大型郵輪結構風道設計優化

項紹行,劉明,錢希鴻

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

國內首制大型郵輪,對風量有極大的需求,但是現有的風管尺寸難以滿足風量的運輸,依托船體結構設計的結構風道應運而生。全船設計有80多條結構風道,總長度達2 500 m,可以支持輸送較大風量,減少風管的使用,提高空間的利用。本文根據郵輪規格書和ISO-7547對ACS.15.5.1和ACS.15.5.2空調站控制的艙室進行風量計算,并與芬坎蒂尼提供的郵輪詳細設計數據進行對比。同時,要保證結構風道的正常使用,需要保持結構風道的貫通性,所以提出了加快貫通性檢查的方法,解決貫通性檢查的難題。

1 結構風道的作用

結構風道主要有兩種作用:機械送/排風、空調送/排風。

1.1 機械送/排風

結構風道用于機械送風時,需要在通風末端安裝除水裝置和通風百葉窗,保證進入結構風道空氣的干燥性。而用于機械排風時,只需要在通風末端安裝通風百葉窗即可,保證在風機停止運行時,外界的灰塵不進入結構風道內。機械送風結構風道及機械排風結構風道分別見圖1、2。

圖1 機械送風結構風道

圖2 械排風結構風道

1.2 空調送/排風

結構風道用于空調器送/排風時,若周圍艙室有噪音要求,需要在內部加裝消音片,對其進行降噪處理。同時送風管末端需要安裝除水裝置和百葉窗,排風管末端安裝通風百葉窗。圖3是空調送/排風結構風道。

圖3 空調送/排風結構風道

2 結構風道設計計算

2.1 結構風道設計條件

以居住艙室為例,由于郵輪規格書規定乘客艙室需要配備風機盤管,所以乘客艙室的新風量只需滿足和廁所抽風量平衡。以船員艙室為例,對艙室進行熱負荷計算。

空調系統設計工況。

夏季:室外35 ℃-80%R.H;室內24 ℃(中庭甲板3-4-5,24.7 ℃)-55%R.H.

冬季:室外0.5 ℃;室內 23 ℃;

海水溫度:32 ℃;最低海水溫度:0 ℃;

服務處所基礎工況(廚房、洗衣房和配餐室),應按表1要求設計。

表1 空調系統設計條件

2.2 熱傳遞

2.2.1 計算方法

對于每個單獨表面,傳遞損失或增加按公式(1)計算,單位為W。

φ=ΔT·k·A

(1)

式中:ΔT為空氣溫差,K,(對于有空調和無空調內部艙室之間的空氣溫差見2.3);k為面積A的總傳熱系數,W/(m2·K);A為艙壁的表面積,m2。

2.2.2 總傳熱系數

總傳熱系數值見表2,是假定露天的或與熱的或冷的處所相鄰的,或與熱設備或熱管系相鄰的所有表面設有合適的隔熱層的情況下求得的。除船東另有規定外,應選用表2中的數值。其他情況,系數計算方法見式(2)。

表2 總傳熱系數 W/(m2·K)

2.2.3 傳熱系數計算

(2)

式中:k為總傳熱系數,W/(m2·K);α為傳熱表面空氣放熱系數,W/(m2·K),風速為20 m/s時的外露表面α=80 W/(m2·K);風速為0.5 m/s時的內露表面α=8 W/(m2·K);d為隔熱材料厚度,m;λ為各隔熱層材料導熱系數,W/(m·K);ML為空氣層熱阻,m2·K/W;Mb為不同材料層之間的熱阻,單位為(m2·K/W);μ為鋼結構的修正系數,相同厚度的平面狀隔熱時,μ=1.2;相同厚度的波紋狀隔熱時,μ=1.45。

