项绍行,刘明,钱希鸿

(上海外高桥造船有限公司,上海 200137)

国内首制大型邮轮,对风量有极大的需求,但是现有的风管尺寸难以满足风量的运输,依托船体结构设计的结构风道应运而生。全船设计有80多条结构风道,总长度达2 500 m,可以支持输送较大风量,减少风管的使用,提高空间的利用。本文根据邮轮规格书和ISO-7547对ACS.15.5.1和ACS.15.5.2空调站控制的舱室进行风量计算,并与芬坎蒂尼提供的邮轮详细设计数据进行对比。同时,要保证结构风道的正常使用,需要保持结构风道的贯通性,所以提出了加快贯通性检查的方法,解决贯通性检查的难题。

1 结构风道的作用

结构风道主要有两种作用:机械送/排风、空调送/排风。

1.1 机械送/排风

结构风道用于机械送风时,需要在通风末端安装除水装置和通风百叶窗,保证进入结构风道空气的干燥性。而用于机械排风时,只需要在通风末端安装通风百叶窗即可,保证在风机停止运行时,外界的灰尘不进入结构风道内。机械送风结构风道及机械排风结构风道分别见图1、2。

图1 机械送风结构风道

图2 械排风结构风道

1.2 空调送/排风

结构风道用于空调器送/排风时,若周围舱室有噪音要求,需要在内部加装消音片,对其进行降噪处理。同时送风管末端需要安装除水装置和百叶窗,排风管末端安装通风百叶窗。图3是空调送/排风结构风道。

图3 空调送/排风结构风道

2 结构风道设计计算

2.1 结构风道设计条件

以居住舱室为例,由于邮轮规格书规定乘客舱室需要配备风机盘管,所以乘客舱室的新风量只需满足和厕所抽风量平衡。以船员舱室为例,对舱室进行热负荷计算。

空调系统设计工况。

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

冬季:室外0.5 ℃;室内 23 ℃;

海水温度:32 ℃;最低海水温度:0 ℃;

服务处所基础工况(厨房、洗衣房和配餐室),应按表1要求设计。

表1 空调系统设计条件

2.2 热传递

2.2.1 计算方法

对于每个单独表面,传递损失或增加按公式(1)计算,单位为W。

φ=ΔT·k·A

(1)

式中:ΔT为空气温差,K,(对于有空调和无空调内部舱室之间的空气温差见2.3);k为面积A的总传热系数,W/(m2·K);A为舱壁的表面积,m2。

2.2.2 总传热系数

总传热系数值见表2,是假定露天的或与热的或冷的处所相邻的,或与热设备或热管系相邻的所有表面设有合适的隔热层的情况下求得的。除船东另有规定外,应选用表2中的数值。其他情况,系数计算方法见式(2)。

表2 总传热系数 W/(m2·K)

2.2.3 传热系数计算

(2)

式中:k为总传热系数,W/(m2·K);α为传热表面空气放热系数,W/(m2·K),风速为20 m/s时的外露表面α=80 W/(m2·K);风速为0.5 m/s时的内露表面α=8 W/(m2·K);d为隔热材料厚度,m;λ为各隔热层材料导热系数,W/(m·K);ML为空气层热阻,m2·K/W;Mb为不同材料层之间的热阻,单位为(m2·K/W);μ为钢结构的修正系数,相同厚度的平面状隔热时,μ=1.2;相同厚度的波纹状隔热时,μ=1.45。

2.2.4 人体热增量

室内在27 ℃的气温条件下,人体散发的潜热和显热值见表3规定。

表3 人体活动程度和散热量 W

2.2.5 照明及其他热源热增量

利用日光的处所,照明产生的热增量可以忽略不计。无日光的处所照明热负荷按船东建议或有关权力机构规定的额定功率计算。当船东或有关权力机构对额定输出功率没有规定时,一般照明热负荷则按表4的数值选用,已考虑有关照明要求。

表4 一般照明的热增量 W/m2

2.3 空调舱室送风量计算

2.3.1 根据换气次数确定送风

qv=n·V

(3)

式中:n为舱室的换气次数;V为舱室容积。

2.3.2 夏季工况各舱室热平衡所需送风量

(4)

式中:q′v为每个舱室夏季工况热平衡所需送风量,m3/h;qs为每个空调舱室舱内显热的热量,W;Ca为空气质量热容,1 005 J/kg·K;ρa为空气密度,1.2 kg/m3;ΔT为夏季空调设计送风温差,常取10 K。

2.3.3 冬季采暖工况各舱室热平衡所需送风量

(5)

式中,q″v为每个舱室冬季工况热平衡所需送风量,m3/h;q′为每个空调舱室舱内显热的热量,W;Ca为空气质量热容,1 005 J/kg·K;ρa为空气密度,1.2 kg/m3;ΔT′为冬季采暖温差(≤22 K)。

2.3.4 舱室送风量计算

各空调舱室送风量,从式(3)、(4)及(5)计算结果中取大值,见表5。

表5 舱室送风量计算书

从表5可以看出,两人间的船员舱室,换气次数为每小时8次,根据换气次数确定的送风量为

111.78 m3/h,夏季工况下该舱室热平衡所需送风量为57.08 m3/h,冬季采暖工况下该舱室热平衡所需送风量为19.5 m3/h。根据风量计算原则取最大值,确定该舱室送风量为111.78 m3/h。H1508船设计送风量是111.6 m3/h,与本节设计的送风量误差仅为0.16%。

