船舶封闭舱室空气调节和再生

[船舶空调]船舶封闭舱室空气调节和再生①

宋福元　姜任秋　孙宝芝(哈尔滨工程大学　动力与核能学院)

[关键词]封闭舱室;空气调节;空气再生[摘　要]封闭舱室不能与大气中的空气进行交换,必须去除舱室中有害杂质,维持必需的气体成分和纯净度,需要一套有效的空气调节和再生装置来完成这一任务。本文介绍了一种综合的空气处理系统的工艺流程、组成设备和工作特点。阐明该系统能够有效地净化封闭舱室中的气体、液体、固体污染物,补充氧气及维持舱室必需的热湿规范,建立和应用这种综合空气处理系统是封闭舱室空调系统的发展方向。该系统适用于各种水面舰艇和潜艇封闭舱室的空气处理和再生。[中图分类号]U664.86 [文献标识码]A [文章编号]100129855(2002)0420052204

Air-handlingandregenerationforenclosedspaceonboardshipSongFuyuan　JiangRenqiu　SunBaozhiKeywords:enclosedspace;air2handling;air2regenerationAbstract:Effectiveair2handlingandregenerationsystemisneededtowipeoffharmfulimpurityinsideen2closedspaceandtomaintainrequiredairpurityandnecessarygaselementsincetheairinsidetheenclosedspacecan’texchangewiththeatmosphere.Thispaperpresentsacomprehensiveairhandlingsystemanditsworkingprocess,theequipmentconfigurationandworkingcharacteristics.Thesystemisabletore2movecontaminatedair,liquidandsolidfromenclosedspaceeffectively,replenishoxygenandmaintainnecessarytemperatureandhumiditycriterioninsidethespace.Thepaperpointsoutthatthissystemrepre2sentsthefuturedevelopmentofairhandlingforenclosedspaceandissuitableforair2handlingandregener2ationforenclosedspaceofbothsurfacenavalshipsandsubmarines.

1　前　言在完全封闭的有人工作舱室内,特别是人长时间停留的舱室,气体介质的调节任务非常复杂。除了维持舱室给定的热湿规范外,维持必须的气体成分和纯净度有特别重要的意义。众所周知,对于开式空调系统,舱室气体成分和纯净度靠送入外部新鲜空气予以保证。对闭式空调系统,这种方法是行不通的。在闭式系统中必须去除舱室中有害杂质和维持正常氧的浓度(分压力)。在封闭舱室条件下,每人正常生命活动所必须的氧量约为25～30L󰃗h,其中约80～90%的氧在人机体内

氧化为二氧化碳(22～28L󰃗h)

,其余的氧生成水。

许多物质对人体的有害影响随其作用时间的加长和空气中同时存在其他有毒物质而加剧。当舱室长时间和外界大气隔绝时,其中空气成分会发生很大的变化。去除封闭舱室空气中在通常条件下不引起注意的一些杂质,例如,设备或家具油漆层、保护层、绝热材料、电缆绝缘层散发到空气中的杂质,有非常重要的意义。根据国外对潜艇封闭舱室内的空气成分分析发现,空气中除了有氧、氮、水蒸气外还有大量的各种其他物质;乙炔、氨、二氧化碳、氢、一氧化碳、氯、烃、氟化氢、甲醇、胺乙醇、二氧化氮和一氧化氮、锑化三氢、吸烟者吐出的烟雾(其中含有20多种不同物质,

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2002年8月第4期船 舶SHIP&BOATAugust,2002NO.4

