噴氣燃料罐式集裝箱水冷系統(tǒng)設(shè)計與計算

閻 煉，王 琦

（92942 部隊，北京 100161）

0 引言

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

某直升機保障系統(tǒng)采用集裝箱式結(jié)構(gòu)，可臨時加裝在船只甲板面上，使其具備直升機加油等保障能力。為實現(xiàn)可移動和快速加裝，該系統(tǒng)采用專用罐式集裝箱存儲噴氣燃料，相對于常規(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，存儲的噴氣燃料在日曬高溫環(huán)境中容易升溫過高，一方面油料溫度高時揮發(fā)性強，存在安全隱患［1-2］，另一方面油溫長時間處于過高狀態(tài)容易引起油料變質(zhì)，均對直升機使用安全造成影響。為解決上述問題，在罐式集裝箱設(shè)計中加入水冷系統(tǒng)，在油溫超過安全閾值時開啟進行降溫。上述水冷系統(tǒng)的設(shè)計和分析計算是罐式集裝箱設(shè)計中的關(guān)鍵點，對于噴氣燃料水冷效果，以及對船只淡水存儲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)計與計算，提出噴氣燃料罐式集裝箱水冷設(shè)計及計算的一般方法。

1 水冷系統(tǒng)工作環(huán)境和技術(shù)形式

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于地面油罐／化工品罐在火災(zāi)條件下的消防水冷問題進行了大量分析研究［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)油溫過高的危險。

一般化工廠區(qū)，環(huán)境溫度最高不超過45 ℃，太陽輻射強度最高約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51 ℃，太陽輻射強度最高可達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)油料溫度升高超過閃點，引起事故危險。常用的水冷卻裝置技術(shù)形式主要有水噴淋式、水噴霧式、罐壁配水流動式［9］。

水噴淋方式是沿罐箱上半部安裝一個環(huán)形水管，管中開多個小孔。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，水管閥門自動開啟，冷卻水通過小孔向油罐箱各部位進行噴淋，從而達到降低罐壁溫度、罐內(nèi)油料溫度與壓力的目的，以保護球罐不受破壞。水噴霧系統(tǒng)是在水噴淋基礎(chǔ)上發(fā)展改進的，它是利用高壓水經(jīng)過專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，因為換熱面積大，水滴將會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、流速進行流動，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間，達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，維護比較困難，且容易對油罐箱外壁造成腐蝕、生銹。而罐壁配水流動式單閥起動快，冷卻水不與油罐箱外壁直接接觸，對其無銹蝕風(fēng)險，且冷卻水可二次循環(huán)使用，缺點是單次吸收熱量有限，一次冷卻效果不佳，但其可長時間循環(huán)冷卻工作，累計吸收熱量較多，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)計中采用罐壁配水流動式水冷設(shè)計。

2 油罐箱冷卻水相關(guān)規(guī)范

對于噴氣燃料罐式集裝箱的罐壁配水流動式水冷設(shè)計，關(guān)鍵問題之一是冷卻水供給量的計算。國內(nèi)對油罐冷卻裝置以及冷卻水供給量、供給強度等具有相關(guān)的標準規(guī)范。例如原《GBJ74-84石油庫設(shè)計規(guī)范》提出，采用固定冷卻方式時，著火油罐為固定頂及浮盤為淺盤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度為2.0 L／（min·m2），相鄰油罐冷卻水供給強度為1.0 L／（min·m2）。后續(xù)提出的《GB50160-2008 石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》以及《GB50074-2011石油庫設(shè)計規(guī)范》，規(guī)定油罐冷卻水的供給強度同樣為2.0 L／（min·m2）。而參考國外相關(guān)標準規(guī)范，例如美國消防協(xié)會《NFPA-152007水噴霧固定系統(tǒng)防火標準》，冷卻水供給強度為10.2 L／（min·m2）。相比之下，國內(nèi)外對油罐箱冷卻水供給量的規(guī)范存在較大差異，我國相關(guān)規(guī)范的合理性有待進一步研究。

此外，我國相關(guān)標準對冷卻水供給范圍的規(guī)定也不盡相同。目前，我國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有關(guān)，不考慮油罐的高度。通過對比石化行業(yè)和建筑行業(yè)對冷卻水供給范圍、供給強度以及數(shù)值單位的規(guī)定，可發(fā)現(xiàn)石化行業(yè)和建筑行業(yè)對上述內(nèi)容的要求存在較大差異［10］。由此可見，對于噴氣燃料罐式集裝箱的水冷設(shè)計，不可僅參考某一標準規(guī)范確定冷卻水供給量，須按照實際油罐尺寸、使用環(huán)境等因素進行分析計算。

