1、本科毕业论文（20 届）船用空调器节能措施的实例分析及探索所在学院专业班级 轮机工程学生姓名指导教师完成日期内容摘要摘要：当前多数的船用空调系统采用回风与新风按一定比例供入空调器的方式来节约能耗，但是由于船舶舱室较封闭、人员密集、气体成分复杂，新风量较难最大限度地满足船员工作和生活对空气质量的需求。而转轮式全热交换器既可以增加新风量，又可以降低空调系统的能耗。本文结合“育鲲”轮空调系统中的空调器，介绍了空气调节的基本原理和重要结构，对于 AC-4 空调器采用的转轮式全热交换器，以冬季取暖工况为例简单计算了该全热交换器可为空调系统节省的能量，探讨了它在船舶空调系统中应用的可行性与局限性，提出了可
2、供参考的改进意见并予以论证。关键词：船用空调系统 转轮式全热交换器 节能ABSTRACT: The current most of the Marine air conditioning system using return air and fresh air in a certain proportion of the air conditioner for ways to save energy consumption. But because the ship is closed, the personnel intensive accommodation and gas compos
3、ition complex, it is more difficult for the new air volume to satisfy the crew work and life to air quality requirements. The rotary total heat exchanger can increase fresh air volume and lower energy consumption of air-conditioning system. By combining the the air conditioner used on YU KUN air con
4、ditioning system, this paper introduces the basic principle of air conditioning and important structure. For the rotary total heat exchanger used on AC-4, with winter heating condition as an example to calculate the heat enthalpy switch can save energy for air conditioning system, this paper discuss
5、es ship air conditioning system in the application feasibility and limitations, puts forward for reference and makes suggestions to the argument. Keywords: ships air-conditioning system rotary total heat exchanger energy-saving目录1 绪言 .12 “育鲲”轮中央空调系统原理及重要结构 .12.1 “育鲲”轮中央空调系统原理 .12.2 “育鲲”轮空调器简单介绍 .22.
6、3 执行机构及其自动控制 .32.3.1 电液执行器 .32.3.2 温度控制阀和加湿电磁阀 .42.4 转轮式全热交换器 .43 转轮式全热交换器的节能分析 .53.1 换热效率计算 .53.2 节能计算 .74 转轮式全热交换器在船舶空调系统中的应用分析 .84.1 可行性分析 .84.2 局限性分析 .95 针对“育鲲”轮 AC-4 空调器节能措施的改进意见及分析论证 .96 结论 .111船用空调器节能措施的实例分析及探索1 绪言人类社会发展到今天，在科学技术不断进步的同时，能源问题却一度被人们所忽视。随着可利用的能源日渐减少，世界的发展受到制约，未来人类的生存也受到了威胁。认识到这一
