機艙分散式誘導通風系統(tǒng)設計

楊 勇

（中船郵輪科技發(fā)展有限公司，上海 200439）

0 引 言

機艙通風系統(tǒng)的作用是為機艙提供足夠的室外新鮮空氣，滿足機艙內主柴油機和發(fā)電柴油機運行對空氣的需求，同時將機艙內設備運行散發(fā)的熱量帶走，為機艙內的工作人員提供相對舒適的工作環(huán)境。分散式誘導通風系統(tǒng)是指在機艙內布置多臺誘導風機，用小的螺旋風管代替原來大的矩形風管的通風系統(tǒng)。該系統(tǒng)能降低能耗，節(jié)省成本，在機艙內形成良好的氣流組織。分散式誘導通風系統(tǒng)主要由多臺小型高壓離心風機、射流噴嘴和小的螺旋風管組成，適用于通風管系復雜、需精確控制的這類船舶機艙通風系統(tǒng)[1]。

本文結合實船設計經驗，介紹機艙分散式誘導通風系統(tǒng)的設計。通過與機艙常用的風管式通風系統(tǒng)的對比，指出分散式誘導通風系統(tǒng)的優(yōu)勢。針對2種通風系統(tǒng)的優(yōu)缺點，結合實際工況，對分散式誘導通風系統(tǒng)的設計和使用情況進行說明。

1 機艙通風系統(tǒng)設計

1.1 機艙通風的目的

船舶機艙需具有良好的通風換氣系統(tǒng)[2]，以達到以下目的：

1) 提供足量的新鮮空氣量給主柴油機和發(fā)電柴油機燃燒及散熱使用；

2) 給其他散熱設備提供足夠的冷卻空氣量；

3) 為輪機人員提供良好的機艙工作環(huán)境。

1.2 機艙通風量和機艙送風機的確定

根據(jù)ISO8661計算出機艙通風量為127000m3/h，最終確定該項目共采用4臺軸流送風機進行機艙通風。先通過主風道向機艙輸入足夠多的新鮮空氣，每臺送風機的風量為32000m3/h，靜壓為450Pa，風機編號為FAN1～FAN4，其中：FAN1主要給機艙上平臺內的3臺輔發(fā)電柴油機提供燃燒及散熱用的室外新鮮空氣；FAN2主要給機艙上平臺內設備（包括輔柴油發(fā)電機）的散熱提供室外新鮮空氣；FAN3主要給機艙中平臺及下平臺內設備（包括主機）的散熱提供室外新鮮空氣；FAN4主要給中平臺內的主機提供燃燒用的室外新鮮空氣。表1為機艙主要設備的參數(shù)及其所需風量。

表1 機艙主要設備的參數(shù)及其所需風量

為實現(xiàn)對機艙風機的節(jié)能控制，當2臺輔柴油發(fā)電機停止工作時，F(xiàn)AN1可關閉；當3臺輔柴油發(fā)電機停止工作時，F(xiàn)AN1可關閉，F(xiàn)AN3視情況也可關閉；當主機停止工作時，F(xiàn)AN4可關閉；FAN2應保持常開狀態(tài)。

按照以往的設計，一般都是通過尺寸很大的矩形厚風管將新風送到機艙各處所，整個通風系統(tǒng)龐大而復雜。將復雜的機艙通風風管系統(tǒng)布置在空間狹小的機艙內一直是難度非常大的工作，需多個相關專業(yè)相互協(xié)調，否則設計出來的機艙通風系統(tǒng)會占用機艙大量的空間，其風量分配、管路布置、機艙設備布置和通風效果都不理想。

2 機艙分散式誘導通風系統(tǒng)設計

2.1 機艙分散式誘導通風系統(tǒng)

機艙誘導通風系統(tǒng)與機艙送風機系統(tǒng)組成一個完整的機艙通風系統(tǒng)，機艙內無需龐大復雜的送風系統(tǒng)便可形成良好的通風和高效的換氣，均勻的氣流組織能避免產生通風死角。該系統(tǒng)的工作原理是在機艙內適當?shù)奈恢锰幉贾谜T導射流風機，由機艙誘導通風系統(tǒng)通過多個可轉動的射流噴嘴組噴出的定向高速氣流，誘導室外送風機將新鮮空氣送達機艙內需要通風的各處所，實現(xiàn)最佳的氣流組織，達到良好的通風換氣效果。機艙誘導通風系統(tǒng)原理圖見圖1[3]。

圖1 機艙誘導通風系統(tǒng)原理圖

采用由多臺小型離心風機組成的分散式誘導通風系統(tǒng)是為了滿足機艙內不同設備及區(qū)域對新風的個性化要求。系統(tǒng)中小的螺旋風管連接多個誘導射流噴嘴組，形成分別為主柴油機燃燒、輔柴油機燃燒、機艙設備散熱和廢氣排除配備的專用小型誘導通風系統(tǒng)。這樣做的好處是可實現(xiàn)對誘導風機的精確控制，減小誘導通風系統(tǒng)風管的尺寸，減少誘導通風系統(tǒng)風管的數(shù)量，更加智能，成本更低。