①[收稿日期]2002-4-9[作者简介]宋福元,男,讲师,主要从事热能利用和空调制冷领域的研究工作。包括丙酮、苯、一氧化碳、氰化氢、氯甲烷等)。除此以外,由于气体分析仪敏感度不高,空气中还有一些没有发现的有害物质,例如甲醛、汞、臭氧、丙烯醛、光气、硫化氢、氡等。对舱室大气中的每种污染物都有极限允许浓度,采用有效的气体净化方法——机械和静电除尘、活性炭除尘、催化燃烧H2、CO装置、去除CO2装置等,可保证舱室大气有害污染物含量低于或等于允许浓度。同时,为了保证舱室大气必须的O2浓度,使用制氧装置。目前,封闭舱室空气(气体)调节、再生系统和方法分为五个基本方向:1)　用储备的氧补入舱室空气,并用化学物质吸收舱室空气中的二氧化碳、水和其他有害物质;2)　在船上用各种物理化学过程制造的氧补入舱室空气,并用化学物质吸收舱室空气中的其他有害气体;3)　用含氧化学物质吸收舱室空气中的二氧化碳和水,同时生成舱室所需要的氧气;4)　用化学2物理方法从人生命活动的最终产物(二氧化碳、水蒸气等)中再生氧;5)　实现封闭舱室内物质的闭式循环,利用人生命活动的所有剩余物再生氧、水和食物。目前前三个方向已得到实际应用,后两个方向对于长时间(几个月到几年)有人停留的封闭舱室有重要的应用价值。2　封闭舱室综合空气处理系统工艺流程为净化封闭舱室空气中的气体、液体、固体污染物,补充氧气及维持舱室必须的热湿规范,使用各种系统、设备和装置,组成一个联合各种设备的综合空气处理系统,即热湿处理、再生、净化及气体成分检验系统,如图1。从舱室引出的所有空气经过粉尘过滤器3和静电除尘器4。然后部分空气直接返回舱室,而另一部分相继通过各空气处理设备(活性炭除尘器11、催化氧化器12、特殊气体过滤器14、气体冷却器13、二氧化碳吸收器9),净化空气中的H2、CO、CO2、水分、气溶胶和其他污染物。净化后的空气从氧发生器1中得到足量的氧,经过粉尘过滤器3和静电除尘器4进入热湿处理设备——空气冷却器5,处理后的空气进入舱室。由于舱室有很大的热湿负荷,通常这个空调系统工作在夏季工况。在冬季工况工作时,系统中的空气加热器7投入工作,对于船舶的水面上舱室,系统使用比较干、冷的外部空气,加湿器6投入工作。气体分析器的传感器可以接入系统的任何位置,检测气体介质的成分,监视各设备的工作情况。

1—氧发生器;2—风机;3—粉尘过滤器;4—静电除尘器;5—空气冷却器;6—加湿器;7—空气加热器;8—气体分析仪;9—二氧化碳吸收器;10—制冷机;11—活性炭过滤器;12—催化氧化器(燃烧CO和H

2

);13—气体冷却器;

14—特殊气体过滤器。图1　封闭舱室的综合空气热湿处理、再生净化及气体成分检验系统

这种综合空气处理系统集空气热湿处理、再生、净化和气体成分检验于一身,结构紧凑,控制方便,

建立和应用这种综合空气处理系统是封闭舱室空调系统的发展方向。

3　综合空气处理系统中的各组成设备及其工作特点

3.1　过滤器与除尘器过滤器被用来净化空气,有机械式(网状)过滤器、活性炭过滤器,可有效地净化有害的气体、蒸汽和使人不愉快的气味。静电除尘器可以净化空气中的气溶胶,例如制作食物和吸烟产生的烟雾,其净化机理是使气溶胶微粒电离后沉积在电压为6～15kV的除尘器极板上,静电除尘器是所有空气处理设备中尺寸最大的装置。3.2　催化氧化器为了净化空气中的有害气体CO和防止在空气35