2.2.4 人體熱增量

室內在27 ℃的氣溫條件下,人體散發的潛熱和顯熱值見表3規定。

表3 人體活動程度和散熱量 W

2.2.5 照明及其他熱源熱增量

利用日光的處所,照明產生的熱增量可以忽略不計。無日光的處所照明熱負荷按船東建議或有關權力機構規定的額定功率計算。當船東或有關權力機構對額定輸出功率沒有規定時,一般照明熱負荷則按表4的數值選用,已考慮有關照明要求。

表4 一般照明的熱增量 W/m2

2.3 空調艙室送風量計算

2.3.1 根據換氣次數確定送風

qv=n·V

(3)

式中:n為艙室的換氣次數;V為艙室容積。

2.3.2 夏季工況各艙室熱平衡所需送風量

(4)

式中:q′v為每個艙室夏季工況熱平衡所需送風量,m3/h;qs為每個空調艙室艙內顯熱的熱量,W;Ca為空氣質量熱容,1 005 J/kg·K;ρa為空氣密度,1.2 kg/m3;ΔT為夏季空調設計送風溫差,常取10 K。

2.3.3 冬季采暖工況各艙室熱平衡所需送風量

(5)

式中,q″v為每個艙室冬季工況熱平衡所需送風量,m3/h;q′為每個空調艙室艙內顯熱的熱量,W;Ca為空氣質量熱容,1 005 J/kg·K;ρa為空氣密度,1.2 kg/m3;ΔT′為冬季采暖溫差(≤22 K)。

2.3.4 艙室送風量計算

各空調艙室送風量,從式(3)、(4)及(5)計算結果中取大值,見表5。

表5 艙室送風量計算書

從表5可以看出,兩人間的船員艙室,換氣次數為每小時8次,根據換氣次數確定的送風量為

111.78 m3/h,夏季工況下該艙室熱平衡所需送風量為57.08 m3/h,冬季采暖工況下該艙室熱平衡所需送風量為19.5 m3/h。根據風量計算原則取最大值,確定該艙室送風量為111.78 m3/h。H1508船設計送風量是111.6 m3/h,與本節設計的送風量誤差僅為0.16%。

根據上述內容,可以計算出空調站對應的艙室的風量,見表6。

表6 艙室送風量計算匯總表 m3/h

根據大型郵輪規格書以及ISO-7547規范,對ACS.15.5.1和ACS.15.5.2空調站控制的艙室進行風量計算,并與大型郵輪詳設圖紙中所給的風量進行對比,計算誤差控制在10%以內。分析認為造成誤差的原因主要有兩點:①對于有換氣次數要求的艙室,本文提供的艙室底面積與紛坎蒂尼船廠提供的底面積數據有誤差;②對于無換氣次數要求的艙室,本文在定義設備熱時與紛坎蒂尼船廠不一致。匯總計算后可以得出ACS.15.5.1空調站所需的進風量為17 229.29 m3/h,H1508設計風量為16 999.2 m3/h,誤差為0.14%;ACS.15.5.2空調站所需的進風量為19 405.97 m3/h,H1508設計風量18 907.2 m3/h,誤差為0.26%。

2.4 結構風道設計

ACS 15.5.1和ACS 15.5.2空調站對風量要求較高,若采用風管的形式給空調站進風,由于風管截面積較大,會減小其他專業的鐵舾件的布置空間。所以依托船體結構搭建結構風道可以減少布置空間的侵占,由于結構風道通常是矩形結構,所以根據郵輪規格書,帶絕緣的結構風道的最大風速要低于10 m/s,不帶絕緣的結構風道的最大風速要低于8 m/s。結構風道分為單用和多用兩種類型。當結構風道只用于ACS 15.5.1空調站進風時,結構風道設計的最小截面積為0.48 m2;當結構風道只用于ACS 15.5.2空調站進風時,結構風道設計的最小截面積為0.54 m2;兩者共用的結構風道設計的最小截面積為1.02 m2。當結構風道截面積變化較大時,需要在結構風道內部增加導流板,減少內部氣流壓力和流速變化造成的噪音和振動。

