船用變風(fēng)量末端裝置的應(yīng)用分析

周根明，厲盼盼

(江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)由于其舒適性和節(jié)能性在船舶空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中已被逐漸推廣。變風(fēng)量系統(tǒng)一般由空氣處理設(shè)備、送風(fēng)系統(tǒng)、變風(fēng)量末端裝置和自動(dòng)控制元件組成。其中末端裝置是變風(fēng)量系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，通過(guò)它來(lái)調(diào)節(jié)送風(fēng)量，補(bǔ)償變化著的室內(nèi)負(fù)荷，維持室溫;其中變風(fēng)量末端的種類可分為:單風(fēng)道型變風(fēng)量末端、雙風(fēng)道型變風(fēng)量末端、風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端、誘導(dǎo)型末端、壓力相關(guān)型末端［1-3］。在國(guó)內(nèi)外變風(fēng)量末端裝置已經(jīng)發(fā)展了很多年，研究主要集中在VAV BOX 的控制方式模擬研究和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究。而末端的舒適性模擬研究也隨著變風(fēng)量技術(shù)的廣泛應(yīng)用逐漸增多。由于人們對(duì)船用末端的重視，所以對(duì)艦船變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的末端設(shè)備的分析也顯得格外重要，因此本文對(duì)常用的2 種末端裝置應(yīng)用Fluent 軟件進(jìn)行模擬研究，得到船用艙室的溫度分布和速度分布。通過(guò)對(duì)比分析，得出在送風(fēng)角度為20°的2 種送風(fēng)都能很好滿足艙室舒適性要求的結(jié)論［4-5］。

1 艦船VAV 末端裝置

幾種可能用于艦船的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)末端裝置情況如表1所示［6-7］。

表1 幾種變風(fēng)量末端基本特點(diǎn)和使用情況Tab.1 Basic characteristics and usage of several VAV boxes

表1 所介紹的末端裝置中有2 種常用的船舶變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)末端，一個(gè)是帶冷熱交換器的動(dòng)力型末端空調(diào)系統(tǒng);另一個(gè)是誘導(dǎo)型末端空調(diào)系統(tǒng)，如圖1所示。通過(guò)對(duì)2 種末端送風(fēng)氣流組織的模擬，研究2 種末端的不同送風(fēng)參數(shù)對(duì)艙室舒適性的影響［8-12］。

2 艙室概況

以1 個(gè)長(zhǎng)、寬、高分別為4.1 m，2.8 m，2.1 m 的4 人船員艙室為研究對(duì)象，房間的布局如圖1所示，X 代表長(zhǎng)度為2.8 m 的方向，Y 代表長(zhǎng)度為4.1 m 的方向，Z 代表高度為2.1 m 的方向。模擬的是夏季空調(diào)工況，該艙室沒(méi)有玻璃窗，不考慮玻璃窗傳入熱量;艙室左艙壁和后艙壁與外界環(huán)境接觸，上和右艙室均和空調(diào)艙室相鄰，各艙室設(shè)計(jì)溫度相同，忽略艙室之間的換熱;下艙壁與為外地板，為非空調(diào)房間。通過(guò)計(jì)算，得出該船員室滲人熱為876 W，取送風(fēng)溫差為10℃，送風(fēng)量為260 m3/h。

2.1 建模和網(wǎng)格劃分

采用湍流模型對(duì)室內(nèi)氣流組織的三維不可壓縮湍流流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。假設(shè)流體為不可壓縮流符合Boussinesp 假設(shè)，采用工程實(shí)際較多采用的k-e 雙方程模型進(jìn)行求解。對(duì)艙室進(jìn)行網(wǎng)格劃分，應(yīng)用四面體網(wǎng)格對(duì)進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口、變風(fēng)量末端裝置等數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散。風(fēng)口的網(wǎng)格劃分采用較密的網(wǎng)格，艙模擬計(jì)算的整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)最終網(wǎng)格數(shù)為485 884，節(jié)點(diǎn)數(shù)為517 798。

2.2 送風(fēng)方式

誘導(dǎo)型末端的物理模型是艙室上方頂板距東艙壁面1.0 m 處，布置1 個(gè)1 050 mm×20 mm 條形送風(fēng)口，出風(fēng)角度為20°，送風(fēng)量為260 m3/h，并布置1 個(gè)150 mm×150 mm 的回風(fēng)口，位于東艙壁面下。由人員、燈具和設(shè)備等的產(chǎn)熱量保持不變，只考慮因外界環(huán)境變化而引起的艙室負(fù)荷的變化，送風(fēng)速度為2.03 m/s，進(jìn)口空氣溫度為T=290 K。

