海運(yùn)特殊貨物貨艙溫度控制

黃海嘯，陳俊，黃信男

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前 言

某些特殊貨物在海運(yùn)過程中必須控制貨物周圍的環(huán)境溫度。 假定該特殊貨物在運(yùn)輸過程中，貨物周圍的環(huán)境平均溫度不得超過38 ℃。根據(jù)相關(guān)要求，貨艙需提供足夠的通風(fēng)或冷卻，且冗余設(shè)計(jì)，以保證在任何工況下貨艙的平均溫度低于38 ℃。

以海運(yùn)上述特殊貨物包裝件的貨艙為研究對象，從貨艙熱濕負(fù)荷計(jì)算、空調(diào)布置方案和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和空調(diào)氣流分布等方面進(jìn)行貨艙溫度控制的研究，并采用CFD 仿真模擬進(jìn)行方案驗(yàn)證。

1 貨艙熱濕負(fù)荷計(jì)算

貨艙主要由鋼圍壁構(gòu)成，其四周和底部通過壓載艙或空艙與大氣相鄰，頂部為艙蓋，外鄰大氣。 貨物采用包裝件的形式均布在貨艙底部，貨艙內(nèi)配置照明和風(fēng)機(jī)盤管。 因此，貨艙內(nèi)空調(diào)熱濕負(fù)荷通常來源于以下幾個方面。

1.1 貨艙圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱負(fù)荷

因貨艙內(nèi)外溫差以及太陽輻射， 通過貨艙艙蓋、甲板、艙壁等貨艙圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱負(fù)荷主要包括每個外表面的滲入熱、滲出熱和太陽輻射熱。

1.2 貨艙貨物散熱量

該包裝件散熱量隨內(nèi)裝貨物量的不同而變化，普遍在10～30 kW 不等。 為適應(yīng)不同類型包裝件的運(yùn)輸要求，單個貨物包裝件的散熱量按32 kW 來考慮。

1.3 貨艙內(nèi)其他散熱量和散濕量

1） 人體熱：包裝件進(jìn)艙后，船員將不再進(jìn)入貨艙。 專門負(fù)責(zé)人員每日進(jìn)艙檢查的時間非常短暫，因此人體熱在本研究中可以忽略。

2） 照明熱：包裝件進(jìn)艙后，貨艙照明處于開啟狀態(tài)，會產(chǎn)生一定的散熱量。 根據(jù)貨艙內(nèi)燈具參數(shù)顯示，其散熱量按總功率的20%計(jì)算。

3） 風(fēng)機(jī)熱：系指電動機(jī)帶動風(fēng)機(jī)在工作過程中向貨艙空間散發(fā)的熱量。 該船貨艙空調(diào)裝置的風(fēng)機(jī)，在正常情況下將處于持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，其散熱量以廠商提供的散熱參數(shù)為準(zhǔn)。

1.4 滲入熱量和濕量

主要考慮補(bǔ)入貨艙內(nèi)新風(fēng)的熱量和濕量。 由于貨艙在正常狀態(tài)下處于封閉狀態(tài)， 僅在專門負(fù)責(zé)人員進(jìn)艙檢查前短時間開啟貨艙通風(fēng)機(jī)進(jìn)行貨艙換氣。 本船在實(shí)際運(yùn)營時，會在專人進(jìn)貨艙檢查前半小時提前開啟通風(fēng)機(jī)， 并持續(xù)運(yùn)行至檢查結(jié)束， 由此可以根據(jù)總的通風(fēng)量計(jì)算新風(fēng)帶入的熱量和濕量。

2 貨艙空調(diào)系統(tǒng)研究

貨艙內(nèi)裝載的包裝件的散熱量雖大，但沒有散濕量。 貨艙內(nèi)的濕量主要來自可能在貨艙內(nèi)活動的專門負(fù)責(zé)人員以及滲入的艙外空氣，可以認(rèn)為貨艙內(nèi)散濕量很小。 此外，貨艙內(nèi)的散熱量約95%左右是顯熱，熱量大、濕量小，熱濕比近似無窮大。 因此，貨艙空調(diào)的空氣處理過程可近似作為一個等濕降溫過程。送風(fēng)的相對濕度一般控制在小于80%。在送風(fēng)焓差小的前提下要消除余熱，必然導(dǎo)致送風(fēng)量大。

