600FEU冷藏集裝箱船貨艙通風(fēng)

馬幽雅，徐 麟

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 引 言

600 FEU冷藏集裝箱船屬于中小型支線集裝箱船，由上海船舶研究設(shè)計(jì)院自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，具有航速高和貨艙內(nèi)冷藏集裝箱數(shù)量多等顯著特點(diǎn)。在該船的設(shè)計(jì)策劃中，要求貨艙內(nèi)部的梯道盡可能地采用斜梯布置方式，這使得貨艙通風(fēng)設(shè)計(jì)工作有很大難度。有效處理好梯道、風(fēng)道、冷藏箱維護(hù)空間和貨艙結(jié)構(gòu)間的相互干擾，是本文討論的重點(diǎn)。下面從貨艙通風(fēng)設(shè)計(jì)背景、貨艙通風(fēng)的設(shè)計(jì)思路與效果模擬和貨艙風(fēng)機(jī)與風(fēng)道的定位等3方面對(duì)該船貨艙通風(fēng)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1 貨艙通風(fēng)設(shè)計(jì)背景

600FEU冷藏集裝箱船是專門(mén)用來(lái)載運(yùn)冷藏集裝箱的船舶，設(shè)有4個(gè)貨艙，其中：1號(hào)貨艙內(nèi)有28個(gè)箱位；2號(hào)貨艙內(nèi)有80個(gè)箱位；3號(hào)貨船內(nèi)有98個(gè)箱位；4號(hào)貨艙內(nèi)有88個(gè)箱位。貨艙內(nèi)的冷藏箱分前后兩排裝載，以3號(hào)貨艙為例（見(jiàn)圖1），冷藏集裝箱分5層堆放，前排共計(jì)48個(gè)箱位，后排共計(jì)50個(gè)箱位，冷藏集裝箱壓縮機(jī)組件位于箱體后部。冷藏集裝箱后部結(jié)構(gòu)平臺(tái)的寬度為：前排 2400mm，后排2000mm。這意味著所有貨艙梯道和貨艙風(fēng)道都要在該空間內(nèi)布置。

圖1 3號(hào)貨艙裝載示意

該船入級(jí)DNV GL，雖然沒(méi)有冷藏集裝箱船附加入級(jí)符號(hào)RCP，但考慮到實(shí)際營(yíng)運(yùn)需求，在設(shè)計(jì)中仍盡可能地按照較高的要求設(shè)計(jì)。例如：貨艙通風(fēng)風(fēng)量按照熱帶水果（香蕉）的通風(fēng)要求確定，即每個(gè)風(fēng)冷冷藏集裝箱的通風(fēng)量按4500m3/h設(shè)計(jì)；貨艙內(nèi)的通道位于冷藏集裝箱壓縮機(jī)側(cè)，各層平臺(tái)對(duì)應(yīng)于各層冷藏集裝箱壓縮機(jī)的監(jiān)控與檢修位置；冷藏集裝箱壓縮機(jī)單元的正常工作環(huán)境溫度按不高于50℃的要求設(shè)計(jì)等[1]。

船東的特別設(shè)計(jì)要求包括：考慮到加勒比海地區(qū)炎熱、濕潤(rùn)的氣候特點(diǎn)，該船所處的大氣環(huán)境溫度按40℃考慮，冷藏集裝箱允許的工作環(huán)境溫度按50℃考慮，而按照RCP符號(hào)的要求，大氣環(huán)境一般按照35℃溫度、70%相對(duì)濕度考慮[1]；考慮到提高船員操作檢查的便捷性，貨艙內(nèi)部的梯道盡可能地采用斜梯。

2 貨艙通風(fēng)的設(shè)計(jì)思路與效果模擬

為滿足船東的特別要求，該船的貨艙通風(fēng)設(shè)計(jì)采用與常規(guī)的冷藏集裝箱通風(fēng)設(shè)計(jì)不同的思路，綜合考慮斜梯空間、風(fēng)道位置、通風(fēng)效果和檢修空間等多個(gè)因素間的相互制約。

按照常規(guī)的冷藏集裝箱通風(fēng)設(shè)計(jì)思路，送風(fēng)風(fēng)道一般自上而下縱列布置，送風(fēng)口盡量對(duì)準(zhǔn)或靠近冷藏集裝箱的壓縮機(jī)單元，從而提供良好的工作環(huán)境。由于并列的冷藏集裝箱之間的距離十分有限，平行間隔布置的風(fēng)道之間一般只能布置直梯供船員進(jìn)出貨艙。若想在船寬方向上布置斜梯，必須將風(fēng)道壓縮在有限的區(qū)域內(nèi)，以空出相應(yīng)的位置來(lái)滿足斜梯的布置需求。因此，采用中部集中送風(fēng)、兩側(cè)抽風(fēng)的設(shè)計(jì)思路，貨艙通風(fēng)方案簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2 600FEU冷藏集裝箱船貨艙通風(fēng)方案簡(jiǎn)圖

