常烜宇
(中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011)
對于極地運輸船舶,寒冷環(huán)境條件下的設計是船舶和其自身系統(tǒng)設計的重要部分。由于我國缺乏對該類船舶的設計、施工經驗,因而對于防寒設計往往是基于寒區(qū)運行船舶長期的經驗。本文針對“雪龍2”號的進風系統(tǒng)設計進行研究,該船是我國自主設計的第一條極地科學考察破冰船,將以極地水域科學考察為首要任務,兼具一定的極地考察站后勤物資運輸能力。據統(tǒng)計,在北極、南極進行科考作業(yè)工作時,外界環(huán)境溫度最低約-38℃[1]。在空調通風系統(tǒng)設計方面,在滿足船級社規(guī)范要求的基礎上,充分考慮公共生活區(qū)、休閑區(qū)和學術交流場所的空間和布局,要求合理、舒適、適用、美觀及良好的通風、采光和保溫。同時,為了保證機器處所空間內部溫度維持在0℃以上,充分考慮極區(qū)作業(yè)特殊環(huán)境,全船采取防凍保溫措施。整個進風系統(tǒng)的設置按照總體要求,區(qū)域劃分等因素,在進風口處均有防凍措施,如設置防凍百葉窗,通過不同類型加熱器對外部進風進行預熱,以達到進風口防凍的目的,整個艙室內部達到人員舒適和設備正常工作的空氣溫濕度的要求。
每個需通風處所的進風量決定了后期通風風機、通風附件的選型,進風量的計算一般有兩種方式,一個是按每小時換氣次數(shù)計算,如式(1)。另一個是按熱量計算,如式(2),并取最大值來確定[2]。
式中:qv1為通風量,m3/h;n1為換氣次數(shù),次/h;V1為通風艙室容積,m3。
式中:qv2為帶走散熱量所需的風量,m3/h;Q2為散熱量,kW;ρa為空氣的密度,取1.2 kg/m3;Ca為空氣的比熱容,取1.005 kJ/(kg K);ΔT2為送風溫度與艙室溫度之差,K。
本船在設計過程中,對于機器處所,通風量按換氣次數(shù)計算,對于需要空調的艙室,通風量按ISO 7547標準進行設計計算。機器處所的內部平均環(huán)境溫度不高于+45℃,不低于+5℃,機器處所包括泵艙、推進艙、首側推艙等。
對于機械通風系統(tǒng),更大的通風量需匹配較大功率的風機,導致能耗上升。對于空調系統(tǒng),若所需的空調新風量越大,則系統(tǒng)能耗越大。
鑒于嚴寒地區(qū)大量冷風滲透,在滿足通風面積要求的前提下,當進行通風換氣設計時,考慮節(jié)能性,應選擇最小的外部空氣量進行設計。為了節(jié)約能耗,除廚房空調系統(tǒng)采用全新風外,本船其他6臺空調器的服務處所及新風比分別為表1所示。
廚房空調的變頻風機為廚房提供新風。其他空調系統(tǒng),采用新風+回風的方式,通過對艙室空調的回風經空調器處理變成新的送風,這樣有利于節(jié)能,可以充分利用回風的溫度和濕度,可以大大降低空調系統(tǒng)的送風能耗。同時,空調送風機多為變頻風機,可通過不同的能耗需求,實時調節(jié)送風量,避免能量浪費[3]。
表1 空調器服務處所及新風比
一般來講,進風口的設計主要考慮兩個方面:一個是進風口大小的設計,另一個是進風口位置的布置。
進風口的大小由進風量和假定進風風速計算得到。因為進風口越大,進風阻力越小,噪聲也越小。因此,考慮降低噪聲的需求,在可能的情況下應盡量增大進風口面積。本船房間噪聲控制在60 dB,機器處所噪聲控制在70 dB[4]。上建區(qū)域的進風風速一般為2~3 m/s,機器處所進風風速一般為8~10 m/s。進風口的選擇一定要合理,應確保進風能為機器處所、輔機處所以及住艙等空間的加熱、通風、空調提供所需的空氣容量、溫度和濕度。
但是,進風口的設計往往受結構限制。如在本船中,主甲板以下的機械處所進風匯總在結構風道中,結構風道的百葉窗開在艏樓甲板FR107處,由于在距舯約4 500 mm處會與貨艙箱蓋支撐相沖突,因此移位至距舯約9 000 mm處(如下頁圖1所示)。
如月池車間的風幕機設計,因月池屬于大空間區(qū)域,室外設計溫度-30℃,進行科考作業(yè)時,采用風幕機送暖風,空氣幕吹出的熱風可保持內側氣溫在0℃以上。本船在月池車間舷門,艙壁門,通用實驗室門均設置風幕機。安裝方式根據實際情況有立式安裝和水平安裝,各風幕機配備就地控制按鈕盒,顯示風幕機運行狀態(tài)及故障報警,并帶有風幕機的調速旋鈕。風機具體參數(shù)見表2。
圖1 機器處所進風口
表2 風幕機參數(shù)
其中,月池車間舷門直通式進出風,正面維修。月池車間艙壁門直角式進出風,地面維修。通用實驗室(干/濕)門直角式進出風,底面維修。因受結構橫梁的限制,只能將月池車間舷門處的風幕機分為兩只側裝。如圖2所示。
