62 000 DWT多用途紙漿船貨艙除濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于 沁，石蘊(yùn)玉,張金玉

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

中國(guó)是全球最大的紙產(chǎn)品消費(fèi)市場(chǎng)，紙漿的消費(fèi)總量在世界排名第一。紙漿是造紙工業(yè)中的重要原材料，受森林資源和環(huán)境保護(hù)政策的限制，中國(guó)紙漿林資源嚴(yán)重不足。目前，我國(guó)木紙漿的巨大供需缺口主要依賴(lài)進(jìn)口來(lái)填補(bǔ)。紙漿船運(yùn)輸市場(chǎng)需求旺盛、發(fā)展迅速，紙漿船業(yè)務(wù)已經(jīng)成為一個(gè)藍(lán)海市場(chǎng)。在這種背景下，中遠(yuǎn)海運(yùn)特種運(yùn)輸股份有限公司于2017起，陸續(xù)在大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司訂造12艘62 000 t多用途紙漿船。其中，紙漿的保存是設(shè)計(jì)過(guò)程中的難點(diǎn)，由此本文主要對(duì)62 000 t多用途紙漿船貨艙除濕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。

1 除濕機(jī)的介紹

紙漿即各種植物纖維、化學(xué)試劑和水的混合物，有干漿和濕漿2種形態(tài)，在國(guó)際運(yùn)輸中多以干漿形態(tài)運(yùn)輸。

船舶長(zhǎng)期在海上航行，海上的空氣濕度特別高、溫差變化大（不僅是晝夜的溫差大，還包括長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)臅r(shí)區(qū)溫差），會(huì)使貨船上的易吸濕貨物出現(xiàn)返潮、霉變現(xiàn)象，為避免出現(xiàn)上述狀況，船舶一般會(huì)設(shè)計(jì)除濕系統(tǒng)來(lái)控制濕度。船上常用的除濕方式有冷凍除濕、干式除濕和混合除濕。冷凍除濕的原理是濕空氣流經(jīng)低溫表面，溫度下降至露點(diǎn)溫度以下后，濕空氣中的水蒸氣冷凝析出。空調(diào)制冷在夏季時(shí)就是一個(gè)空氣降溫除濕的過(guò)程，但紙漿船的貨艙對(duì)溫度沒(méi)有要求，采用冷凍除濕就會(huì)浪費(fèi)能源。干式除濕的原理是濕空氣通過(guò)吸濕材料加工成的載體，在水蒸氣分壓力差的作用下，吸收或吸附空氣中的水分，轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)至另一半空間時(shí)，吸濕載體通過(guò)加熱被再生。干式除濕的吸濕面積大，性能穩(wěn)定，能連續(xù)進(jìn)行除濕，濕度可調(diào)，除濕量大，能全自動(dòng)運(yùn)行且適用溫度范圍寬。干式除濕的典型代表是轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)，轉(zhuǎn)輪中裝有固體除濕劑，主要有硅膠、分子篩和活性炭，轉(zhuǎn)輪被密封條分隔成2個(gè)扇形區(qū)域，圓心角為270°的處理區(qū)和圓心角為90°的再生區(qū)。處理空氣進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的處理區(qū)后，由于在常溫下，轉(zhuǎn)輪中吸濕劑的水蒸氣分壓力低于濕空氣的水蒸氣分壓力，所以處理空氣中的水分被轉(zhuǎn)輪中的吸濕劑吸附，除濕后的空氣由處理風(fēng)機(jī)送出。與此同時(shí)，再生空氣經(jīng)加熱后進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的再生區(qū)；在高溫工況下，空氣中的水蒸氣分壓力低于轉(zhuǎn)輪中吸濕劑的水蒸氣分壓力，原先吸附的水分被脫附并隨濕空氣排至室外，轉(zhuǎn)輪則又恢復(fù)了除濕能力。轉(zhuǎn)輪的優(yōu)點(diǎn)有：1）材質(zhì)為無(wú)機(jī)材料，性能穩(wěn)定，不會(huì)老化，使用壽命長(zhǎng)；2）轉(zhuǎn)輪采用蜂窩狀結(jié)構(gòu)，所以吸濕面積大，每1 m3的吸濕面積多達(dá)3 000 m2，除濕量大；3）機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積少，維護(hù)管理方便；4）適用溫度范圍寬，可在?30℃～＋40℃范圍內(nèi)對(duì)空氣進(jìn)行有效除濕[1,3]。

