淺析海洋平臺空調冷媒水系統生產設計

劉富均，彭 輝，崔酉麗，胡璐璐，王 倡

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715）

1 前言

我司承建的工程船和海洋平臺，生活區域空調系統一般采用冷媒水系統。用冷媒水作為冷卻介質，可有效地對制冷劑集中管理，減少制冷劑泄漏的概率和使用量，在變風量通風系統中具有較大優勢，是實現房間溫控個性化﹑提高艙室舒適度的常用方式。但冷媒水管路布置較長，且冷媒水作為流質的管路與傳統管路在原理設計﹑生產設計有較大區別。本文對幾型工程船和風電平臺冷媒水管路設計過程中遇到的問題進行分析，總結需要注意的問題，供后續冷媒水系統管路原理設計﹑生產設計參考。

2 冷媒水管路系統設計應注意的幾個因素

2.1 鋼質冷媒水管穿壁

冷媒水系統溫度通常在6～12 ℃之間，由于管路內流質溫度較低，鋼質冷媒水管穿過艙壁時如與艙壁直接焊接，則冷量將通過水管傳到艙壁，使艙壁溫度降到低于空氣露點，導致艙壁結露﹑大量凝水和冷量損失。為避免艙壁凝水和減少冷量損失，需對管路穿艙做好

保溫處理。

2.1.1冷媒水管穿防火或水密艙壁

當鋼質冷媒水管穿過防火或水密艙壁時，為確保艙壁被貫穿處防火或水密的完整性，以及防止冷媒水管的冷量傳給被穿艙壁，可選用隔熱型穿艙件。此類穿艙件在市場上有多種可供選擇，但綜合考慮穿艙件外形尺寸﹑價格和施工難易程度，可選用ROXTEC通艙件。該通艙形式避免管子與艙壁直接焊接，通過隔熱層隔離冷媒水管和艙壁，起到防止冷媒水管的冷量傳給被穿艙壁，同時此穿艙件能滿足水密性4 bar﹑氣密性2.5 bar﹑防火A60級，幾乎可在船舶和平臺的任何艙壁上使用。

在ROXTEC通艙件選型時，應根據冷媒水溫度和冷媒水管外徑，按下式計算隔熱層厚度，進而選擇ROXTEC型號：

式中：d—管道外徑，m；

δm—保溫層厚度，m；

t1—管道內冷介質（空氣或水）的溫度，℃；

t2—保溫層外表面接觸的空氣的干球溫度（用溫度計量取的環境溫度），℃；

tb—保溫層外表面接觸的空氣的露點溫度（根據船舶設計的夏季環境溫度和濕度在h-d圖上求取），℃。

2.1.2冷媒水管穿非水密或防火艙壁

因非水密或防火艙壁不起水密或防火作用，故當冷媒水管穿過此類艙壁時可以在貫穿處開孔而不必加隔熱通艙件。如圖1所示,當冷媒水管外徑為φd時，根據公式（1）可計算出保溫層厚度δm，則可在艙壁上開ΦD的貫穿孔，以便包覆保溫層的冷媒水管穿過。

圖1 冷媒水管絕熱包覆開孔示意圖

2.2 平衡閥安裝要求

在冷媒水系統中，由于不同甲板層上的AHU冷媒水進出管內壓力相差較大，為平衡各層水壓﹑保證電動三通閥靈敏控制水溫﹑有效利用冷卻水，需在系統中增加平衡閥。因平衡閥靠閥前后壓差調節閥芯開度進而控制冷媒水流量，故需盡量保證閥前后壓力穩定，防止流體出現紊流。

為控制流體出現紊流，在生產設計中除控制流體流速外，還必須在閥前后留有一定長度的直段管。一般要求閥進口直段管長度大于5倍管徑﹑閥出口直段管大于2倍管徑，且直段管內不應有其他閥附件。

2.3 空氣處理裝置泄放管

AHU機組正常運轉時，機組內部蒸發器將空氣溫度降到露點以下產生大量的凝水。AHU正常工作時內部呈負壓狀態，使得內部凝水無法正常排出而積聚在設備內影響正常工作。為使凝水順利排出，可采用管路U型彎與外界形成水封，如圖2所示，

圖2 空調冷凝水泄放示意圖

AHU內部壓力為P﹑大氣壓力為P0，當AHU運行時內部呈負壓狀態（P＜P0），若無U形彎凝水將積聚在AHU內而不能被排除。為克服AHU內部負壓，可在AHU凝水排口增加高為H的水柱，使H滿足下列公式：

式中：ρ—水的密度，103kg/m3；

g —重力加速度，9.8 m/s2。當AHU停止運行（P=P0）時，凝水管中的水柱高度將降低到0。為使下次運行AHU時凝水管中有水柱H平衡外界壓力，需做一個U型彎儲藏水，U型彎相關尺寸因滿足下列公式：

然而，因U型彎是靠其內部水柱平衡壓力，當AHU長期處于制熱工況時沒有凝水產生，且原儲藏的水在負壓下加快蒸發而減少，最終會導致U型彎內水柱高度H減小，在AHU下次使用制冷工況時必須對U型彎加水，使H值滿足式（2）。為便于U型彎加水時便于觀察水量是否足夠，凝水管不能直接接入地漏內。

為避免U型彎的缺點，可使用水封閥替代U型彎。當AHU運行時（P＜P0），塑料空心球在壓差（P0-P）下堵住水封閥隔板上的孔，AHU凝水可順利流到水封閥內部，當水封閥內水柱高度H滿足式（2）要求時凝水可順利排出，因水封閥靠球隔離AHU和外界，故AHU運行前不需在水封閥內加水。

2.4管路排氣閥和泄放閥

空調冷媒水系統是閉式循環系統。冷媒水在管路循環過程中，由于吸入管泄露或水中溶解的空氣析出導致系統內聚集氣體，聚集的空氣不僅在蒸發器處會降低換熱器換熱效率﹑擾亂流量穩定流動﹑降低平衡閥和電動三通閥對系統的精確控制，同時氣體流入冷媒水泵會對泵產生嚴重氣蝕，影響設備使用穩定性和壽命。雖然冷媒水系統中已有除氣裝置，但為了更高效排出系統中氣體，需在系統最高處（通常在AHU冷媒水回水管上）安裝排氣閥。

2.5管道布置及敷設原則

管道不應布置在熱源（如：熱水柜﹑煙囪﹑高散熱電機）上方，管道支﹑吊架布置時應考慮管路的彎曲位置，充分利用彎曲變形自然補充管路的伸縮。管路利用彎管自由補償時，滑動支架離固定支架與滑動之間的最大距離應滿足表1要求：

表1 自然補償管道支架之間的最大間距（mm）

管路變形補償方式，可選用自由臂補償形式和方形補償器形式，并結合變形量確定固定支架安裝位置。管路因溫差引起的變形量，可按下式計算：

式中：a--線膨脹系數；

L—管道轉彎處到固定之間距離，m；

t2—管道內水最低溫度（冷媒水溫度），℃；

t1— 管道安裝時的環境溫度（管道溫度等于環境溫度），℃；

ΔL—管子的伸縮量，mm。

管路補償時，管路自由壁Lz長度可按下式計算：

式中：K—材料常數；

dn—管道的公稱直徑，mm。

6 結語

冷媒水系統是閉式低溫系統，與其他系統有本質區別。在設計時要充分考慮管路系統水量補充﹑氣體排放﹑管路熱脹冷縮和遇空氣凝水等因素。管路設計放樣時，不能單從普通系統的設計經驗來判斷，避免造成后續大面積的修改。