張曉紅，安毓輝，張俊杰

(中國船舶與海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

在常規(guī)的冷藏集裝箱船貨艙通風(fēng)系統(tǒng)中，每列冷藏集裝箱共用1根主風(fēng)管，并在每根主風(fēng)管的側(cè)面連接支管，將外界新風(fēng)送至冷藏集裝箱冷凝器處。為了能夠快速將冷藏集裝箱的散熱排除，挪威船級(jí)社DNV[1]在規(guī)范I-Part 1 chapter19描述，對(duì)于40 ft的冷藏集裝箱，通風(fēng)系統(tǒng)中每個(gè)風(fēng)口的送風(fēng)風(fēng)量為4 500 m3/h，允許±10%的誤差，且送風(fēng)口應(yīng)位于冷藏集裝箱1/3高度處，亦即是冷凝器位置處。當(dāng)貨艙內(nèi)冷藏集裝箱高箱標(biāo)箱混裝時(shí)，高箱高度為2.89 m，標(biāo)箱高度為2.59 m，同一層平臺(tái)的兩種冷藏集裝箱在1/3高度位置存在高度差，越往上該高度差累積效應(yīng)越明顯。常規(guī)通風(fēng)系的風(fēng)口與冷藏集裝箱一一對(duì)應(yīng)，混裝時(shí)該通風(fēng)系統(tǒng)高位處的風(fēng)口將無法與冷藏集裝箱1/3高度位置對(duì)齊，且每根風(fēng)管上的各個(gè)風(fēng)口出風(fēng)不均勻[2]。對(duì)于裝載冷藏集裝箱的貨艙通風(fēng)系統(tǒng)的研究，有學(xué)者通過相似理論、CFD模擬等方法研究得出，采用機(jī)械送風(fēng)/自然排風(fēng)方式更有利于冷藏集裝箱的散熱[3-4]，在該結(jié)論的基礎(chǔ)上，以某超大型集裝箱船的典型貨艙為例，提出一種風(fēng)管均流設(shè)計(jì)方法，用以解決冷藏集裝箱船高箱標(biāo)箱混裝時(shí)的通風(fēng)問題。

1 均流設(shè)計(jì)步驟

高箱標(biāo)箱混裝，根據(jù)排列組合原理可知，每列箱位有多種裝載工況。在實(shí)船設(shè)計(jì)過程中，通常按照高箱尺寸設(shè)計(jì)箱位，兼顧裝載標(biāo)箱的情況，故將每列冷藏集裝箱均為高箱時(shí)的工況定義為標(biāo)準(zhǔn)裝載工況。由于混裝時(shí)兩種尺寸的冷藏集裝箱在1/3位置處存在高度差，當(dāng)?shù)紫旅繉永洳丶b箱均為標(biāo)箱時(shí)，該高度差在最上層平臺(tái)處累積為最大，將該工況定義為最不利工況，若通風(fēng)風(fēng)管能滿足此時(shí)的通風(fēng)要求，其余裝箱工況均可實(shí)現(xiàn)。

風(fēng)管均流設(shè)計(jì)采用數(shù)值模擬方法，在通風(fēng)系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整送風(fēng)格柵尺寸及位置、主風(fēng)管尺寸來滿足冷藏集裝箱的通風(fēng)要求，詳細(xì)設(shè)計(jì)流程見圖1。

1.1 典型通風(fēng)風(fēng)管選取

由于集裝箱是一列列疊裝，如果每列冷藏集裝箱個(gè)數(shù)相同，則相應(yīng)的設(shè)計(jì)層高相同，故在設(shè)計(jì)過程中選取典型冷藏集裝箱裝載列的風(fēng)管即可。該船共11個(gè)貨艙，其中第五貨艙為典型貨艙，根據(jù)裝箱圖可知典型風(fēng)管有以下3種。A：5個(gè)冷藏集裝箱+底部2個(gè)非冷箱；B：6個(gè)冷藏集裝箱+底部1個(gè)非冷箱；C：6個(gè)冷藏集裝箱+底部1個(gè)非冷箱+風(fēng)管往下延伸供裝載危險(xiǎn)品時(shí)排風(fēng)使用，風(fēng)管選取詳情見圖2。

圖2 典型風(fēng)管選取示意

1.2 可調(diào)送風(fēng)格柵計(jì)算及定位

為便于調(diào)節(jié)各風(fēng)口風(fēng)量，送風(fēng)格柵選取葉片角度可調(diào)型。以現(xiàn)有格柵(尺寸為400 mm×350 mm)為例，分析可調(diào)格柵選取方法。可調(diào)送風(fēng)格柵與冷藏集裝箱距離為890 mm，風(fēng)管進(jìn)風(fēng)量為4 500 m3/h，采用數(shù)值模擬方法計(jì)算單個(gè)可調(diào)格柵的風(fēng)量覆蓋范圍，結(jié)果見圖3。