7、问题的严重性，人们由此将目光转移到能源问题上来。解决能源问题有两个主要方向，节约现有能源和开发新能源。由于新能源的开发周期长，且具有许多不确定性，所以目前的主要工作还是要最大程度的节省现有的可利用的能源。船用空调系统普遍采用的节能措施是将一定比例的回风与新风混合送入空调器，这样是进入空调器的混合风的热状态更接近送风要求，从而减少能耗。但这种方法会对进入舱室的空气质量产生影响，使得原本较封闭的船舶舱室空气质量更差。为了在降低能耗的同时满足室内新鲜空气的供给，全热交换器应运而生。下文将以作者实习所在的“育鲲”轮的空调系统为例，介绍这一船用空调的节能方式，并对其进行进一步探索。2 “育鲲”轮中央空调
8、系统原理及重要结构“育鲲”轮中央空调采用的是中压单风管空调系统，共设有 6 台中央空调器，普通船员餐厅、高级船员餐厅和厨房各设 1 台柜式空调器。此空调系统冬季设计条件为舱外温度20、新风比 50，舱内条件为温度 20、相对湿度 50。当室外气温介于 2023时，可采用自然通风。而当气温高于 23时，即可起用空调制冷装置。夏季的设计条件是舱外温度 35、相对湿度 70、新风比 50，舱内条件是温度 25、相对湿度 50。低温淡水的温度 36。可见夏季制冷和冬季采暖时新风比不小于 50。中间过渡季节新风比100。独立人员房间每人新风量最小 25m/h；公共舱室人员每人最小新风量 15m/h。回风
9、通过通道和走廊(病房不回风 )。2.1 “育鲲”轮中央空调系统原理中央空调器有三种运行工况：降温工况、取暖工况和自然通风，来满足船舶在不同海域和不同气候条件下的航行要求。 “育鲲”轮的空调装置在采暖工况时，从混合室来的混合风（AC-4 空调器除外）经过蒸汽加热，加热量可由 PLC 通过温度控制器进行调节，主要的执行动作是通过调节进入加热器内的蒸汽量的大小来实现的，被加热的空气通过蒸汽加湿器加湿后进入分配室。降温工况时，冷却器使用冷媒水作为降温介质，并同时对空气进行除湿，经过挡水板进一步除去空气中的水分，然后进入分配室。自然通风工况是，空调器不需做任何加热加湿或降温除湿的处理，只是通过风机对舱室
10、的空气进行循环。在各种工况下，回风比都可以通过风闸进行调节，对于温度和湿度的设定都可以由 PLC 来完成。2图 2-1 空调器结构原理图（AC4）A 转轮式全热交换器 B 加热器 C 冷却器 D 加湿器 E 挡水板2.2 “育鲲”轮空调器简单介绍全船总共 6 台空调器，各个空调器的情况如下：AC1: 服务驾驶甲板和船长甲板AC2: 服务救生甲板和工作甲板 102 号肋位前区域AC3: 服务游步甲板的学生餐厅AC4: 服务主甲板 79 号肋位后区域AC5: 服务主甲板 79 号肋位前区域，二甲板和游步甲板教室AC6: 服务于健身房和活动区域其中，AC1、AC2 位于船长甲板左舷后部的房间内，AC
11、3、AC4 位于主甲板左舷尾部的空调器和冷冻机室，AC5 位于主甲板左舷烘衣间前的舱室，AC6 位于主甲板水手工艺室内左侧房间内。各个空调器的参数如下No. of AHUFresh air ratio (%)新风比Cooling cap. (kW)制冷量Heating cap. (kW)加热量Humidifying (kg/h)加湿量Static pres. (Pa)静压Air flow (m3/h)风量Power (kW)马达功率A/C 1 50 125 100 37 1500 8750 7.5A/C 2 50 201 161 60 1600 14050 15.5A/C 3 50 102 8
12、2 24 1600 7080 7.5A/C 4 50 95 75 24 1600 6560 7.5A/C 5 50 195 154 13 1600 13460 15.53A/C 6 50 100 80 14 1600 6910 7.52.3 执行机构及其自动控制2.3.1 电液执行器电液执行器 SKD62 与西门子的二位和三通阀进行组合控制，对空调系统的冷媒水和蒸汽进行调节。电液执行器 SKD62 具有位置反馈、优先控制和行程自动调节功能，其上带有LED 状态显示、手动调节和位置指示，操作电压是 AC24V，控制信号是由 PLC 控制箱提供的 0-10V 的电压信号或 4-20mA 的电流信号