根据上述内容,可以计算出空调站对应的舱室的风量,见表6。

表6 舱室送风量计算汇总表 m3/h

根据大型邮轮规格书以及ISO-7547规范,对ACS.15.5.1和ACS.15.5.2空调站控制的舱室进行风量计算,并与大型邮轮详设图纸中所给的风量进行对比,计算误差控制在10%以内。分析认为造成误差的原因主要有两点:①对于有换气次数要求的舱室,本文提供的舱室底面积与纷坎蒂尼船厂提供的底面积数据有误差;②对于无换气次数要求的舱室,本文在定义设备热时与纷坎蒂尼船厂不一致。汇总计算后可以得出ACS.15.5.1空调站所需的进风量为17 229.29 m3/h,H1508设计风量为16 999.2 m3/h,误差为0.14%;ACS.15.5.2空调站所需的进风量为19 405.97 m3/h,H1508设计风量18 907.2 m3/h,误差为0.26%。

2.4 结构风道设计

ACS 15.5.1和ACS 15.5.2空调站对风量要求较高,若采用风管的形式给空调站进风,由于风管截面积较大,会减小其他专业的铁舾件的布置空间。所以依托船体结构搭建结构风道可以减少布置空间的侵占,由于结构风道通常是矩形结构,所以根据邮轮规格书,带绝缘的结构风道的最大风速要低于10 m/s,不带绝缘的结构风道的最大风速要低于8 m/s。结构风道分为单用和多用两种类型。当结构风道只用于ACS 15.5.1空调站进风时,结构风道设计的最小截面积为0.48 m2;当结构风道只用于ACS 15.5.2空调站进风时,结构风道设计的最小截面积为0.54 m2;两者共用的结构风道设计的最小截面积为1.02 m2。当结构风道截面积变化较大时,需要在结构风道内部增加导流板,减少内部气流压力和流速变化造成的噪音和振动。

3 结构风道贯通性检查

结构风道是由舱壁和甲板围成的密封通道,在大型邮轮中,大部分结构风道通常要跨越几层甚至十几层甲板区域,所以结构风道内部与甲板、舱壁接触的地方需要开孔,保持结构风道的贯通。但是在建模过程中,若漏开孔,导致结构风道内部气体不流通,需要投入一定的人力对结构风道模型进行检查。由于Smart 3D软件视图的光影效果不是很理,所以贯通性检查会比较困难,而且在多条结构风道交汇处,容易遗漏一些关键位置的开孔检查。因此,提出两种方法用于检查结构风道贯通性。

1)根据第2章计算的结构风道风量分配结果,利用Smart 3D软件,提出一种结构风道贯通性检查的数学模型,用于检查结构风道模型的封堵情况,减少施工后期因结构风道封堵而造成的返工问题。同时根据输入输出的风量,计算每个结点处的风速,并与实船数据进行对比,用于验证第2章风量计算模型的准确性。

2)根据Smart 3D软件的原功能,在结构风道模型内部建立风管模型,利用实体模型发生干涉时会出现红色球体的特性,检查结构风道的贯通性。

3.1 数学模型法

根据3D模型绘制结构风道模型见图4。

图4 结构风道模型示意

根据图4建立计算模型。

(6)

式中:Q为结构风道总进风量,m3/h;Qi,j为单层甲板单个出风口所需送风量,m3/h;n为结构风道涉及的甲板层数,个;m为结构风道在各层甲板的出风口数量,个。

在结构风道与甲板的交界处设置测量点,用于测量交界处的风量Qk。

(7)

式中:Qk为交界处的风量,m3/h;k为甲板数减1。

当结构风道模型的某一处发生封堵,该处的风量Qi,j=0,该层与下层甲板交界处的风量就会增加,将风量与第2章的设计风量做对比可快速判断该层结构风道是否有封堵的现象,提高结构风道贯通性检查的效率。

3.2 内部建管法

3.2.1 内部建管规则

1)风管与结构风道统一命名规则。

一个结构风道对应一根风管,风管的命名与结构风道相同。

2)风管建模规则。

(1)风管尽量建在结构风道内部中心位置。

(2)风管从结构风道的进口开始建模,到结构风道出口结束。有些结构风道内部会进行分流,需要将风管分成两路建模。

(3)有些结构风道内部安装了插片式消音器,风管建模过程中要避免与消音器发生干涉。

(4)风管直径为160 mm,该直径是系统默认的常用风管直径,方便操作,直径160 mm的风管可以从消音片的空隙穿过,不发生干涉。

3.2.2 内部建管优势

在S3D软件中,实体模型发生干涉时,会出现红色球体,提醒操作人员此处发生干涉。利用此特性,可以快速检查结构风道内部的开孔情况,提高结构风道贯通性检查的效率。风管与未开孔的结构干涉图见图5。

图5 风管与未开孔的结构干涉图

风管与结构发生干涉,此处的结构需要拆除,保持结构风道的贯通性。说明结构风道内部建管具有一定的价值用于提高人工检查的准确率,降低现场后期施工的难度。

同时,由于结构风道参考模型没有像风管一样建立一一对应的目录,只能一次性调取整层甲板上所有的结构风道,不利于结构风道一对一检查。所以,根据3.2.1的规则,通过结构风道内部的风管可快速定位对应的结构风道,方便操作人员观察结构风道模型。最后,通过测量风管的长度来估算结构风道的长度。

4 结论

关于大型邮轮结构风道的详细设计还在探索中,根据邮轮规格书和ISO-7547将计算风量与芬坎蒂尼船厂的设计风量进行对比,分析其中的异同点,优化结构风道风量的计算方法,有助于推进结构风道详细设计。并且,利用计算结果提出的数学模型法以及结构风道内部建管法,可以提高贯通性检查的效率,加快邮轮生产设计的进程。