水面艦艇彈庫空調(diào)通風(fēng)計算研究

王 洋 張 軒 董茂盛

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

水面艦艇彈庫空調(diào)通風(fēng)計算研究

王 洋 張 軒 董茂盛

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

水面艦艇彈庫是屬于DDA危險區(qū)域（易失火或爆炸），其安全性不僅關(guān)系艦艇的戰(zhàn)斗力，還關(guān)乎艦艇的生命力。彈庫空調(diào)通風(fēng)設(shè)計是彈庫設(shè)計的一項重要內(nèi)容。彈庫的空調(diào)通風(fēng)計算非常復(fù)雜，主要包括兩個方面：一是彈庫的熱負(fù)荷計算；二是彈庫的空氣處理過程計算。本文在總結(jié)分析以往經(jīng)驗公式的基礎(chǔ)上，開發(fā)了熱負(fù)荷計算軟件和彈庫空氣處理過程計算軟件，大大減少了設(shè)計人員的工作量，提高了工作效率，并為彈庫空調(diào)器的設(shè)計選型提供了依據(jù)。

彈藥艙；空調(diào)；計算

1 引言

水面艦艇彈庫屬于DDA危險區(qū)域（易失火或爆炸），其安全性［1，2］不僅關(guān)系艦艇的戰(zhàn)斗力，還關(guān)乎艦艇的生命力。彈庫的空調(diào)通風(fēng)設(shè)計是彈庫設(shè)計的一項重要內(nèi)容。彈庫空調(diào)通風(fēng)過程計算非常復(fù)雜，主要包括兩個方面：一是彈庫的熱負(fù)荷計算；二是彈庫的空氣處理過程計算。本文在總結(jié)分析以往經(jīng)驗公式的基礎(chǔ)上［3－5］，開發(fā)了熱負(fù)荷計算軟件和彈庫空氣處理過程計算軟件，大大減少了設(shè)計人員的工作量，提高了工作效率，并為彈庫空調(diào)器的設(shè)計選型提供了依據(jù)。

2 彈庫空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

彈庫的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)為獨立通風(fēng)系統(tǒng)。它的進(jìn)／排氣口、空調(diào)通風(fēng)設(shè)備以及系統(tǒng)控制均獨立于艦上其他通風(fēng)系統(tǒng)。彈庫內(nèi)的設(shè)計溫度不高于30℃，相對濕度約為50%±10%［6-10］。對彈庫進(jìn)行通風(fēng)換氣處理時，則要求換氣次數(shù)不小于20次／h，當(dāng)彈庫容積比較大時，我們往往采用空調(diào)通風(fēng)的形式，國內(nèi)大型水面艦艇的空調(diào)通風(fēng)形式有多種，下面我們針對應(yīng)用最為廣泛的一種形式進(jìn)行分析研究。彈庫空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)參見圖1。系統(tǒng)由空調(diào)器（包含送風(fēng)機(jī)）、排風(fēng)機(jī)、水密蝶閥、電動風(fēng)閥、管路和附件等組成，在設(shè)計時，也有把排風(fēng)機(jī)放置在空調(diào)器內(nèi)部做成一體的。彈艙空調(diào)器可實現(xiàn)對彈艙的空調(diào)、通風(fēng)工況的自動／手動轉(zhuǎn)換，其工況的轉(zhuǎn)換是通過切換電動風(fēng)閥開關(guān)和送、排風(fēng)機(jī)起停來實現(xiàn)的。系統(tǒng)在通向外界大氣的管路上設(shè)置水密蝶閥，可實現(xiàn)氣動／手動控制，平時處于常開狀態(tài)，當(dāng)三防工況時，全部關(guān)閉。當(dāng)彈庫通風(fēng)換氣時，打開電動風(fēng)閥1、3和4，關(guān)閉電動風(fēng)閥2，開啟防暴送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)，空調(diào)器此時對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷。當(dāng)彈庫處于空調(diào)狀態(tài)時，打開電動風(fēng)閥1、2，關(guān)閉電動風(fēng)閥3、4，開啟防暴送風(fēng)機(jī)，關(guān)停防暴排風(fēng)機(jī)，空調(diào)器對彈庫進(jìn)行冷卻降溫除濕。

圖1 彈庫空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)圖

3 彈庫空調(diào)通風(fēng)過程計算

3.1 彈庫熱負(fù)荷計算

彈庫的熱負(fù)荷主要由以下幾方面組成：滲入熱、風(fēng)機(jī)熱、設(shè)備熱、新風(fēng)熱和彈藥熱。當(dāng)彈庫進(jìn)行通風(fēng)換氣時，新風(fēng)熱負(fù)荷占主導(dǎo)地位，此時空調(diào)器只是對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷。當(dāng)彈庫處于空調(diào)工況、閉式循環(huán)時，空調(diào)器的熱負(fù)荷則不包含新風(fēng)熱。