13、，全开时间 30s、全关时间 15s，并有弹簧用于停电时机构返回。其结构及动作原理如图 2-2 所示，左图为阀处于关闭状态，右图为阀处于开启状态。当阀由全关状态开启时，泵 6 运行，旁通阀 8 关闭，则储液器 4 中的液压油通过泵 6 被送至蓄压室 5 使其中油压增大，带动压力缸 2 向下移动，通过阀杆 10 将阀芯 11 顶下，阀被打开，并会随蓄压室 5 中油压的逐渐增大而使阀的开度逐渐增大。若要关小阀的开度，则停止泵 6，将旁通阀 8 打开，蓄压室 5 中的油会泄回储液器 4，并通过弹簧 7 的弹力将压力缸 2 向上抬起，从而通过阀杆 10 带动阀芯 11 不断向关闭位置移动，最终将阀全关
14、。当泵6 停止，同时旁通阀 8 关闭时，储液器 4 和蓄压室 5 均处于封闭状态，压力缸 2 不会动作，阀芯的位置也不会改变，此时阀的开度将维持在特定位置。泵 6 和旁通阀 8 的动作由 PLC来的控制信号调节，从而实现对温度和湿度的控制。图 2-2 电液执行器 SKD62 结构及动作原理4壳体转轮回风换热后排风室外新风橡胶密封圈分离隔板齿轮电机皮带室内侧室外侧送风图 2-3 转轮式全热交换器的热回收原理示意图1.手动调节机构 2.压力缸 3.活塞 4.储液器 5.蓄压室 6.泵 7.弹簧 8.旁通阀 9.连接端 10.阀杆 11.阀芯 12.位置指示2.3.2 温度控制阀和加湿电磁阀“育鲲”
15、轮空调器的温度控制阀分为两种：一种在降温工况下控制冷却器，由三通阀VXF21 和电液执行器 SKD62 组合构成，当传感器感应的温度发生变化，此温度控制器会改变进入冷却器的冷媒水量来实现温度的调节；另一种在取暖工况下控制加热器，由二位阀 VVF61 和电液执行器 SKD62 组合构成，控制进入加热器的蒸汽量从而实现温度调节。加湿电磁阀与取暖工况下的温度控制器相同，通过改变进入加湿器的蒸汽量实现对湿度的控制。温度和湿度的测定通过安装在相应区域的回风管的传感器来感受，这些阀件和控制信号由设置在空调器室的 PLC 控制箱控制，温度控制阀和加湿电磁阀在机组运行前可以手动调节，进入自动控制后执行机构恢复
16、自动控制。2.4 转轮式全热交换器为了便于教学研究， “育鲲”轮 AC4 空调器采用与其它五台空调器不同的结构，其上安装了转轮式全热交换器，使得该空调器可以实现 100新风。转轮式全热交换器主要由转芯、转轮驱动机构、清扫装置、外壳等部件组成。转轮芯体由许多浸透了吸湿盐的波纹状铝合金薄板构成，形成大量的狭窄气流通道。在转换器旋转体内，设有两层分隔板，室内排出的空气，通过转轮芯体的上半侧排至室外，室外新风通过转轮芯体的下半侧送至室内，新风与排风反向逆流。电动机通过皮带或链条带动转轮缓慢转动，空气以低速通过蓄热体，靠新风和排风的温差和水蒸气分压差进行湿热交换。显热回收主要是通过芯体材料的蓄热特性实现
17、，潜热回收主要是通过吸湿剂的吸湿性能实现。没有浸渍吸湿剂的旋转体, 像铝材质之类, 在铝材表面有一层微孔的氧化膜, 能周而复5始地从空气中吸收和脱吸水蒸汽, 其机能几乎恒定不变。在冬季工况时，室内排风的温湿度高于新风，排风经过转轮吸能区时被冷却，其放出的显热和潜热被转轮回收，转轮温度升高，水份含量增加；当转轮经过清洗区清洗防止二次污染后进入工作区，在工作区向低温低湿的新风放出显热和潜热，使新风温度升高，含湿量增加，而转轮温湿度降低进入下一循环。经过热交换处理的室外新风焓值大幅度升高，降低了后面空调机组的负荷，而新风量却可以保持在最佳状态。 夏季工况与冬季相反，经过热交换新风温湿度及焓值大幅降低