如圖1所示，轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)由以下3部分組成：

1）除濕系統(tǒng)包括箱體、吸濕轉(zhuǎn)輪、減速傳動(dòng)裝置、通風(fēng)機(jī)和過(guò)濾器等。箱體以隔板對(duì)稱(chēng)分隔成大小不等的2部分，3/4空間為吸濕區(qū)，1/4空間為再生區(qū)。為了防止吸濕區(qū)和再生區(qū)的空氣產(chǎn)生竄流，分區(qū)的界面采用彈性材料進(jìn)行密封。

轉(zhuǎn)輪是除濕機(jī)的心臟，它以復(fù)合纖維材料作為基材，與活性硅膠、分子篩、活性炭等吸濕材料復(fù)合加工而成，并制成波紋狀和平板狀，然后按一層平板、一層波紋板相間的形式卷繞成一個(gè)圓柱形的吸濕芯體，在層與層之間形成了許多蜂窩狀的通道，這就是空氣流道。轉(zhuǎn)輪固定在箱體的中心部位，通過(guò)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，并以8 r/h～18 r/h的速度不斷地低速旋轉(zhuǎn)。

2）再生系統(tǒng)包括箱體、加熱器、通風(fēng)機(jī)、過(guò)濾器和風(fēng)閥等，吸濕后的轉(zhuǎn)輪紙芯在其中被加熱進(jìn)而獲得再生。加熱器可以采用蒸汽為熱媒，也可采用電加熱器。

3）控制系統(tǒng)包括傳動(dòng)系統(tǒng)調(diào)控、再生溫度、電加熱器控制和保護(hù)等。如要做到自動(dòng)化運(yùn)行，還應(yīng)配置濕度監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 除濕機(jī)

2 除濕量計(jì)算及設(shè)備選型

根據(jù)規(guī)格書(shū)，貨艙外部的設(shè)計(jì)條件為（狀態(tài)1）：干球溫度35℃，相對(duì)濕度70%，含濕量25.2 g/kg。整個(gè)貨艙配備2臺(tái)除濕機(jī)，每臺(tái)除濕機(jī)的處理風(fēng)量為5 000 m3/h。貨艙內(nèi)的空氣平衡狀態(tài)為（狀態(tài)2）：干球溫度35℃，相對(duì)濕度50%，含濕量17.8 g/kg。當(dāng)貨艙裝滿(mǎn)紙漿后，艙內(nèi)的空隙占貨艙艙容的20%，每小時(shí)滲透到貨艙的濕空氣占貨艙艙容的 10%。1臺(tái)除濕機(jī)安裝在艏部空艙中，負(fù)責(zé)NO.1～NO.3貨艙的除濕工作；另一臺(tái)除濕機(jī)安裝在艉部除濕機(jī)間中，負(fù)責(zé) NO.4～NO.6貨艙的除濕工作。NO.1～NO.3貨艙的艙容量為34 451 m3；NO.4～NO.6貨艙的艙容量為38 012 m3。

由式（1）計(jì)算可得除濕量

式中：D為除濕量，kg/h；ρ為密度，kg/m3;V為風(fēng)量，m3/h；d1為狀態(tài)1時(shí)的空氣含濕量，g/kg；d2為狀態(tài)2時(shí)的空氣含濕量，g/kg。

經(jīng)計(jì)算得，每臺(tái)除濕機(jī)的除濕量為44.4 kg/h，整個(gè)除濕流程的時(shí)間約為2 h。

在節(jié)省成本的前提下，為保證貨艙內(nèi)紙漿的安全，考慮當(dāng)1臺(tái)除濕機(jī)不能正常工作時(shí)，余下的1臺(tái)除濕機(jī)可以為6個(gè)貨艙除濕，為了能使干燥空氣順利注入6個(gè)貨艙，處理風(fēng)機(jī)壓頭的選取可謂重中之重。

風(fēng)管內(nèi)空氣流動(dòng)的阻力有2種，一種是由空氣本身的黏滯性及其與管壁間的摩擦而產(chǎn)生的沿程能量損失，稱(chēng)為摩擦阻力；另一種是空氣流經(jīng)風(fēng)管中的管件及設(shè)備時(shí)，因流速大小和方向的變化及渦流造成的比較集中的能量損失，稱(chēng)為局部阻力[2]。

摩擦阻力損失的計(jì)算公式為式（2）。

式中：ΔPf為摩擦損失，Pa；f為摩擦因數(shù)，無(wú)因次；L為風(fēng)管長(zhǎng)度，m；Dh為水力直徑，mm;ν為速度，m/s；ρ為密度，kg/m3。

可將摩擦因數(shù)簡(jiǎn)化為

式中：ε為管壁絕對(duì)粗糙度，0.03 mm～3 mm；如果f'≥0.018，則f＝f'；如果f'＜0.018，則f＝0.85f'＋0.0028。

雷諾數(shù)