圖3 格柵風(fēng)量范圍模擬

由圖3可見：當(dāng)葉片往上的調(diào)整角度為30°時(shí)，風(fēng)量可覆蓋到往上～600 mm；往下的調(diào)整角度為20°時(shí)，風(fēng)量可覆蓋到往下～400 mm。由于平臺(tái)層高2 895 mm，故布置2個(gè)可調(diào)格柵即可讓送風(fēng)覆蓋整層平臺(tái)。

以第七層平臺(tái)處風(fēng)口為例，分析格柵的具體定位方法。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)裝載工況時(shí)，高箱位于第七層平臺(tái)，可調(diào)格柵位于該高箱1/3高度位置處；當(dāng)最不利裝載工況時(shí)，標(biāo)箱位于第六層平臺(tái)靠上，故可使用第六層平臺(tái)處的高位格柵來對(duì)齊標(biāo)箱1/3高度位置；其余裝載工況的1/3高度位置位于兩者之間，可調(diào)節(jié)第七層平臺(tái)處的格柵或第六層平臺(tái)處的高位格柵來實(shí)現(xiàn)通風(fēng)要求，兩個(gè)送風(fēng)格柵的最終定位見圖4，其余各層的送風(fēng)格柵定位方法類似。

圖4 格柵定位示意

1.3 風(fēng)管尺寸計(jì)算

在完成每個(gè)送風(fēng)格柵的選型和初步定位后，進(jìn)一步確定主風(fēng)管的直徑和變徑位置。主風(fēng)管尺寸滿足通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)速要求(通常小于15 m/s)，風(fēng)管變徑應(yīng)避開格柵、平臺(tái)所在位置且便于安裝。在完成初步設(shè)計(jì)之后，采用數(shù)值模擬方法分析每個(gè)送風(fēng)格柵的送風(fēng)量，通過微調(diào)每段格柵尺寸、風(fēng)管直徑和變徑位置，使得每個(gè)送風(fēng)口風(fēng)量滿足規(guī)范4 500 m3/h±10%的要求。3種典型風(fēng)管最終設(shè)計(jì)結(jié)果見圖5。

圖5 典型風(fēng)管設(shè)計(jì)結(jié)果

2 均流設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

該系列船共9艘，首制船的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。為此，船廠進(jìn)行了1∶1的模型實(shí)驗(yàn)，通過測(cè)試兩種裝載工況下、每個(gè)風(fēng)口的實(shí)際送風(fēng)量來驗(yàn)證典型風(fēng)管均流設(shè)計(jì)的正確性。

在均勻送風(fēng)管道風(fēng)量計(jì)算公式中，孔口流量與靜壓存在如下關(guān)系[5]：

L0=3 600uf0vsinα=

(1)

式中：L0為孔口空氣流量；u為孔口的流量系數(shù)；f0為孔口面積；v為主風(fēng)管風(fēng)速；ρ為空氣密度；pst為風(fēng)口處的靜壓。相關(guān)符號(hào)示意于圖6。

圖6 側(cè)孔出流狀態(tài)示意

由公式(1)可知：每個(gè)孔口的流量系數(shù)和氣體密度相同，孔口流量僅與孔口面積和孔口處的靜壓有關(guān)。由于每根風(fēng)管的送風(fēng)格柵面積為已知，故每個(gè)送風(fēng)口的流量可通過測(cè)量該處的靜壓得到。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)在船廠車間進(jìn)行，使用的設(shè)備主要有壓差計(jì)(Ser. No.:02278475)、流量測(cè)試閥和L型畢托管(Ser. No:1809949)3種。壓差計(jì)用以讀取風(fēng)口靜壓，流量測(cè)試閥和L型畢托管配合使用。

為避免環(huán)境壓力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，風(fēng)管的每個(gè)送風(fēng)口處預(yù)接一段長度約2 m的圓管，圓管直徑為DN400 mm，流量測(cè)試閥安裝在延伸管段的中間。設(shè)備商提前將流量測(cè)試閥的流量與壓力校對(duì)完畢，實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)壓力值直接讀取流量值，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图艾F(xiàn)場(chǎng)見圖7。

圖7 流量測(cè)試閥及風(fēng)管安裝現(xiàn)場(chǎng)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)由船東、設(shè)計(jì)院、船廠和風(fēng)機(jī)廠家共同參與完成，每根風(fēng)管上各送風(fēng)格柵的實(shí)驗(yàn)風(fēng)量、設(shè)計(jì)風(fēng)量和模擬風(fēng)量對(duì)比見圖8。

