閻 煉，王 琦

（92942 部隊(duì)，北京 100161）

0 引言

噴氣燃料具有閃點(diǎn)低、易揮發(fā)的特點(diǎn)，其揮發(fā)的油氣與空氣混合可形成可燃性氣體，當(dāng)氣體達(dá)到一定濃度時(shí)，遇明火就會(huì)引起燃燒和爆炸。另外，噴氣燃料在流動(dòng)、過(guò)濾、混合、加注、晃動(dòng)時(shí)，以及噴氣燃料艙在噴霧、噴射、沖洗等情況下，靜電負(fù)荷的積累也會(huì)引起燃燒和爆炸。因此，存儲(chǔ)噴氣燃料的部位屬于高危險(xiǎn)性和易爆炸區(qū)域。通過(guò)降低溫度等方法防止噴氣燃料燃燒或爆炸至關(guān)重要。

某直升機(jī)保障系統(tǒng)采用集裝箱式結(jié)構(gòu)，可臨時(shí)加裝在船只甲板面上，使其具備直升機(jī)加油等保障能力。為實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)和快速加裝，該系統(tǒng)采用專(zhuān)用罐式集裝箱存儲(chǔ)噴氣燃料，相對(duì)于常規(guī)船只設(shè)置于甲板下的噴氣燃料艙，由于罐式集裝箱放置于甲板上，存儲(chǔ)的噴氣燃料在日曬高溫環(huán)境中容易升溫過(guò)高，一方面油料溫度高時(shí)揮發(fā)性強(qiáng)，存在安全隱患［1-2］，另一方面油溫長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)高狀態(tài)容易引起油料變質(zhì)，均對(duì)直升機(jī)使用安全造成影響。為解決上述問(wèn)題，在罐式集裝箱設(shè)計(jì)中加入水冷系統(tǒng)，在油溫超過(guò)安全閾值時(shí)開(kāi)啟進(jìn)行降溫。上述水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析計(jì)算是罐式集裝箱設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)于噴氣燃料水冷效果，以及對(duì)船只淡水存儲(chǔ)量和制淡能力要求均有重要的影響。本文結(jié)合某型噴氣燃料罐式集裝箱的水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算，提出噴氣燃料罐式集裝箱水冷設(shè)計(jì)及計(jì)算的一般方法。

1 水冷系統(tǒng)工作環(huán)境和技術(shù)形式

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于地面油罐／化工品罐在火災(zāi)條件下的消防水冷問(wèn)題進(jìn)行了大量分析研究［3-5］，主要采用固定式、半固定式消防冷卻系統(tǒng)等［6］，但對(duì)油罐／化工品罐在夏季高溫環(huán)境下的預(yù)防性防曬冷卻降溫問(wèn)題研究較少。在海上甲板環(huán)境中的噴氣燃料罐式集裝箱，由于夏季中的太陽(yáng)輻射、環(huán)境最高溫度等較一般陸地環(huán)境更高，更易出現(xiàn)油溫過(guò)高的危險(xiǎn)。

一般化工廠區(qū)，環(huán)境溫度最高不超過(guò)45 ℃，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最高約700 W／m2［7］。而根據(jù)《GJB1060.2-1991 艦船環(huán)境條件要求氣候環(huán)境》，海面環(huán)境溫度最高可達(dá)51 ℃，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最高可達(dá)1110 W／m2［8］，相比一般地面環(huán)境條件更為惡劣。當(dāng)油罐箱處于日曬高溫環(huán)境中，水冷卻能有效降低罐箱表面溫度，防止罐內(nèi)油料溫度升高超過(guò)閃點(diǎn)，引起事故危險(xiǎn)。常用的水冷卻裝置技術(shù)形式主要有水噴淋式、水噴霧式、罐壁配水流動(dòng)式［9］。