式中：v為動(dòng)力黏度，m2/s，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)空氣而言，Re = 66.4Dhν。

水力直徑

式中：Dh為水力直徑，mm；A為風(fēng)管截面積，mm2；P為橫截面周長(zhǎng)，mm。

局部阻力損失的計(jì)算公式為式（6）。

式中：ΔPj為管件阻力損失，Pa；ζ為局部阻力系數(shù)；ρ為密度，kg/m3；v為流速，m/s。

整個(gè)風(fēng)管系統(tǒng)的阻力損失，包括風(fēng)機(jī)吸入側(cè)管系的阻力損失和排出側(cè)管系的阻力損失。

式中：ΔP為風(fēng)管系統(tǒng)總的阻力損失，Pa；∑ ΔPf為風(fēng)管系統(tǒng)總沿程摩擦阻力損失，Pa； ∑ ΔPj為風(fēng)管系統(tǒng)中總的管路附件局部阻力損失，Pa。

經(jīng)計(jì)算得處理風(fēng)機(jī)的壓頭為2 100 Pa。確定了除濕機(jī)的除濕能力后，處理風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和壓頭，便可確定除濕機(jī)的選型，而再生風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和壓頭一般依據(jù)廠家的推薦進(jìn)行設(shè)備選型。

3 除濕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)

為了節(jié)省成本，本船的貨艙除濕系統(tǒng)使用2臺(tái)除濕機(jī)為6個(gè)貨艙除濕，1臺(tái)除濕機(jī)安裝在艏部空艙中，負(fù)責(zé)NO.1～NO.3貨艙的除濕工作；另1臺(tái)除濕機(jī)安裝在艉部除濕機(jī)間中，負(fù)責(zé) NO.4～NO.6貨艙的除濕工作。正常狀態(tài)下，艏艉2個(gè)除濕系統(tǒng)獨(dú)立工作，當(dāng)1臺(tái)除濕機(jī)故障時(shí)，打開(kāi)位于船中的分隔閥，使艏艉2個(gè)除濕系統(tǒng)的處理風(fēng)管相連通，這時(shí)1臺(tái)除濕機(jī)則將負(fù)責(zé)6個(gè)貨艙的除濕工作。貫穿水密壁的除濕系統(tǒng)風(fēng)管需要增加水密蝶閥，最終布置需要根據(jù)穩(wěn)性計(jì)算報(bào)告結(jié)果而定。船東要求，為保護(hù)紙漿安全，各貨艙處理風(fēng)送風(fēng)管和回風(fēng)管上的水密蝶閥需要具有防火功能，但是具有防火功能的金屬密封型蝶閥成本非常高，和船東協(xié)商后采用普通水密蝶閥加防火風(fēng)閘的方式，既滿(mǎn)足了船東的要求，又節(jié)省了大量成本。每個(gè)貨艙的處理風(fēng)回風(fēng)管中，在靠近貨艙處安裝溫濕度傳感器，可在除濕機(jī)的本地控制箱和駕駛室的遠(yuǎn)程遙控板上對(duì)每個(gè)貨艙的溫濕度狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。貨艙除濕系統(tǒng)會(huì)根據(jù)貨艙內(nèi)的濕度狀態(tài)自動(dòng)啟停，船員可以自行設(shè)置臨界點(diǎn)。調(diào)試工程師設(shè)置的濕度范圍為40%～60%；當(dāng)貨艙內(nèi)的相對(duì)濕度低于40%時(shí)，除濕機(jī)的再生風(fēng)系統(tǒng)停止；當(dāng)貨艙內(nèi)的相對(duì)濕度高于60%時(shí)，除濕機(jī)的再生風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)。值得注意的是，除濕機(jī)的處理風(fēng)系統(tǒng)是默認(rèn)一直運(yùn)行的，原因是貨艙溫濕度傳感器所監(jiān)測(cè)的區(qū)域只是一個(gè)局部，不能保證貨艙其它區(qū)域（特別是艙口圍區(qū)域）的濕度狀態(tài)，所以貨艙內(nèi)的空氣應(yīng)該是不斷流動(dòng)的，只有這樣才能避免貨艙局部濕度超標(biāo)，減少貨品的損壞，同時(shí)也能真實(shí)反映貨艙內(nèi)的濕度狀態(tài)。

4 結(jié)論

從2019年1月至2019年12月，大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工承建的62 000 t多用途紙漿船已經(jīng)成功交付5條。

該船的貨艙除濕系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了實(shí)船檢驗(yàn)，效果良好，獲得了船東的肯定。該船的貨艙除濕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相較其它同類(lèi)型船舶而言，除濕機(jī)數(shù)量少，可極大地節(jié)省船舶的建造成本，為今后貨艙除濕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了新思路。