3 冷卻水供給量計算

某型噴氣燃料罐式集裝箱儲存的高閃點噴氣燃料密度約0.84 ×103kg／m3，閃點大于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 ℃，太陽輻射最大強度為1 120 W／m2，上述極端環(huán)境溫度和太陽輻射每天持續(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40 ℃時，水冷系統(tǒng)自動開啟工作并進行降溫，經(jīng)冷卻系統(tǒng)運行后，冷卻水溫升10 ℃。

罐箱附近無大功率發(fā)熱設(shè)備，故系統(tǒng)外部熱負荷主要有環(huán)境溫差傳導(dǎo)熱負荷P1與太陽輻射熱負荷P2，系統(tǒng)內(nèi)部熱負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，此時冷卻水僅需抵消外部熱負荷。

（2）極端工況：外界溫度55 ℃，太陽輻射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 ℃，此時冷卻水需抵消外部熱負荷，并吸收油料降溫所需散熱量。

3.1 溫差傳導(dǎo)熱負荷P1 計算

罐箱尺寸（長×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 ℃，此時油罐箱內(nèi)外環(huán)境溫度差傳導(dǎo)熱負荷計算公式為：

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)計算，溫差傳導(dǎo)熱負荷P1＝1 101 W。

3.2 太陽輻射熱負荷P2 計算

太陽照射可產(chǎn)生輻射熱，由于太陽對罐箱的照射任何時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個表面積（正面、側(cè)面、上表面）之和，太陽照射通過箱壁傳入箱內(nèi)輻射熱負荷按下式計算：

式中：Si為油罐箱第i個受照射面面積，m2；Es為太陽輻射強度，取1 120 W／m2；λ為輻射熱吸收率。

經(jīng)計算，太陽輻射熱負荷P2＝986 W。

3.3 油溫降低所需散熱量Q1 計算

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)計算，油溫降低所需散熱量Q1＝5.88×108J。

3.4 冷卻水供給量計算

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荷，即溫差傳導(dǎo)熱負荷P1與太陽輻射熱負荷P2。水冷散熱平衡計算公式［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)每天最大工作時長為10 h，一天的冷卻水最小用量為1 788 L≈1.79 m3。

最惡劣工況下，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荷與內(nèi)部熱負荷之和。冷卻水供給量一部分抵消外部熱負荷，一部分吸收油溫降低所需散熱量。抵消外部熱負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算公式為：

式中：V2為所需冷卻水體積，m3。

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

通過對罐箱樣機模擬極端環(huán)境條件下的冷卻試驗，試驗中冷卻水供給量約17.5 m3，與計算結(jié)果相差約9.7%，考慮試驗中的誤差因素，可認為計算結(jié)果可靠準確。

4 冷卻水供給量一般計算流程

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

圖1 冷卻水供給量一般計算流程

（1）明確系統(tǒng)基本參數(shù)，如油料類別、密度、比熱容、油罐箱大小、有效容積、系統(tǒng)工作時長、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、太陽輻射強度等。

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

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

（5）按不同工況，分項計算各類型的熱負荷大小。

（6）綜合各項熱負荷，計算系統(tǒng)所需冷卻水總量。

5 結(jié)束語

本文探討了存儲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，提出針對甲板上噴氣燃料罐式集裝箱水冷系統(tǒng)的技術(shù)形式。簡要分析了國內(nèi)油罐箱冷卻水相關(guān)規(guī)范現(xiàn)狀，結(jié)合某直升機保障系統(tǒng)中的噴氣燃料罐式集裝箱的特點，對噴氣燃料罐式集裝箱的水冷系統(tǒng)進行設(shè)計與計算，計算內(nèi)容包括溫差傳導(dǎo)熱負荷計算、太陽輻射熱負荷計算、油溫降低所需散熱量計算以及冷卻水供給量計算，提出了噴氣燃料罐箱水冷系統(tǒng)設(shè)計與冷卻水供應(yīng)量的一般計算流程。該計算結(jié)果與罐箱樣機甲板冷卻試驗結(jié)果基本一致，可為類似水冷系統(tǒng)的設(shè)計和冷卻水供給量計算提供參考。