船舶封闭舱室空气调节和再生中形成爆鸣气(H2和O2的混合气),须对空气中一氧化碳和氢气进行催化燃烧以生成CO2和水。在催化燃烧室和H2、CO一起燃烧的还有一些其他有害物质——烃(甲烷等)。催化燃烧在催化氧化器内进行,如图2。装置中包括风机、活性炭过滤器、余热回热器、电加热器、冷却器和催化炉。这个装置和二氧化碳吸收器及氧发生器一样,是综合气体处理系统的组成部分之一。1—风机;2—活性炭过滤器;3—余热回热器;4—电加热器;5—冷却器;6—催化炉。图2　燃烧一氧化碳和氢的装置系统 催化燃烧CO、H2前,应先在粉尘过滤器中净化空气中的机械污染物,然后在活性炭过滤器中净化空气中的烃(烃在催化炉的高温条件下会分解形成有害的气体)。因为这些机械杂质和气体杂质会降低催化剂的活性。催化炉中使用的催化剂是霍加拉特(铜、锰、银的氧化物),催化剂的使用时间为1000h。为了加速催化炉6内的化学反应,空气首先在余热回热器3中用来自催化炉的热空气加热,然后在电加热器中4加热到约340℃,在这样的温度下在催化炉内CO氧化为CO2而H2氧化为水蒸气。CO2在综合空气处理系统的专门装置中的二氧化碳吸收器中被吸收,而水蒸气在冷却器5中被舷外水或来自制冷机的冷却水冷却,冷凝为凝结液。3.3　二氧化碳吸收装置为除掉闭式空调系统中封闭舱室内的二氧化碳,采用两种装置:使用不可再生固体吸收剂氢氧化锂(LiOH)的二氧化碳吸收装置;使用不可再生液体吸收剂单羟乙胺(乙醇胺)的吸收装置。在第一种吸收装置中,含二氧化碳空气通过装满氢氧化锂的空间,在其中二氧化碳被吸收,同时吸收二氧化碳放出2040kJ󰃗kg的吸收热。氢氧化锂的吸收能力为其自身质量的50%,这样,每人每昼夜需要氢氧化锂1.14kg。 氢氧化锂吸收装置的优点是功率消耗小,缺点是如果封闭舱室长时间使用时,设备的重量、尺寸大。因此,在封闭舱室的空气处理中,氢氧化锂吸收作为备用手段使用。氢氧化锂保存在集装箱内,必要时把氢氧化锂取出,在帆布或棉被等表面上放一薄层,这可保证在给定的时间内净化舱室空气中的二氧化碳。

1—吸收器(吸收CO2);2—解吸器(放出CO

2

);3—压气

机;4—旋流式分离器;5—单羟乙胺冷却器;6—回热器;

7—电加热器。图3　二氧化碳吸收装置系统图

可以用锂、钾、钠的过氧化物作为一次性发生装置的原料。这时,吸收二氧化碳的化学反应在生成氧的化学反应:4LiO2+2H2O4LiOH+3O2+O之后进行。使用单羟乙胺(NH22CH22CH22OH)二氧化碳装

置的工作原理是,胺化物的水溶液在冷状态(用舷外水或制冷机冷却)下,在吸收器1内吸收空气中的二氧化碳,然后在解吸器2内加热到约110℃放出CO2,放出的CO2

被压气机3压缩后排入船外的水

中如图3。单羟乙胺同时还具有吸收硫化氢和硫酐的能力。单经乙胺对制作设备的材料没有特殊要求,设备紧凑,工作时没有噪音。对于9～10昼夜以上连续封闭的舱室,和使用LiOH的设备比较,设备的重量尺寸小得多,但装置运行能耗要高得多。当动力消耗受限制时,应使用LiOH吸收设备。由于单羟乙胺有很大的毒性,必须从空气中仔细的清除残余的吸收剂。为此系统中采用了旋流式分离器4。此外单羟乙胺在运行时容易被氧化而分解,在实际运行时,每工作1～3周必须更换吸收剂。目前,用较小毒性和较贵重溶液替换单羟乙胺的工作正在进行。还有其他一些净化CO2的方法。在某些情况下认为采用合成沸石分子筛是合理的。合成沸石的成分是硅酸铝及其他金属。水蒸气和二氧化碳分门很容易被沸石内部微细孔表面吸附。去除被吸附的气体分子后,分子筛可重复使用,为了保证不间断地净化空气中的CO2,在系统中要布置双份分子筛。有多种形式适合于生命保障系统用的分子筛,