3.1.1 彈藥熱

彈藥熱由彈庫存彈的種類和數(shù)量決定，彈藥熱計算公式為：

式中：G1為彈藥重量，kg；G2為發(fā)射藥重量，kg；G3為彈筒重量，kg；c1為彈藥比熱，kJ／kg·℃；c2為發(fā)射藥比熱，kJ／kg·℃；c3為彈筒比熱，kJ／kg·℃；n為彈數(shù)量；tn為艙內(nèi)溫度，℃；tw為艙外溫度，℃；E為彈被冷卻時間，h。

3.1.2 滲入熱

彈庫滲入熱的計算公式為：

式中：K為艙壁的傳熱系數(shù)，kW／m2·℃；A為艙壁面積，m2；αn為彈庫內(nèi)的空氣放熱系數(shù)，kW／m2·℃；αw為彈庫外的空氣放熱系數(shù)，kW／m2·℃；k為彈庫壁結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，kW／m2·℃。

3.1.3 新風(fēng)熱

新風(fēng)熱的計算公式為：

式中：ρ為空氣密度，kg／m3；Vnew為新風(fēng)量，m3／s；Iw為艙外空氣焓，kJ／kg；In為空調(diào)區(qū)內(nèi)空氣焓，kJ／kg。

3.1.4 其它熱量

設(shè)備熱是彈庫內(nèi)的設(shè)備發(fā)熱量，一般由以下幾部分組成：電動機(jī)及驅(qū)動設(shè)備散發(fā)的熱量和照明熱。此部分熱量一般由設(shè)備研制單位提供。風(fēng)機(jī)熱參見公式（5）。

3.2 彈庫空氣處理過程分析計算

下面對整個空氣處理過程進(jìn)行分析。彈庫空氣處理過程參見圖2。

圖2 彈庫空氣處理過程圖

圖2中，點1為空氣進(jìn)空調(diào)器（進(jìn)冷卻器）狀態(tài)點；點2為空氣出冷卻器狀態(tài)點；點n為空調(diào)區(qū)中狀態(tài)點；點h為空調(diào)區(qū)回風(fēng)狀態(tài)點（進(jìn)抽風(fēng)機(jī)）。

3.2.1 計算空氣進(jìn)空調(diào)器的干球溫度

式中：QF為送風(fēng)機(jī)熱，kW；H為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；V為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3／s；η為風(fēng)機(jī)效率；CP為空氣比熱，kJ／kg℃；ΔTh為回風(fēng)溫升，℃；ΔTF為風(fēng)機(jī)溫升，℃；Tn為空調(diào)區(qū)干球溫度，℃；T1為空氣進(jìn)空調(diào)器 （進(jìn)冷卻器）干球溫度，℃。

3.2.2 計算空氣出空調(diào)器干球溫度

計算送風(fēng)溫差：

式中：QX為空調(diào)區(qū)顯熱，kW；ΔTSF為送風(fēng)溫差，℃；T2為出空調(diào)器溫度，℃。

3.2.3 計算冷卻器露點溫度

式中：TS為冷卻器露點溫度，℃；E為盤管接觸系數(shù)。

3.2.4 計算冷卻器露點焓

冷卻器露點焓的計算公式為：

式中：DS為冷卻器露點含濕量，g／kg；x為中間變量；IS為冷卻器露點焓，kJ／kg。

3.2.5 計算空調(diào)區(qū)焓值

由公式（14）、（15）、（16）得空調(diào)區(qū)空氣焓的計算公式

式中：I1為空調(diào)器進(jìn)風(fēng)焓，kJ／kg；I2為空調(diào)器出風(fēng)焓，kJ／kg；ΔIF為空氣經(jīng)過風(fēng)機(jī)焓升，kJ／kg；In為空調(diào)區(qū)的空氣焓，kJ／kg；Qn為彈庫全熱（包括潛熱和顯熱），kW；ΔIh為回風(fēng)焓升，kJ／kg。

4 軟件開發(fā)