帶冷熱交換器動(dòng)力型末端在靠近舷側(cè)部位的艙室頂部布置1 個(gè)718 mm×508 mm×250 mm(長(zhǎng)×寬×高)的帶熱交換器末端送風(fēng)器，如圖2所示。額定風(fēng)量為350 m3/h，其中集中空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量為120 m3/h，二次回風(fēng)量為230 m3/h，150 mm×150 mm回風(fēng)口，回風(fēng)量為120 m3/h;該艙室內(nèi)的二次回風(fēng)部分，末端動(dòng)力通風(fēng)裝置的進(jìn)風(fēng)口即是二次回風(fēng)的回風(fēng)口，該風(fēng)口實(shí)際尺寸為508 mm×172 mm，回風(fēng)量為230 m3/h。一次風(fēng)風(fēng)速為1.07 m/s，送風(fēng)溫度為290 K;二次回風(fēng)風(fēng)速為0.65 m/s，溫度為艙室室溫［10］。

圖1 艙室XY 平面布置圖Fig.1 XY floor plan of the cabin room

圖2 帶熱交換器的末端送風(fēng)方式Fig.2 The air supply of the VAV terminal box with heat exchanger

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

1)誘導(dǎo)型末端送風(fēng)數(shù)值模擬結(jié)果

圖3 YZ 面X=1.4 m 處的溫度分布云圖Fig.3 YZ plane temperature contours at X=1.4 m

圖4 YZ 面X=1.4 m 處的速度分布云圖Fig.4 YZ plane velocity contours at X=1.4 m

圖5 XY 面Z=0.7 m 處的溫度分布云圖Fig.5 XY plane temperature contours at Z=0.7 m

圖6 XY 面Z=0.7 m 處的速度分布云圖Fig.6 XY plane velocity contours at Z=0.7 m

從圖3 ～圖6 可以看出，采用誘導(dǎo)型末端的條形送風(fēng)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，射流能夠在頂板形成良好的貼附，在碰到西艙壁面后回流，使艙室處于回流區(qū)域。誘導(dǎo)風(fēng)速低，床鋪上的風(fēng)速均小于0.2 m/s，滿足人員活動(dòng)區(qū)的送風(fēng)風(fēng)速微風(fēng)速設(shè)計(jì)要求，即在夏季時(shí)小于或等于0.3 m/s 的標(biāo)準(zhǔn)要求，有助于船員對(duì)空氣流動(dòng)的需要。由于末端采用二次混合調(diào)節(jié)，能夠?qū)⑾到y(tǒng)所送的低溫空調(diào)風(fēng)與船用艙室風(fēng)經(jīng)行混合后排出，克服了送風(fēng)下墜、射流冷風(fēng)感等問(wèn)題，由圖8 可以看出艙室床鋪上最高溫度是299.6 K，船員不會(huì)有冷風(fēng)感，且溫度場(chǎng)分布均勻，滿足設(shè)計(jì)要求。綜上所述，誘導(dǎo)型末端適用于船用艙室，且舒適性滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 YZ 面X=1.4 m 處的溫度分布云圖Fig.7 YZ plane temperature contours at X=1.4 m

圖8 YZ 面X=1.4 m 處的速度分布云圖Fig.8 YZ plane velocity contours at X=1.4 m

圖9 XY 面Z=0.7 m 處的溫度分布云圖Fig.9 XY plane temperature contours at Z=0.7 m

圖10 XY 面Z=0.7 m 處的速度分布云圖Fig.9 XY plane velocity contours at Z=0.7 m

由圖7 ～圖10 可知，帶熱交換器的末端動(dòng)力型送風(fēng)方案的出風(fēng)速度較小，射流能夠很好地貼附在艙室頂板上，遇到西艙壁后面回流，在床鋪上的風(fēng)速都低于0.2 m/s。由圖9 可看出，在人行走的空間內(nèi)速度低，溫度為296.4 K，船員活動(dòng)會(huì)很舒適，并滿足設(shè)計(jì)要求。綜上所述，采用動(dòng)力型末端送風(fēng)方案的艙室溫度分布均勻，氣流速度低，艙室的舒適性較高。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)最關(guān)鍵的末端裝置為研究對(duì)象，分析了常用艦船變風(fēng)量末端裝置的應(yīng)用，通過(guò)艙室送風(fēng)方案設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬，得出誘導(dǎo)型變風(fēng)量末端和帶熱交換器的動(dòng)力型末端都能夠很好滿足艙室的舒適性要求，艙室內(nèi)的溫度分布均勻，吹風(fēng)感很低，船員感覺(jué)舒適。而且使用帶熱交換器的動(dòng)力型末端，能夠節(jié)約提高送風(fēng)溫度所需的熱量。如當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷變動(dòng)幅度比較大，比如當(dāng)熱負(fù)荷比較大時(shí)，即使室內(nèi)風(fēng)量已經(jīng)達(dá)到最小送風(fēng)量，室內(nèi)溫度還在下降，此時(shí)為了保證室內(nèi)的溫濕度，常采用提高送風(fēng)溫度的方法，而在帶熱交換器的動(dòng)力型末端，對(duì)室內(nèi)送風(fēng)再度加熱處理，提高送風(fēng)溫度，確保艙室最小送風(fēng)量，節(jié)約了提高送風(fēng)溫度所需的熱量。所以，在船舶上使用的變風(fēng)量末端有很多，在艙室空間和經(jīng)濟(jì)條件允許下，可以通過(guò)多種方案設(shè)計(jì)比較，選擇最適合該艦船的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)末端。

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