誘導通風是根據(jù)動量守恒原理，利用少量高壓空氣，通過高速噴嘴向自由空間噴射成束的氣流，在氣流本身的黏性和湍流橫向脈動的作用下，不斷誘導和卷吸周圍的空氣，使射流沿軸線方向的橫截面不斷增大，帶動周圍的空氣在無風管的條件下沿指定的路線流動，將空氣輸送到設備區(qū)域，誘導比可達20倍以上。空氣射流通風系統(tǒng)的空氣噴射形式屬于等溫自由紊流圓射流[3]，其示意見圖2。

圖2 等溫自由紊流圓射流示意

圓形噴口等溫射流軸心速度衰減規(guī)律的計算式[4]為

式(1)中：v0為出風口平均風速，m/s；vx為射程x處的軸心速度，m/s；K為軸心速度常數(shù)；D0為出風口等效直徑，m；X為射程，m。

單噴口等溫射流誘導比的計算式[4]為

式(2)中：Q0為出風口風量，m3/h；Qx為誘導風量，m3/h；K為圓形噴口等溫射流軸心速度常數(shù)，其取值見表2[4]。

表2 圓形噴口等溫射流軸心速度常數(shù)K取值

2.2 誘導風量和噴嘴出風量的設計

以主機為例，主機燃燒所需空氣量為28000m3/h，根據(jù)機艙的布置，可在距離主機進氣口5.0m（射程為X）處布置2個噴嘴（JN018和JN019），主機進氣口處能接受的軸心速度vx可定為2m/s，由式(1)和式(2)可推導出噴嘴的誘導風量的計算式為

將K=6.2代入式(3)得出噴嘴的誘導風量Qx= 7 352 m3/h 。噴嘴出風口直徑取100mm，根據(jù)式(2)可得出每個噴嘴的出風口風量為456m3/h，設計取噴嘴出風口風量為500m3/h，噴嘴出風口風速為17.7m/s。

另外，可在距離主機進氣口3.5m（射程為X）處布置3個噴嘴（JN020、JN021和JN022），主機進氣口處能接受的軸心速度vx可定為2m/s，將K=6.2代入式(3)得出Qx=4705m3/h。噴嘴出風口直徑取80mm，根據(jù)式(2)可得出每個噴嘴的出風口風量為255m3/h，設計取噴嘴出風口風量為300m3/h，噴嘴出風口風速為16.6m/s。

由此可見，5個噴嘴總的誘導風量為28819m3/h＞28000m3/h，滿足主機對燃燒空氣的要求。將這5個噴嘴連接在高壓離心風機JF005上，組成一個小型的誘導通風系統(tǒng)，專門為主機燃燒供氣，誘導風機的風量為1900m3/h，風機靜壓取500Pa。風機可與主機進行智能聯(lián)動控制：當主機開時，該誘導風機打開，給主機燃燒提供空氣；當主機停時，該誘導風機關閉，達到節(jié)能的目的。

最終根據(jù)機艙的布置和設備類型，在機艙內布置由5臺小型離心高壓誘導風機組成的機艙分散式誘導通風系統(tǒng)，誘導風機和可轉動式射流噴嘴組的連接布置及功能分配見表3。

表3 誘導風機和可轉動式射流噴嘴組的連接布置及功能分配

采用分散式誘導通風系統(tǒng)之后，機艙通風系統(tǒng)變得更加簡單有效。圖3～圖5為分散式機艙誘導通風系統(tǒng)布置圖。

圖3 機艙上平臺分散式誘導通風系統(tǒng)布置圖

圖4 機艙中平臺分散式誘導通風系統(tǒng)布置圖

圖5 機艙下平臺分散式誘導通風系統(tǒng)布置圖

在采用分散式誘導通風系統(tǒng)技術的機艙通風系統(tǒng)中，機艙送風機直接將室外的空氣送到機艙的每個平臺中即可，分散式高壓離心誘導通風機將其中一部分空氣吸入空氣射流通風管路中，并通過連接在系統(tǒng)管路上的小口徑高速螺旋風管和射流噴嘴將其吹到機艙內的各處所。從射流噴嘴高速噴出來的空氣將引導機艙送風系統(tǒng)送出來的新鮮空氣到達通風設計所需的任何位置，并將分布不均的停滯空氣團或渾濁厚重的油性氣體帶走。布置在上平臺艏部頂端的噴嘴也可將機艙內的上升熱氣流從煙囪排出機艙。

3 結 語

本文對機艙分散式誘導通風系統(tǒng)的設計進行了詳細介紹和說明，并結合實際項目經驗說明了該系統(tǒng)在船舶機艙通風系統(tǒng)中的設計和使用情況。與常規(guī)機艙通風系統(tǒng)采用龐大的矩形風管系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)采用的風管系統(tǒng)的尺寸大大減小，管路更為簡潔。機艙誘導通風系統(tǒng)在設計、通風效果、費用、節(jié)能、維護和控制等方面都具有一定的優(yōu)勢，將逐漸得到應用。分散式誘導通風系統(tǒng)能使機艙通風更加智能化，可控性更高。在船舶智能化發(fā)展趨勢下，分散式誘導通風系統(tǒng)是一個比較理想的機艙通風方案。