淺析海洋平臺(tái)空調(diào)冷媒水系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)計(jì)

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(tái)，生活區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)一般采用冷媒水系統(tǒng)。用冷媒水作為冷卻介質(zhì)，可有效地對(duì)制冷劑集中管理，減少制冷劑泄漏的概率和使用量，在變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)中具有較大優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)房間溫控個(gè)性化﹑提高艙室舒適度的常用方式。但冷媒水管路布置較長(zhǎng)，且冷媒水作為流質(zhì)的管路與傳統(tǒng)管路在原理設(shè)計(jì)﹑生產(chǎn)設(shè)計(jì)有較大區(qū)別。本文對(duì)幾型工程船和風(fēng)電平臺(tái)冷媒水管路設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題進(jìn)行分析，總結(jié)需要注意的問(wèn)題，供后續(xù)冷媒水系統(tǒng)管路原理設(shè)計(jì)﹑生產(chǎn)設(shè)計(jì)參考。

2 冷媒水管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾個(gè)因素

2.1 鋼質(zhì)冷媒水管穿壁

冷媒水系統(tǒng)溫度通常在6～12 ℃之間，由于管路內(nèi)流質(zhì)溫度較低，鋼質(zhì)冷媒水管穿過(guò)艙壁時(shí)如與艙壁直接焊接，則冷量將通過(guò)水管傳到艙壁，使艙壁溫度降到低于空氣露點(diǎn)，導(dǎo)致艙壁結(jié)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(duì)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(dāng)鋼質(zhì)冷媒水管穿過(guò)防火或水密艙壁時(shí)，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(lèi)穿艙件在市場(chǎng)上有多種可供選擇，但綜合考慮穿艙件外形尺寸﹑價(jià)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(guò)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(shí)此穿艙件能滿足水密性4 bar﹑氣密性2.5 bar﹑防火A60級(jí)，幾乎可在船舶和平臺(tái)的任何艙壁上使用。

在ROXTEC通艙件選型時(shí)，應(yīng)根據(jù)冷媒水溫度和冷媒水管外徑，按下式計(jì)算隔熱層厚度，進(jìn)而選擇ROXTEC型號(hào)：

式中：d—管道外徑，m；

δm—保溫層厚度，m；

t1—管道內(nèi)冷介質(zhì)（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(jì)量取的環(huán)境溫度），℃；

tb—保溫層外表面接觸的空氣的露點(diǎn)溫度（根據(jù)船舶設(shè)計(jì)的夏季環(huán)境溫度和濕度在h-d圖上求?。?。

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(dāng)冷媒水管穿過(guò)此類(lèi)艙壁時(shí)可以在貫穿處開(kāi)孔而不必加隔熱通艙件。如圖1所示,當(dāng)冷媒水管外徑為φd時(shí)，根據(jù)公式（1）可計(jì)算出保溫層厚度δm，則可在艙壁上開(kāi)ΦD的貫穿孔，以便包覆保溫層的冷媒水管穿過(guò)。

圖1 冷媒水管絕熱包覆開(kāi)孔示意圖

2.2 平衡閥安裝要求

在冷媒水系統(tǒng)中，由于不同甲板層上的AHU冷媒水進(jìn)出管內(nèi)壓力相差較大，為平衡各層水壓﹑保證電動(dòng)三通閥靈敏控制水溫﹑有效利用冷卻水，需在系統(tǒng)中增加平衡閥。因平衡閥靠閥前后壓差調(diào)節(jié)閥芯開(kāi)度進(jìn)而控制冷媒水流量，故需盡量保證閥前后壓力穩(wěn)定，防止流體出現(xiàn)紊流。

為控制流體出現(xiàn)紊流，在生產(chǎn)設(shè)計(jì)中除控制流體流速外，還必須在閥前后留有一定長(zhǎng)度的直段管。一般要求閥進(jìn)口直段管長(zhǎng)度大于5倍管徑﹑閥出口直段管大于2倍管徑，且直段管內(nèi)不應(yīng)有其他閥附件。