水噴淋方式是沿罐箱上半部安裝一個(gè)環(huán)形水管，管中開(kāi)多個(gè)小孔。借助溫度傳感器的作用，在罐箱內(nèi)部噴氣燃料溫度高于設(shè)定值時(shí)，水管閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟，冷卻水通過(guò)小孔向油罐箱各部位進(jìn)行噴淋，從而達(dá)到降低罐壁溫度、罐內(nèi)油料溫度與壓力的目的，以保護(hù)球罐不受破壞。水噴霧系統(tǒng)是在水噴淋基礎(chǔ)上發(fā)展改進(jìn)的，它是利用高壓水經(jīng)過(guò)專(zhuān)用的水霧噴頭將水噴射成霧狀水滴。霧狀水滴噴射到高溫油罐箱表面時(shí)，因?yàn)閾Q熱面積大，水滴將會(huì)從罐壁吸收大量的熱而迅速氣化，從而使油罐表面溫度降低，效果較固定水噴淋方式更好。罐壁配水流動(dòng)式是在油罐箱管壁緊密安裝多條冷卻管道，冷卻水在管道中以設(shè)定的壓力、流速進(jìn)行流動(dòng)，從而帶走罐壁熱量，降低油料溫度。冷卻管道通常為繞罐壁螺旋式布置或多重往復(fù)式布置，以增加冷卻水與罐壁接觸時(shí)間，達(dá)到冷卻水與管壁充分接觸、吸收熱量的目的。

前兩種水冷方式系統(tǒng)較為復(fù)雜，噴頭容易堵塞，維護(hù)比較困難，且容易對(duì)油罐箱外壁造成腐蝕、生銹。而罐壁配水流動(dòng)式單閥起動(dòng)快，冷卻水不與油罐箱外壁直接接觸，對(duì)其無(wú)銹蝕風(fēng)險(xiǎn)，且冷卻水可二次循環(huán)使用，缺點(diǎn)是單次吸收熱量有限，一次冷卻效果不佳，但其可長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)冷卻工作，累計(jì)吸收熱量較多，降溫效果較好。綜合分析，擬在某型噴氣燃料罐式集裝箱設(shè)計(jì)中采用罐壁配水流動(dòng)式水冷設(shè)計(jì)。

2 油罐箱冷卻水相關(guān)規(guī)范

對(duì)于噴氣燃料罐式集裝箱的罐壁配水流動(dòng)式水冷設(shè)計(jì)，關(guān)鍵問(wèn)題之一是冷卻水供給量的計(jì)算。國(guó)內(nèi)對(duì)油罐冷卻裝置以及冷卻水供給量、供給強(qiáng)度等具有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。例如原《GBJ74-84石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》提出，采用固定冷卻方式時(shí)，著火油罐為固定頂及浮盤(pán)為淺盤(pán)和浮艙為易熔材料的內(nèi)浮頂油罐，油罐消防冷卻水供給強(qiáng)度為2.5 L／（min·m2）；著火油罐為浮頂、內(nèi)浮頂油罐，油罐消防冷卻水供給強(qiáng)度為2.0 L／（min·m2），相鄰油罐冷卻水供給強(qiáng)度為1.0 L／（min·m2）。后續(xù)提出的《GB50160-2008 石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》以及《GB50074-2011石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》，規(guī)定油罐冷卻水的供給強(qiáng)度同樣為2.0 L／（min·m2）。而參考國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，例如美國(guó)消防協(xié)會(huì)《NFPA-152007水噴霧固定系統(tǒng)防火標(biāo)準(zhǔn)》，冷卻水供給強(qiáng)度為10.2 L／（min·m2）。相比之下，國(guó)內(nèi)外對(duì)油罐箱冷卻水供給量的規(guī)范存在較大差異，我國(guó)相關(guān)規(guī)范的合理性有待進(jìn)一步研究。

此外，我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)冷卻水供給范圍的規(guī)定也不盡相同。目前，我國(guó)油罐冷卻水多用于石化行業(yè)和建筑行業(yè)。石化行業(yè)規(guī)定冷卻用水流量的確定取決于油罐罐壁面積，油罐的周長(zhǎng)和高度都是影響冷卻水流量的重要因素；建筑行業(yè)規(guī)定冷卻水流量的確定只與油罐周長(zhǎng)有關(guān)，不考慮油罐的高度。通過(guò)對(duì)比石化行業(yè)和建筑行業(yè)對(duì)冷卻水供給范圍、供給強(qiáng)度以及數(shù)值單位的規(guī)定，可發(fā)現(xiàn)石化行業(yè)和建筑行業(yè)對(duì)上述內(nèi)容的要求存在較大差異［10］。由此可見(jiàn)，對(duì)于噴氣燃料罐式集裝箱的水冷設(shè)計(jì)，不可僅參考某一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范確定冷卻水供給量，須按照實(shí)際油罐尺寸、使用環(huán)境等因素進(jìn)行分析計(jì)算。