他重新振作起來，繼續(xù)前進(jìn)，心里又產(chǎn)生了一種新的恐懼。這不是害怕他會束手無策地死于斷糧的恐懼，而是害怕饑餓還沒有耗盡他的最后一點(diǎn)求生力，他已經(jīng)給兇殘地摧毀了。這地方的狼很多。狼嗥的聲音在荒原上飄來飄去，在空中交織成一片危險(xiǎn)的羅網(wǎng)，好像伸手就可以摸到，嚇得他不由舉起雙手，把它向后推去，仿佛它是給風(fēng)刮緊了的帳篷。

針對上述貨艙環(huán)境特點(diǎn)，開展空調(diào)系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)工作。

2.1 空調(diào)系統(tǒng)布置方案研究

在裝載工況下貨艙內(nèi)要求維持的溫度參數(shù)將通過空調(diào)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，如圖1 所示。 空調(diào)系統(tǒng)一般由制冷機(jī)組、冷媒水（或制冷劑）輸送管道、空氣處理設(shè)備、空氣輸送管道和空氣分配裝置等組成。 工程應(yīng)用需要綜合考慮冷卻空間的用途和性質(zhì)、熱濕負(fù)荷特性、溫濕度調(diào)節(jié)和控制要求、空調(diào)機(jī)房的空間和位置、初投資和運(yùn)行維修費(fèi)用等諸多因素來選擇合理的空調(diào)布置方案。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)示意圖

空調(diào)系統(tǒng)一般包括集中式、分散式和半集中式等3 種布置方案。

集中式空調(diào)系統(tǒng)屬于典型的全空氣系統(tǒng)，其冷熱源和空氣處理設(shè)備都集中布置在一個空調(diào)機(jī)房內(nèi)，將低焓值的空氣送入房間，吸收余熱和余濕后排出艙室。 由于空氣比熱較小，需要較大的送風(fēng)量才能消除余熱余濕， 因此風(fēng)道流通面積通常較大。 由于包裝件散熱量大，所需空調(diào)送風(fēng)量大，如采用全空氣的集中式空調(diào)系統(tǒng)， 空調(diào)送風(fēng)和回風(fēng)管布置存在較大難度。 此外，由于貨艙內(nèi)裝載貨物的特殊性， 空調(diào)回風(fēng)的艙外循環(huán)也會帶來有害物質(zhì)擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)。

分散式空調(diào)系統(tǒng)，即單元式空調(diào)器，把冷熱源、空氣處理設(shè)備和風(fēng)機(jī)集中設(shè)置在單個箱體內(nèi)，形成一個緊湊的空調(diào)系統(tǒng)。 該方案可以根據(jù)需要，靈活而分散地將空調(diào)器布置在艙室內(nèi)，不必設(shè)置空調(diào)機(jī)房。 但是，考慮到貨艙內(nèi)裝載貨物的特殊性，運(yùn)輸過程中船員往往被限制進(jìn)入貨艙，數(shù)量較多的單元空調(diào)布置在貨艙內(nèi)，必然會帶來設(shè)備維護(hù)問題。

半集中式空調(diào)系統(tǒng)，其冷熱源可以集中布置在貨艙以外區(qū)域，貨艙內(nèi)僅需布置風(fēng)機(jī)盤管對回風(fēng)進(jìn)行冷卻處理， 而風(fēng)機(jī)盤管的運(yùn)動部件只有風(fēng)機(jī)，采用冗余設(shè)計(jì)，可以把營運(yùn)過程中因設(shè)備維護(hù)而需要進(jìn)入貨艙的可能性降到最低。

因此，半集中式空調(diào)系統(tǒng)是貨艙空調(diào)系統(tǒng)的最優(yōu)布置方案，如圖2 所示。

圖2 半集中式空調(diào)系統(tǒng)布置示意圖

2.2 空調(diào)冷卻系統(tǒng)研究

根據(jù)運(yùn)輸貨物包裝件的特殊要求，貨艙需提供足夠的通風(fēng)或冷卻措施，保證在任何工況下貨艙平均環(huán)境溫度不超過38 ℃，且貨艙的通風(fēng)或冷卻系統(tǒng)應(yīng)與用于其他處所的通風(fēng)或冷卻系統(tǒng)相互獨(dú)立。 對于貨物處所溫度控制所必需的設(shè)備或裝置， 如風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、熱交換器、冷卻水泵等，每一貨物處所應(yīng)有雙套配置。 雙套設(shè)備或裝置之間應(yīng)相互獨(dú)立，不能相互影響。

圖3 貨艙空調(diào)冷卻系統(tǒng)簡圖

2.3 空調(diào)氣流分布研究

結(jié)合目標(biāo)處所的要求和特點(diǎn)，空調(diào)氣流分布可以分為上送下回、上送上回、下送上回和中送風(fēng)等多種形式。 對于貨艙而言，通常采用上送下回和下送上回兩種氣流組織方式。