根據(jù)以上分析計算開發(fā)了熱負(fù)荷計算軟件和彈庫空氣處理過程計算軟件。

4.1 熱負(fù)荷計算軟件

彈庫的熱負(fù)荷計算同一般艙室的熱負(fù)荷計算基本一致，所以在編制熱負(fù)荷計算軟件時，功能進(jìn)行了擴(kuò)展，適用于全船所有艙室的熱負(fù)荷計算。熱負(fù)荷計算軟件界面如圖3和圖4所示。軟件功能簡述如下：在艙室參數(shù)一欄，輸入“艙室名稱”、“艙室編號”、“人數(shù)”、“艙室面積”、“儀器熱”、“計入儀器熱”、“夏季設(shè)定溫度”和“冬季設(shè)定溫度”，在計算彈庫熱量時，把彈藥熱輸入到“計入儀器熱”中；在相鄰艙室參數(shù)一欄，輸入“相鄰艙室名稱”、“艙壁面積”、“傳熱系數(shù)”、“夏季設(shè)定溫度”和“冬季設(shè)定溫度”，其中傳熱系數(shù)的輸入?yún)⒁妶D5，通過“添加”和“刪除”項把相應(yīng)的傳熱系數(shù)取值輸入到表格中，在熱負(fù)荷計算的界面，只需要選擇相應(yīng)的代號即可；在熱負(fù)荷計算界面通過“添加”和“修改”鍵添加和修改艙室參數(shù)及相鄰艙室參數(shù)；當(dāng)所有數(shù)據(jù)輸入完畢，點擊“計算”，程序計算并把整個空調(diào)區(qū)域和每個艙室的顯熱、潛熱和人數(shù)等數(shù)據(jù)輸出到“輸出區(qū)域”，也可通過“保存”鍵以“.exl文件”的形式進(jìn)行保存；當(dāng)再次打開文件時，選擇“打開”鍵。

圖3 熱負(fù)荷計算軟件界面

圖4 傳熱系數(shù)取值界面

4.2 彈庫空氣處理過程計算軟件

彈庫主要在夏季進(jìn)行空調(diào)通風(fēng)，在其他季節(jié)進(jìn)行通風(fēng)換氣。彈庫空氣處理過程計算軟件界面如圖5和圖6。軟件功能簡述如下：在已知條件欄中輸入 “空調(diào)區(qū)全熱熱負(fù)荷”、“空調(diào)區(qū)顯熱熱負(fù)荷”、“回風(fēng)溫升”、“外界大氣干球溫度”和“空調(diào)區(qū)干球溫度”，“空調(diào)區(qū)全熱熱負(fù)荷”和“空調(diào)區(qū)顯熱熱負(fù)荷”可由熱負(fù)荷計算軟件計算得到；在空調(diào)器參數(shù)一欄輸入 “接觸系數(shù)”、“風(fēng)機(jī)全壓”、“風(fēng)機(jī)風(fēng)量”、“風(fēng)機(jī)的全壓效率”、“制冷量”和“風(fēng)機(jī)的電機(jī)效率”；點擊“計算”鍵，程序?qū)照{(diào)區(qū)各點狀態(tài)進(jìn)行計算，結(jié)果顯示在“計算結(jié)果”一欄中；按“圖面標(biāo)注”可輸出圖形如圖2；按“風(fēng)量調(diào)整”鍵，出現(xiàn)界面圖6，在此界面中，通過輸入空調(diào)區(qū)內(nèi)各個艙室的“艙室名稱”、“艙室顯熱”、“艙室潛熱”和“調(diào)整后艙室送風(fēng)量”可計算出每個房間的狀態(tài)參數(shù)，也可通過“導(dǎo)入”鍵把熱負(fù)荷計算軟件的計算結(jié)果導(dǎo)入進(jìn)來，程序會自動把每個艙室的參數(shù)輸入到“夏季風(fēng)量調(diào)整”界面中。

圖5 彈庫夏季空氣處理過程軟件界面

5 結(jié)論

本文在總結(jié)分析以往經(jīng)驗公式的基礎(chǔ)上，開發(fā)了熱負(fù)荷計算軟件和彈庫空氣處理過程計算軟件。此軟件在某型艦的彈庫空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中得到了具體應(yīng)用，計算結(jié)果準(zhǔn)確，節(jié)省了大量的時間和人力，大大縮短了設(shè)計周期。

圖6 彈庫風(fēng)量風(fēng)量分配軟件界面

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Air Condition and Ventilation Calculation of Ammunition Magazine in Surface Ships

Wang Yang Zhang Xuan Dong Mao－Sheng
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The ammunition cabin in surface naval vessels is among the DDA risk areas （easy to catch fire or to detonate）.The fighting capability and the vitality of the vessels are highly depending on the security of the ammunition cabin.Ventilation of the air conditioner for the ammunition cabin is critical in design.The computation is very complicated and has two major concerns： （1）the heat load and（2）the air treatment process.Based on the empirical formulae，a code was developed to compute the heat load and the air condition so as to reduce the designer＇s workload and increase the work efficiency significantly.The results can provide foundations for the design and the selection of the air condition unit.

ammunition magazine；air condition；calculation

U664.51

A

1673－3185（2009）03－70－04

2008-05-06

王 洋（1981－），男，助理工程師，碩士。研究方向：船舶系統(tǒng)。E-mail：Philips_king＠163.com