理，由冷媒水泵作为驱动源。

溶液管路系统由泵驱动。高温浓溶液由泵打入换热器与低温稀溶液进行换热，得到低温浓溶液；低温浓溶液进入空调器，对被处理空气进行除湿处理，同时受冷却水的冷却，变成低温稀溶液；低温稀溶液在换热器中进行回热处理；然后，稀溶液进入再生器，经由动力系统废气进行加热，析出水蒸汽，得到高温浓溶液，得以再生。溶液管路系统周而复始。

2.2 除湿剂的选择

除湿剂不但要除湿效果好，更应具备稳定的化学性质，无毒性，保证不给密闭舱室大气环境增加负担。

民用领域常用的除湿剂有三甘醇、乙二醇、氯化钙、溴化锂、氯化锂等金属卤盐溶液。因液体除湿空调系统需要大量的除湿剂，因而除湿剂的价格因素也是一个需重要考虑的方面。

为了寻求一种性能好、成本低的理想除湿剂，很多学者建议将除湿性能优良但价格高的除湿剂与性能较差但价格低的除湿剂进行混合。1992年，Ertas等［5］选择了质量比为1∶1的氯化锂与氯化钙的混合溶液。实验数据显示，与相同浓度的氯化钙溶液的黏度相比，该新型除湿剂的黏度降低了约40%，并且其溶解度也比单一溶质的除湿剂有所改善。

除湿剂的热物理性质对于分析其除湿性能非常重要。通过理论计算分析，Ameel等［6］认为将氯化锂和氯化锌以2∶1的质量比混合后作为溶质的除湿剂是最理想的，虽然与溴化锂溶液相比该混合溶液的除湿性能下降了50%～70%，但价格却可以下降到原来的15%左右，而且混合溶液在黏度和溶解度上也表现出理想的特性。这是由于在氯化锂、氯化锌混合溶液中形成了复杂的四氯化合物，因而表现出了比单一溶质的除湿剂更好的特性。

同样，在氯化钙、氯化锌、氯化锂溶液的任意两种混合溶液中也可形成四氯化合物。总体来说，溴化锂、氯化钙、氯化锌、氯化锂溶液的任意两种混合物溶液均能表现出比单一溶质的溶液更理想的特性。杨英等［7］提出以物质的量之比为1∶1的比例将氯化钙、氯化锌混合溶解后作为除湿剂，并对其进行了试验研究，结果表明是一种性能稳定的除湿剂。

由于潜艇空间紧张，能量宝贵，更需要追求除湿剂的吸湿性能和稳定性，因此，本系统采用物质的量比为1∶1的氯化钙、氯化锌混合溶解作为除湿剂。

2.3 除湿溶液再生

1）再生原理

再生过程是除湿过程的反过程。除湿过程是除湿溶液从被处理空气中吸收水分并放出潜热的过程，而再生过程则是从外界获取热量使水分从除湿溶液中蒸发到空气中的过程。溶液表面的蒸汽压 p1与空气的蒸汽压 p2的压差(p1-p2)是水分传质的传递势，但溶液的再生则是由于除湿溶液的表面蒸汽压大于与之接触的空气的蒸汽压，这与除湿过程相反。

在除湿器中，较浓的除湿溶液由于吸水稀释而使浓度降低，这时，其蒸汽压逐渐变大，当其蒸汽压高于被处理空气的蒸汽压时，除湿溶液便不能进行除湿，而是将吸湿后的稀溶液通过热源的加热升温到一定值后，将其引入再生器与空气接触。只要保持 (p1-p2)为正值，就可以实现再生［8］。

2）再生器的设计

民用除湿溶液再生装置的热源常见的有燃气和太阳能等。根据潜艇系统的实际配置情况，是利用全船海水冷却系统排出的热海水对除湿溶液进行再生。在再生器中，将吸湿后的除湿溶液在上部喷淋，而在下面安装板式换热器以增大换热面积；将动力系统废气直接或经过预热后采取逆流的方式至下而上吹过板式换热器，以对除湿溶液进行加热，如图3所示。吸湿后的除湿溶液流过板式换热器时水分蒸发，水蒸气通过压气机排出艇外，再生后的除湿浓溶液从下部流出，回到浓溶液箱［9］。

图3 除湿剂再生器原理图Fig.3 Schematic diagram of dehumidizer regeneration machine

2.4 空调器设计

在除湿过程中，水蒸气凝结释放的汽化潜热被除湿剂和被处理空气吸收，因此，除湿剂和被处理空气的温度都会有所升高。除湿剂温度升高后会使其表面的水蒸气分压力升高，导致传质平均压差减小，从而降低除湿效率。为保证除湿剂的除湿效率，往往需要对除湿器进行水冷，导致系统复杂化；同时，除湿器和冷却器所占的空间比较大，考虑到潜艇的舱室空间布局，本系统将除湿器和冷却器综合为一体式空调器，利用冷水盘管冷却除湿剂和被处理空气，其原理如图4所示。

图4 空调器原理图Fig.4 Schematic diagram of air-conditioning

除湿剂从顶部进入经多个小喷头喷淋的被处理空气，最后在底部汇集流出。冷水盘管采用叉排形式来加强空气与冷媒水的换热效果，为保证除湿剂不被空气带出空调器，在空气出口处增加了挡水板［10］。

除湿剂与空气直接接触，除吸收空气中的水分外，氯化钙、氯化锌混合溶液对空气还具有洗涤的作用，能净化空气中杂质和气溶胶等。

3 结 论

潜艇环境的特殊性限制了许多成熟除湿技术的使用，但液体除湿空调系统在潜艇的使用中具有能耗小、噪声低等很多明显的优势，所设计的液体除湿空调系统在满足除湿和降温效果的同时，还可以通过除湿剂与空气的直接接触而改善舱室内空气品质，对潜艇舱室大气环境的改善起积极作用。具体如下：

1）系统通过能量再利用，使用全船海水冷却系统排出的热海水对除湿溶液进行再生，不需要另外消耗能量，保证了整个除湿系统只有水泵耗功，系统能耗低。

2）系统采用机械供液、重力回液的循环方式，即稀溶液箱与除湿剂再生装置存在一定的安装高度差，利用重力使稀溶液回流。重力回液使稀溶液低速流过再生器，有利于除湿剂充分吸热再生，同时降低系统能耗并减少动力机械设备，系统能耗小，噪声低。

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