圖8 典型風(fēng)管設(shè)計(jì)、模擬和實(shí)驗(yàn)風(fēng)量對(duì)比

其中實(shí)驗(yàn)風(fēng)量為各風(fēng)口的實(shí)測(cè)值，設(shè)計(jì)風(fēng)量為均流設(shè)計(jì)時(shí)模擬得出的送風(fēng)風(fēng)量，測(cè)量風(fēng)量1表示標(biāo)準(zhǔn)裝載工況的送風(fēng)風(fēng)量，測(cè)量風(fēng)量2表示最不利工況的送風(fēng)風(fēng)量。

由圖8可見，每根風(fēng)管各送風(fēng)格柵的模擬送風(fēng)量與測(cè)試風(fēng)量分布趨勢(shì)一致，雖然測(cè)試風(fēng)量由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素的影響波動(dòng)較大，但整體來說滿足規(guī)范4 500 m3/h±10%(4 050～4 950 m3/h)的要求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了風(fēng)管均流設(shè)計(jì)的正確性。

3 貨艙通風(fēng)分析

3.1 邊界條件設(shè)置

根據(jù)冷藏集裝箱的設(shè)備資料，每個(gè)冷藏集裝箱的熱負(fù)荷為11 kW，計(jì)算時(shí)忽略貨艙內(nèi)部其他熱源如燈、人員等的散熱。模擬過程中，將熱源附著在冷藏集裝箱的風(fēng)扇附近。通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)管布置在橫艙壁處，離冷藏集裝箱散熱端面約890 mm。T型風(fēng)帽進(jìn)風(fēng)處設(shè)置為環(huán)境壓力進(jìn)口，艙口圍兩側(cè)的百葉窗設(shè)置為環(huán)境壓力出口；每根風(fēng)管中的風(fēng)機(jī)設(shè)置為內(nèi)部風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)參數(shù)為22 500 m3/h、靜壓750 Pa和27 000 m3/h、靜壓800 Pa；四周為絕熱艙壁；平臺(tái)高位送風(fēng)口關(guān)閉，低位送風(fēng)口開啟。

3.2 貨艙溫度場(chǎng)分析

當(dāng)計(jì)算收斂后，3根典型風(fēng)管的溫度場(chǎng)見圖9。

圖9 典型風(fēng)管溫度場(chǎng)分布

為便于分析，將超過45 ℃的溫度場(chǎng)設(shè)置為黑色。由圖9可見，高溫溫度場(chǎng)主要出現(xiàn)在冷藏集裝箱的冷凝器出口附近：送風(fēng)口處的空氣被冷凝器風(fēng)扇吸入，并與冷凝器盤管換熱，排出時(shí)帶走冷藏集裝箱的散熱，導(dǎo)致溫度升高。該高溫氣體出了排風(fēng)扇后，由于慣性影響，流經(jīng)主風(fēng)管、到達(dá)橫艙壁的對(duì)面并擴(kuò)散(圖中右側(cè))。每個(gè)送風(fēng)口處的氣體將受到上下兩個(gè)排風(fēng)扇處的熱空氣影響：靠上的熱空氣在風(fēng)管附近往四周擴(kuò)散時(shí)會(huì)影響到下面的風(fēng)口，靠下的熱空氣由于其往上升的物理特性會(huì)影響到上面的1個(gè)風(fēng)口，最終導(dǎo)致送風(fēng)溫度高于設(shè)計(jì)溫度35 ℃。從模擬結(jié)果可知，送風(fēng)溫度雖然有升高，但滿足冷藏集裝箱的工作溫度要求。

截取貨艙橫艙壁所在的剖面，貨艙溫度場(chǎng)分布見圖10。

圖10 典型貨艙溫度場(chǎng)分布

從圖10可知，冷凝器附近的氣體溫度高于貨艙其他空間的溫度，冷藏集裝箱的散熱往舷兩側(cè)百葉窗處擴(kuò)散并累積、溫度略高于冷箱區(qū)溫度。讀取貨艙平均溫度為42.7 ℃，滿足規(guī)范低于45 ℃的要求。

3.3 貨艙壓降分析

壓降是通風(fēng)系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，集裝箱船的貨艙通風(fēng)系統(tǒng)具有相似性，分析通風(fēng)系統(tǒng)各部分的壓降可為后續(xù)設(shè)計(jì)提供參考。通風(fēng)系統(tǒng)的壓降主要在進(jìn)風(fēng)口T型風(fēng)帽、送風(fēng)段管路(結(jié)構(gòu)風(fēng)道和送風(fēng)管段)、貨艙段和排風(fēng)口百葉窗四處，其中送風(fēng)段管路的阻力包含沿程阻力和局部阻力，其余為局部阻力。選取6個(gè)冷藏集裝箱所在列的通風(fēng)管路為例研究通風(fēng)系統(tǒng)壓降，每部分的理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果見表1。