3 結構風道貫通性檢查

結構風道是由艙壁和甲板圍成的密封通道,在大型郵輪中,大部分結構風道通常要跨越幾層甚至十幾層甲板區域,所以結構風道內部與甲板、艙壁接觸的地方需要開孔,保持結構風道的貫通。但是在建模過程中,若漏開孔,導致結構風道內部氣體不流通,需要投入一定的人力對結構風道模型進行檢查。由于Smart 3D軟件視圖的光影效果不是很理,所以貫通性檢查會比較困難,而且在多條結構風道交匯處,容易遺漏一些關鍵位置的開孔檢查。因此,提出兩種方法用于檢查結構風道貫通性。

1)根據第2章計算的結構風道風量分配結果,利用Smart 3D軟件,提出一種結構風道貫通性檢查的數學模型,用于檢查結構風道模型的封堵情況,減少施工后期因結構風道封堵而造成的返工問題。同時根據輸入輸出的風量,計算每個結點處的風速,并與實船數據進行對比,用于驗證第2章風量計算模型的準確性。

2)根據Smart 3D軟件的原功能,在結構風道模型內部建立風管模型,利用實體模型發生干涉時會出現紅色球體的特性,檢查結構風道的貫通性。

3.1 數學模型法

根據3D模型繪制結構風道模型見圖4。

圖4 結構風道模型示意

根據圖4建立計算模型。

(6)

式中:Q為結構風道總進風量,m3/h;Qi,j為單層甲板單個出風口所需送風量,m3/h;n為結構風道涉及的甲板層數,個;m為結構風道在各層甲板的出風口數量,個。

在結構風道與甲板的交界處設置測量點,用于測量交界處的風量Qk。

(7)

式中:Qk為交界處的風量,m3/h;k為甲板數減1。

當結構風道模型的某一處發生封堵,該處的風量Qi,j=0,該層與下層甲板交界處的風量就會增加,將風量與第2章的設計風量做對比可快速判斷該層結構風道是否有封堵的現象,提高結構風道貫通性檢查的效率。

3.2 內部建管法

3.2.1 內部建管規則

1)風管與結構風道統一命名規則。

一個結構風道對應一根風管,風管的命名與結構風道相同。

2)風管建模規則。

(1)風管盡量建在結構風道內部中心位置。

(2)風管從結構風道的進口開始建模,到結構風道出口結束。有些結構風道內部會進行分流,需要將風管分成兩路建模。

(3)有些結構風道內部安裝了插片式消音器,風管建模過程中要避免與消音器發生干涉。

(4)風管直徑為160 mm,該直徑是系統默認的常用風管直徑,方便操作,直徑160 mm的風管可以從消音片的空隙穿過,不發生干涉。

3.2.2 內部建管優勢

在S3D軟件中,實體模型發生干涉時,會出現紅色球體,提醒操作人員此處發生干涉。利用此特性,可以快速檢查結構風道內部的開孔情況,提高結構風道貫通性檢查的效率。風管與未開孔的結構干涉圖見圖5。

圖5 風管與未開孔的結構干涉圖

風管與結構發生干涉,此處的結構需要拆除,保持結構風道的貫通性。說明結構風道內部建管具有一定的價值用于提高人工檢查的準確率,降低現場后期施工的難度。

同時,由于結構風道參考模型沒有像風管一樣建立一一對應的目錄,只能一次性調取整層甲板上所有的結構風道,不利于結構風道一對一檢查。所以,根據3.2.1的規則,通過結構風道內部的風管可快速定位對應的結構風道,方便操作人員觀察結構風道模型。最后,通過測量風管的長度來估算結構風道的長度。

4 結論

關于大型郵輪結構風道的詳細設計還在探索中,根據郵輪規格書和ISO-7547將計算風量與芬坎蒂尼船廠的設計風量進行對比,分析其中的異同點,優化結構風道風量的計算方法,有助于推進結構風道詳細設計。并且,利用計算結果提出的數學模型法以及結構風道內部建管法,可以提高貫通性檢查的效率,加快郵輪生產設計的進程。