2.3.1 上送下回的氣流組織

上送下回是艙室空調(diào)送風(fēng)、 回風(fēng)的基本方式，其送風(fēng)氣流不直接進(jìn)入工作區(qū)，有較長距離與室內(nèi)空氣混合，能夠形成比較均勻的溫度場。 如圖4 所示，送風(fēng)從頂部送風(fēng)口向上送冷空氣，首先與艙內(nèi)的空氣混合，再送到需要冷卻的包裝件表面。 但是，由于包裝件散熱排出熱空氣， 形成向上的自然對流，冷熱空氣逆向混合，吹到包裝件表面尤其是底部的空氣溫度偏高，不利于包裝件的冷卻散熱。

圖4 貨艙上送下回氣流組織圖

2.3.2 下送上回的氣流組織

下送上回方案， 在貨艙底部設(shè)置專用送風(fēng)風(fēng)道，冷空氣通過貨艙底部送風(fēng)口進(jìn)入貨艙，回風(fēng)通過貨艙上部空間，回到空調(diào)風(fēng)機(jī)盤管。 如圖5 所示，送風(fēng)口布置在包裝件底部，冷空氣可以直接吹到包裝件表面，能有效提高包裝件的冷卻效果。

圖5 貨艙下送上回氣流組織圖

貨艙底部送風(fēng)口，無論采用何種形式，只要送風(fēng)面積足夠，即能滿足空調(diào)送風(fēng)要求。 但建議底部送風(fēng)口配備風(fēng)量調(diào)節(jié)功能， 并設(shè)置空氣過濾層，有利于提高送風(fēng)的均勻性和潔凈度。

綜合以上對比，貨艙空調(diào)更適合采用下送上回的氣流組織方式。

3 貨艙溫度場仿真驗(yàn)證

基于以上分析得到的空調(diào)配置及布置方案，進(jìn)一步采用CFD 仿真來驗(yàn)證其有效性。

以某個貨艙為研究對象， 裝載3 個包裝件，配置兩套風(fēng)機(jī)盤管（一用一備），并作適當(dāng)簡化處理，建立三維模型如圖6 所示。

圖6 貨艙三維模型圖

根據(jù)貨艙熱平衡計(jì)算得到空調(diào)參數(shù)配置，并用于CFD 計(jì)算，參數(shù)設(shè)置如表1。 對上述三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并設(shè)置邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算收斂后，得到溫度場分布如圖7 所示。

表1 貨艙空調(diào)仿真計(jì)算參數(shù)

圖7 貨艙各典型截面溫度場圖

結(jié)果顯示，在空調(diào)送風(fēng)下，貨艙內(nèi)包裝件上方絕大部分空間均維持在 30～35 ℃，且從圖 7（c）可以看出， 包裝件中心線水平面溫度場分布比較均勻，溫度基本低于30 ℃，說明包裝件及周圍在空調(diào)送風(fēng)下能得到有效冷卻。 此外，從圖 7（a）、（b）中可以看到， 在頂部艙蓋的下方存在一定厚度的高溫范圍，這主要是因?yàn)轫敳棵娼?jīng)受太陽輻射被加熱，而空氣密度隨溫度升高而減小， 導(dǎo)致熱空氣聚集在頂部。另一方面，由風(fēng)機(jī)盤管抽吸回風(fēng)形成的回流主要分布在包裝件上方的中部區(qū)域，頂部空氣流動相對遲緩，也導(dǎo)致了頂部熱空氣難以有效及時排出。 但是熱空氣主要聚集在貨艙頂部， 且范圍相對較小，距離包裝件較遠(yuǎn)， 對包裝件的周邊熱環(huán)境影響很小。此外，從計(jì)算結(jié)果中提取風(fēng)機(jī)盤管回風(fēng)口的溫度為約34.2 ℃。 所以，總體而言，貨艙空調(diào)設(shè)計(jì)能滿足包裝件工作環(huán)境要求。

4 結(jié) 語

基于熱濕負(fù)荷計(jì)算、管系設(shè)計(jì)、設(shè)備布置及氣流組織等方面研究得到的貨艙空調(diào)方案得到了CFD 仿真模擬的有效驗(yàn)證，滿足海運(yùn)特殊貨物包裝件的設(shè)計(jì)要求。 研究結(jié)果可以為后續(xù)貨艙空調(diào)設(shè)計(jì)和溫度控制提供借鑒。