3 冷卻水供給量計(jì)算

某型噴氣燃料罐式集裝箱儲(chǔ)存的高閃點(diǎn)噴氣燃料密度約0.84 ×103kg／m3，閃點(diǎn)大于60 ℃［11-12］。為保證油料的安全可靠性，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，經(jīng)水冷卻后油料溫度應(yīng)不高于40 ℃。假定罐箱使用的最高環(huán)境溫度為55 ℃，太陽(yáng)輻射最大強(qiáng)度為1 120 W／m2，上述極端環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射每天持續(xù)10 h。冷卻水壓力為0.5 MPa，初始溫度為20 ℃，當(dāng)噴氣燃料溫度超過(guò)40 ℃時(shí)，水冷系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟工作并進(jìn)行降溫，經(jīng)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行后，冷卻水溫升10 ℃。

罐箱附近無(wú)大功率發(fā)熱設(shè)備，故系統(tǒng)外部熱負(fù)荷主要有環(huán)境溫差傳導(dǎo)熱負(fù)荷P1與太陽(yáng)輻射熱負(fù)荷P2，系統(tǒng)內(nèi)部熱負(fù)荷為油料降溫所需散熱量Q1。根據(jù)罐箱的日常使用流程，冷卻系統(tǒng)工作主要分為以下兩種工況。

（1）一般工況：外界溫度55 ℃，太陽(yáng)輻射1 120 W／m2，噴氣燃料初始溫度40 ℃，要求保持油溫不升高，此時(shí)冷卻水僅需抵消外部熱負(fù)荷。

（2）極端工況：外界溫度55 ℃，太陽(yáng)輻射1 120 W／m2，噴氣燃料初始溫度55 ℃，要求將油溫降低并保持為40 ℃，此時(shí)冷卻水需抵消外部熱負(fù)荷，并吸收油料降溫所需散熱量。

3.1 溫差傳導(dǎo)熱負(fù)荷P1 計(jì)算

罐箱尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為6 058 mm ×2 438 mm ×2 591 mm，罐箱所處工作環(huán)境最大溫度為55 ℃，罐內(nèi)油溫40 ℃，此時(shí)油罐箱內(nèi)外環(huán)境溫度差傳導(dǎo)熱負(fù)荷計(jì)算公式為：

式中：Ki為油罐箱第i 面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W／（m2·℃），箱底與船體鋼甲板接觸，傳熱較大，取綜合傳熱系數(shù)1.6 W／（m2·℃），箱壁傳熱系數(shù)取0.85 W／（m2·℃）；Ai為油罐箱第i面?zhèn)鳠崦娣e，m2；TOUT為外界環(huán)境溫度，℃；TIN為罐內(nèi)油料溫度，℃。

經(jīng)計(jì)算，溫差傳導(dǎo)熱負(fù)荷P1＝1 101 W。

3.2 太陽(yáng)輻射熱負(fù)荷P2 計(jì)算

太陽(yáng)照射可產(chǎn)生輻射熱，由于太陽(yáng)對(duì)罐箱的照射任何時(shí)候都不可能所有箱體外表面垂直受到照射，其照射面考慮到有直射和漫射，照射面通常取箱體的3個(gè)表面積（正面、側(cè)面、上表面）之和，太陽(yáng)照射通過(guò)箱壁傳入箱內(nèi)輻射熱負(fù)荷按下式計(jì)算：

式中：Si為油罐箱第i個(gè)受照射面面積，m2；Es為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，取1 120 W／m2；λ為輻射熱吸收率。

經(jīng)計(jì)算，太陽(yáng)輻射熱負(fù)荷P2＝986 W。

3.3 油溫降低所需散熱量Q1 計(jì)算

罐箱有效容積為21 m3，噴氣燃料溫度從55 ℃冷卻降溫至40 ℃，高閃點(diǎn)噴氣燃料密度為0.84 ×103kg／m3，比熱容為2.2×103J／（kg·℃）；故油溫降低所需散熱量計(jì)算公式為：

式中：c1為油料比熱容，J／（kg·℃）；ρ1為油料密度，kg／m3；V1為油料體積，m3；Δt1為油料冷卻前后溫差，℃。

經(jīng)計(jì)算，油溫降低所需散熱量Q1＝5.88×108J。

3.4 冷卻水供給量計(jì)算

一般工況下，為保證油料溫度不升高，冷卻水吸熱量需大于外部熱負(fù)荷，即溫差傳導(dǎo)熱負(fù)荷P1與太陽(yáng)輻射熱負(fù)荷P2。水冷散熱平衡計(jì)算公式［13-14］為：