2.3 空氣處理裝置泄放管

AHU機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)組內(nèi)部蒸發(fā)器將空氣溫度降到露點(diǎn)以下產(chǎn)生大量的凝水。AHU正常工作時(shí)內(nèi)部呈負(fù)壓狀態(tài)，使得內(nèi)部凝水無(wú)法正常排出而積聚在設(shè)備內(nèi)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(diào)冷凝水泄放示意圖

AHU內(nèi)部壓力為P﹑大氣壓力為P0，當(dāng)AHU運(yùn)行時(shí)內(nèi)部呈負(fù)壓狀態(tài)（P＜P0），若無(wú)U形彎凝水將積聚在AHU內(nèi)而不能被排除。為克服AHU內(nèi)部負(fù)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(dāng)AHU停止運(yùn)行（P=P0）時(shí)，凝水管中的水柱高度將降低到0。為使下次運(yùn)行AHU時(shí)凝水管中有水柱H平衡外界壓力，需做一個(gè)U型彎儲(chǔ)藏水，U型彎相關(guān)尺寸因滿足下列公式：

然而，因U型彎是靠其內(nèi)部水柱平衡壓力，當(dāng)AHU長(zhǎng)期處于制熱工況時(shí)沒(méi)有凝水產(chǎn)生，且原儲(chǔ)藏的水在負(fù)壓下加快蒸發(fā)而減少，最終會(huì)導(dǎo)致U型彎內(nèi)水柱高度H減小，在AHU下次使用制冷工況時(shí)必須對(duì)U型彎加水，使H值滿足式（2）。為便于U型彎加水時(shí)便于觀察水量是否足夠，凝水管不能直接接入地漏內(nèi)。

為避免U型彎的缺點(diǎn)，可使用水封閥替代U型彎。當(dāng)AHU運(yùn)行時(shí)（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(nèi)部，當(dāng)水封閥內(nèi)水柱高度H滿足式（2）要求時(shí)凝水可順利排出，因水封閥靠球隔離AHU和外界，故AHU運(yùn)行前不需在水封閥內(nèi)加水。

2.4管路排氣閥和泄放閥

空調(diào)冷媒水系統(tǒng)是閉式循環(huán)系統(tǒng)。冷媒水在管路循環(huán)過(guò)程中，由于吸入管泄露或水中溶解的空氣析出導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)聚集氣體，聚集的空氣不僅在蒸發(fā)器處會(huì)降低換熱器換熱效率﹑擾亂流量穩(wěn)定流動(dòng)﹑降低平衡閥和電動(dòng)三通閥對(duì)系統(tǒng)的精確控制，同時(shí)氣體流入冷媒水泵會(huì)對(duì)泵產(chǎn)生嚴(yán)重氣蝕，影響設(shè)備使用穩(wěn)定性和壽命。雖然冷媒水系統(tǒng)中已有除氣裝置，但為了更高效排出系統(tǒng)中氣體，需在系統(tǒng)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(shè)原則

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

表1 自然補(bǔ)償管道支架之間的最大間距（mm）

管路變形補(bǔ)償方式，可選用自由臂補(bǔ)償形式和方形補(bǔ)償器形式，并結(jié)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(jì)算：

式中：a--線膨脹系數(shù)；

L—管道轉(zhuǎn)彎處到固定之間距離，m；

t2—管道內(nèi)水最低溫度（冷媒水溫度），℃；

t1— 管道安裝時(shí)的環(huán)境溫度（管道溫度等于環(huán)境溫度），℃；

ΔL—管子的伸縮量，mm。

管路補(bǔ)償時(shí)，管路自由壁Lz長(zhǎng)度可按下式計(jì)算：

式中：K—材料常數(shù)；

dn—管道的公稱(chēng)直徑，mm。

6 結(jié)語(yǔ)

冷媒水系統(tǒng)是閉式低溫系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)有本質(zhì)區(qū)別。在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮管路系統(tǒng)水量補(bǔ)充﹑氣體排放﹑管路熱脹冷縮和遇空氣凝水等因素。管路設(shè)計(jì)放樣時(shí)，不能單從普通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷，避免造成后續(xù)大面積的修改。