18、，同样降低了空调机组的负荷，保证了新风量的供应。3 转轮式全热交换器的节能分析3.1 换热效率计算用于评价全热交换器性能的重要指标是热交换效率。全热交换器的热交换效率分为显热（温度）交换效率 t，潜热（湿度）交换效率 d 和全热（焓）交换效率 h。而转轮式全热 交换器在工作时，转轮芯体在不停地转动着，这样在芯体内，无论在轴向，还是在周向，温度、含湿量的分布都是不均匀的。为了便于分析，按轴向和周向的平均温度和平均含湿量来建立热、湿平衡方程，并忽略泄露影响，假定送风量和排风量相等。热回收效率可以用新排风之间的实际换热（湿）量与新排风间最大的换热（湿）量的比来表示，冬季的各效率具体表示如下：图 3-
19、1 转轮式全热交换器空气参数图=3-21-2100%=3-21-2100%6=3-21-2100%以上各式中 t2 , t3 为换热前、后新风的干球温度；d 2 , d3 为换热前、后新风的含湿量g/kg(dry air)；h 2 , h3 为换热前、后新风的比焓kJ/kg；t 1 , d1 , h1 分别是换热前回风的干球温度 、含湿量g/kg(dry air)和比焓kJ/kg。查阅育鲲轮空调说明书可知，独立人员房间每人新风量最小 25m3/h；公共舱室人员每人最小新风量 15m3/h，为此，AC4 空调器处的全热交换器的送风量设定为 V=6560m3/h。冬季运行期间测得,全热交换器新风进
20、口温度 t2 = 0 ;进口相对湿度 2 = 60%; 新风出口温度 t3= 12，出口相对湿度 3 = 54.8%;排风进口温度 t1 = 20 ，进口相对湿度 1 = 50%。送风温度 t4=25 送风相对湿度 4=30%。为了减小误差，各状态点的含湿量和比焓借助于焓湿图查询软件查得：d 1=7.261g/kg(dry air) h1=38.629kJ/kgd2=2.259g/kg(dry air) h2=5.65kJ/kgd3=4.754g/kg(dry air) h3=24.115kJ/kg图 3-2 各状态点在空气焓湿图上的位置将上述数据代入全热交换器效率各计算式，得：显热交换效率=
21、3212100%=120200100%=60%潜热交换效率=3-21-2100%=4.7542.2597.2612.259100%=49.9%7全热交换效率=3-21-2100%=24.115-5.6538.629-5.65100%=56%3.2 节能计算对于转轮式全热交换器在空调系统中所起的节能作用的分析，不能只计算换热器回收的能量。在换热器回收能量的同时，系统也增加了辅助设备的能耗，因此要把回收的能量和辅助设备的能耗同时考虑。在增设了全热交换器后，驱动换热器转轮转动的电动机需要耗功，空气在流经换热器引起的压降也会使风机耗功增加。下面继续以“育鲲”轮 AC4 空调器冬季取暖工况为例对转轮式全
22、热交换器的节能作用进行计算分析。（1）新风流经换热器每小时回收的热量 Q1利用焓湿图查询软件查得新风进口水蒸气分压力 =366.68新风进口干空气分压力 =101325366.68=100958.32每小时新风进口干空气质量 kgkgtRVpmag 8.452)0273(865.092,2 其中 Rg,a 为气体常数同理可得新风出口空气质量 m38064.7kg则每小时新风回收的热量Q1m 3h3m 2h28064.7kg 24.115kJ/kg8452.8kg5.65kJ/kg146721.9kJ（2）驱动电机每小时耗功 Q2查阅 Klingenburg GMBH 转轮式全热交换器说明书可知
23、转轮式全热交换器驱动电动机功率为 180w，则每小时功耗为 Q23600s180J/s648kJ（3）风机每小时增加的耗功 Q3由建筑能效标识测评导则可知每小时由于增设转轮式全热换热器引起的风机增加的功耗为 VP/，P 为换热器引起的压降，在 Klingenburg GMBH 转轮式全热交换器说明书中查得 P=70Pa， 为风机总效率，此处取 65%，则：Q3VP/ 6560700.65706462J706.5kJ（4）当不增设转轮式全热交换器时需提供给新风的全热量 Q算法同（1）可得：供风干空气质量 m47698.9kg 供风比焓 h440.255kJ/kg(dry air)则 Qm 4h4m 2h2262160.9kJ（5）可节约的能量 QQQ 1Q 2Q 3145367.4kJ