式中：P為冷卻水吸熱量，W；c2為冷卻水比熱容，取4.2×103J／（kg·℃）；ρ2為冷卻水密度，取1×103kg／m3；q為冷卻水流量，m3／s；Δt2為冷卻水溫升，取10 ℃。

故冷卻水最小流量為：

冷卻系統(tǒng)每天最大工作時(shí)長(zhǎng)為10 h，一天的冷卻水最小用量為1 788 L≈1.79 m3。

最?lèi)毫庸r下，需將油溫從55 ℃降至40 ℃，并保持油溫不升高，冷卻水制冷量需大于外部熱負(fù)荷與內(nèi)部熱負(fù)荷之和。冷卻水供給量一部分抵消外部熱負(fù)荷，一部分吸收油溫降低所需散熱量。抵消外部熱負(fù)荷用冷卻水供給量等同于一般工況下的冷卻水供給量，吸收溫降低所需散熱量用冷卻水供給量計(jì)算公式為：

式中：V2為所需冷卻水體積，m3。

經(jīng)計(jì)算，吸收散熱量用冷卻水供給量為14 m3，故此時(shí)總的冷卻水需求量為15.8 m3。

通過(guò)對(duì)罐箱樣機(jī)模擬極端環(huán)境條件下的冷卻試驗(yàn)，試驗(yàn)中冷卻水供給量約17.5 m3，與計(jì)算結(jié)果相差約9.7%，考慮試驗(yàn)中的誤差因素，可認(rèn)為計(jì)算結(jié)果可靠準(zhǔn)確。

4 冷卻水供給量一般計(jì)算流程

根據(jù)某型噴氣燃料罐式集裝箱設(shè)計(jì)研究，歸納水冷系統(tǒng)冷卻水供給量一般計(jì)算流程（圖1）如下。

圖1 冷卻水供給量一般計(jì)算流程

（1）明確系統(tǒng)基本參數(shù)，如油料類(lèi)別、密度、比熱容、油罐箱大小、有效容積、系統(tǒng)工作時(shí)長(zhǎng)、導(dǎo)熱系數(shù)等。確定系統(tǒng)水冷卻需求，如需將油溫冷卻至多少度。

（2）確定環(huán)境條件參數(shù)，如系統(tǒng)外部環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等。

（3）分析系統(tǒng)熱負(fù)荷來(lái)源，系統(tǒng)熱負(fù)荷分為外部熱負(fù)荷和內(nèi)部熱負(fù)荷。其中外部熱負(fù)荷包括內(nèi)外環(huán)境溫差傳導(dǎo)熱負(fù)荷、太陽(yáng)輻射熱負(fù)荷等；內(nèi)部熱負(fù)荷包括油料降溫所需散熱量、設(shè)備運(yùn)行的發(fā)熱量等。

（4）確定系統(tǒng)工作工況，不同工況下系統(tǒng)熱負(fù)荷類(lèi)型可能不同。

（5）按不同工況，分項(xiàng)計(jì)算各類(lèi)型的熱負(fù)荷大小。

（6）綜合各項(xiàng)熱負(fù)荷，計(jì)算系統(tǒng)所需冷卻水總量。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文探討了存儲(chǔ)噴氣燃料的罐式集裝箱水冷系統(tǒng)與一般油罐／化工罐水冷系統(tǒng)的差別，提出針對(duì)甲板上噴氣燃料罐式集裝箱水冷系統(tǒng)的技術(shù)形式。簡(jiǎn)要分析了國(guó)內(nèi)油罐箱冷卻水相關(guān)規(guī)范現(xiàn)狀，結(jié)合某直升機(jī)保障系統(tǒng)中的噴氣燃料罐式集裝箱的特點(diǎn)，對(duì)噴氣燃料罐式集裝箱的水冷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，計(jì)算內(nèi)容包括溫差傳導(dǎo)熱負(fù)荷計(jì)算、太陽(yáng)輻射熱負(fù)荷計(jì)算、油溫降低所需散熱量計(jì)算以及冷卻水供給量計(jì)算，提出了噴氣燃料罐箱水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與冷卻水供應(yīng)量的一般計(jì)算流程。該計(jì)算結(jié)果與罐箱樣機(jī)甲板冷卻試驗(yàn)結(jié)果基本一致，可為類(lèi)似水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和冷卻水供給量計(jì)算提供參考。