表1 通風(fēng)系統(tǒng)壓降對(duì)比 Pa

根據(jù)挪威船級(jí)社DNV推薦，在理論計(jì)算時(shí)貨艙段阻力可選取為80 Pa[1]，模擬選取為末端風(fēng)口和出風(fēng)口百葉窗處的壓差。由表1可見，各部分的理論計(jì)算壓降與模擬結(jié)果相近，兩種方法計(jì)算的系統(tǒng)總壓降相當(dāng)，表明均流設(shè)計(jì)方法合理。6個(gè)冷箱所在列的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)靜壓為800 Pa，滿足本船要求，但風(fēng)機(jī)余量相對(duì)小，若天氣原因使得舷側(cè)部分百葉窗關(guān)閉時(shí)，風(fēng)機(jī)壓降會(huì)增加，根據(jù)風(fēng)機(jī)性能曲線，風(fēng)量會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。

此外，當(dāng)每列冷藏集裝箱個(gè)數(shù)一定時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量一定，由于進(jìn)風(fēng)風(fēng)帽位于綁扎橋處，寬度方向與第一層平臺(tái)齊平，長度方向最大為1個(gè)冷藏集裝箱箱位，可調(diào)空間不大，故在設(shè)計(jì)時(shí)通常選取相同尺寸，5個(gè)冷藏集裝箱的風(fēng)帽尺寸為1 700 mm×800 mm，6個(gè)1 900 mm×800 mm，壓降～65 Pa。由于結(jié)構(gòu)風(fēng)道尺寸大(2 520 mm×1 850 mm×3 500 mm)，局部阻力主要由風(fēng)道壁處的結(jié)構(gòu)筋骨引起，風(fēng)道里面風(fēng)速低，在后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)可預(yù)選為70 Pa。送風(fēng)段管路的壓降包含局部阻力和沿程阻力，其中局部阻力遠(yuǎn)大于沿程阻力，也即是風(fēng)管長度對(duì)壓降影響不大，故風(fēng)管段的壓降可采用單個(gè)冷藏集裝箱壓降乘以每列冷藏集裝箱個(gè)數(shù)來計(jì)算，單個(gè)冷藏集裝箱壓降根據(jù)表1預(yù)估為55 Pa。排風(fēng)百葉窗位于舷側(cè)艙口蓋處，可開口空間有限，排風(fēng)量與貨艙所需總的風(fēng)量有關(guān)，當(dāng)貨艙裝載數(shù)量確定后，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)盡可能擴(kuò)大百葉窗的尺寸，降低百葉窗處風(fēng)速，減小系統(tǒng)壓降。

4 結(jié)論

1)通過優(yōu)化每根風(fēng)管的送風(fēng)格柵尺寸和位置、主風(fēng)管尺寸，可確保每列冷藏集裝箱送風(fēng)風(fēng)量和送風(fēng)位置滿足規(guī)范要求。由于需要采用CFD復(fù)算驗(yàn)證，設(shè)計(jì)階段的工作量會(huì)相應(yīng)增加。

2)靠上的每層貨艙平臺(tái)處包含高、低位兩個(gè)格柵，實(shí)際使用時(shí)，可根據(jù)冷藏集裝箱冷凝器的位置，分別啟閉兩個(gè)格柵，并通過調(diào)節(jié)手柄調(diào)整格柵角度，使得風(fēng)口對(duì)準(zhǔn)冷藏集裝箱1/3高度區(qū)域。采用兩個(gè)格柵會(huì)增加船廠成本及船員的工作量，如何在滿足風(fēng)管均流的基礎(chǔ)上減少格柵數(shù)量需要進(jìn)一步研究。

3)在裝載冷藏集裝箱的貨艙內(nèi)，由于熱空氣上升特性及冷凝器排風(fēng)扇擾流影響，冷藏集裝箱風(fēng)管附近溫度整體偏高，冷藏集裝箱散熱在通風(fēng)系統(tǒng)壓差的影響下往舷側(cè)百葉窗處聚集，在設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)需關(guān)注并優(yōu)化。

4)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)風(fēng)帽壓降值～65 Pa，排風(fēng)百葉窗處的壓降值可根據(jù)排風(fēng)風(fēng)速計(jì)算，結(jié)構(gòu)風(fēng)道段壓降可預(yù)估為70 Pa，送風(fēng)風(fēng)管段壓降為每列冷藏集裝箱數(shù)量×55 Pa，該壓降估值方式可供后續(xù)集裝箱船貨艙通風(fēng)系統(tǒng)參考。