圖2 月池車間風幕
同時,進風口應選擇在空氣較為新鮮的地方,以獲得較好的通風換氣效果。為防止進排風短路,進風口和排風口需保持一定距離。對于機器處所的大百葉窗,進風百葉窗開口下邊緣距離甲板距離不得小于900 mm,對于一般艙室,進風百葉窗開口下緣距甲板不得小于1 800 mm。空調系統(tǒng)主機連接到室外的新風管設置不小于0.03的向外向下傾斜的坡度,以防室外雨水、冰水進入主機。進風口應設在室外空氣較清潔的地方,進風口的底部離室外地面不小于1 200 mm。
對于極地運輸船舶,寒冷環(huán)境條件下的設計是船舶和其自身系統(tǒng)設計的重要部分,寒冷天氣條件下運行的能力應在設計的整個階段考慮到。因此,進風防寒設計是不可缺少的一部分。
進風口是進風的第一道關口,進風口的防凍設計尤為重要。對于甲板上的通風口,考慮結冰危險以及考慮破冰帶來的振動,所有附件和設備的基座需是加強和安全的。本船所有在甲板上的通風筒支撐肘板水平臂長度不小于150 mm,厚度不小于12 mm。通風出口應考慮有手動除冰的可能性。船上儲存有至少2套手動除冰工具,每套包括除雪鏟、木錘、亂板、冰鎬和除冰鹽。工具儲存在不受天氣影響且容易進入的區(qū)域。
機器處所的進風通過艏樓甲板兩個集中空氣進口,空氣進口設置有進風格柵、艙口蓋、彎道式除雪結構、風機、進風空氣預熱器、熱空氣再循環(huán)輔助加熱的調節(jié)風門??諝膺M風口設置有可關閉的封蓋,在冬季運行時要求多余的進風封蓋處于關閉狀態(tài)。進風百葉窗應有足夠的強度允許進行機械除冰。通風排出口設置有電機驅動關閉的風門,出風口被排出空氣加熱。所有空調新風入口和通風量超過1 500 m3/h的進風口將通過一個垂直擋板和葉片型除水霧器。該裝置將有效去除99%直徑為15 μm或更大的水珠。分離的臨界速度在尺寸、分離效率和壓力損失等因素平衡下給予考慮,材料和結構均抗腐蝕,型式為管道安裝型。
本船在室外的進風口百葉窗多為防凍百葉窗[5],防凍百葉窗系統(tǒng)由葉片內穿加熱電纜的除霧器本體、接線盒和控制箱組成。溫度傳感器給控制箱提供信號,根據外界溫度控制加熱電纜的起閉,加熱電纜在-30~5℃時工作效率相同,功率為50 W/m。百葉窗位置考慮電控箱的設置,按區(qū)域設置。
本船采用防凍百葉窗的艙室及對應的風量、功率量如表3所示。
為了達到進風溫度要求,本船在多進風口設置加熱裝置。加熱類型分為電加熱、蒸汽加熱和不凍液加熱系統(tǒng)。
總的來說,在住艙和科考處所采用空調系統(tǒng)加熱,公共處所、服務處所、電氣設備空間和科考空間采用輔助電加熱器加熱,機械處所通過蒸汽加熱器加熱。機械通風進風口設置預加熱器,預加熱器帶就地溫度控制。
表3 全船防凍百葉窗列表
本船采用加熱方式的明細表見表4所示。
表4 全船加熱方式明細表
航煤油泵艙屬于危險區(qū)域,且進風加熱量較大,因此其進風設計需要考慮危險區(qū)域劃分、實際電力負荷需求、生產設計情況等諸多因素。
在本船的基本設計中,航煤油泵艙考慮使用蒸汽加熱,所需加熱量為14 kW,但由于船廠放樣布置困難,故改用電加熱預熱型式。該艙室設計換氣次數(shù)20次/h,風量1 060 m3/h。本船使用的是3號航煤油,閃點為38℃。據制造廠反應,如果電加熱器和風機突然失效,其表面溫度將在短時間內達到135℃,從理論角度看似有爆炸的可能。考慮各方協(xié)調結果,對航煤油泵艙的電加熱器提出以下技術要求:
(1)防爆等級IIB以上,防護等級IP56以上,溫度等級為T4;
(2)電加熱器加熱功率為15 kW,分三檔,5 kW每檔;
(3)加熱器設置超溫保護;
(4)加熱器設置氣流保護開關,當風管內無空氣流動時,電源必須切斷;
(5)設溫度傳感器于排風系統(tǒng)吸風口處,當溫度低于5℃時,電加熱器開啟;
(6)加熱器電控箱設置進艙的梯道內,防護等級IP44。同時,航煤油泵艙的進風口和排風口避開危險區(qū)域,在系泊蓋上的開敞區(qū)域設置有菌形通風筒。
通過分析表明:極地環(huán)境下船舶進風系統(tǒng)的設計應考慮進風量、進風口、進風防寒,綜合考慮規(guī)范要求、總體危險區(qū)域劃分、艙室布置、結構限制、舒適美觀等諸多因素進行設計選型,整體進風系統(tǒng)設計性能有待在后續(xù)的航行科考任務中評估,并根據實船經驗進行優(yōu)化。
極地環(huán)境下,船舶進風系統(tǒng)的加熱、進風量也應在滿足規(guī)范要求的前提下盡量減小,并盡可能降低加熱能耗。
極地環(huán)境下的進風口設計要注意防寒防凍,以保證在低溫的環(huán)境下,機器處所和上建艙室都能有效進風;進風加熱的設置在綜合考慮各方因素的情況下,選擇加熱的形式和功率,在確保溫度要求的同時,保證使用安全。