為檢驗(yàn)該設(shè)計(jì)思路的可行性，結(jié)合冷藏集裝箱通風(fēng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析。

1) 對(duì)于送風(fēng)口不對(duì)準(zhǔn)冷藏集裝箱壓縮機(jī)單元的情況，有2種設(shè)計(jì)理念。常規(guī)的設(shè)計(jì)思路考慮的是單點(diǎn)冷卻的效果，即將足夠的新風(fēng)持續(xù)地輸送到冷藏集裝箱壓縮機(jī)周圍形成局部冷點(diǎn)，并通過(guò)源源不斷地輸送新風(fēng)迫使熱空氣從貨艙內(nèi)溢出。該設(shè)計(jì)旨在保證單點(diǎn)冷卻風(fēng)量充足[2]。本文所述的設(shè)計(jì)思路是采用有限空間的彌漫式/吹掃式冷卻散熱方式，將風(fēng)機(jī)歸置于中央位置，即將大量的新風(fēng)從橫艙壁中間位置向下輸送給各層平臺(tái)，并向平臺(tái)兩側(cè)組織送風(fēng)氣流，氣流橫向掠過(guò)各集裝箱壓縮機(jī)單元，完成散熱冷卻之后聚集到貨艙的左右兩側(cè)，最終通過(guò)兩側(cè)的抽風(fēng)機(jī)和艙蓋上開(kāi)設(shè)的百葉窗從貨艙內(nèi)排出。兩種設(shè)計(jì)思路的散熱形式是截然不同的，但只要能保證有足夠的換熱風(fēng)量，建立起流暢的通風(fēng)流場(chǎng)，在原理上都能達(dá)到預(yù)期的冷卻效果。當(dāng)然，采用仿真分析手段輔助印證設(shè)計(jì)思路的有效性是十分必要的。

2) 對(duì)于送風(fēng)機(jī)與抽風(fēng)機(jī)能否同側(cè)的問(wèn)題，冷藏集裝箱的散熱特點(diǎn)不同于常規(guī)集裝箱，其有明確的集中熱源，即壓縮機(jī)區(qū)域，而其他部分有較好的絕熱保護(hù)，可認(rèn)為散熱不明顯；對(duì)于常規(guī)集裝箱裝載，需考慮貨物運(yùn)輸過(guò)程中的熱量集聚（堆積、摩擦和自身散熱等），其散熱區(qū)域一般認(rèn)為是集裝箱周身表面。因此，對(duì)于特定的冷藏集裝箱通風(fēng)，可嘗試將送風(fēng)機(jī)和抽風(fēng)機(jī)同時(shí)布置在貨艙的一側(cè)（冷藏集裝箱壓縮機(jī)側(cè)），只要能滿足該區(qū)域的散熱要求，就能保證冷藏集裝箱穩(wěn)定運(yùn)行，而不必像常規(guī)貨艙通風(fēng)設(shè)計(jì)一樣將抽風(fēng)機(jī)布置在送風(fēng)口的貨艙兩端對(duì)角側(cè)。當(dāng)然，抽風(fēng)機(jī)應(yīng)盡量布置在遠(yuǎn)離送風(fēng)機(jī)的位置，防止出現(xiàn)通風(fēng)短路。

圖3 3號(hào)貨艙通風(fēng)布置模型

為檢驗(yàn)在原理上實(shí)現(xiàn)新的設(shè)計(jì)思路之后能否保證其達(dá)到良好的通風(fēng)散熱效果和壓縮機(jī)周邊的工作溫度能否控制在 50℃以下，對(duì)貨艙通風(fēng)效果進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）模擬是十分必要的。圖3為該船3號(hào)貨艙通風(fēng)布置模型。經(jīng)過(guò)模擬分析，得到冷藏集裝箱壓縮機(jī)側(cè)的溫度場(chǎng)分析結(jié)果見(jiàn)圖4，其中：X1為出風(fēng)口截面處溫度場(chǎng)；X2為集裝箱壓縮機(jī)截面處溫度場(chǎng)；通風(fēng)開(kāi)孔的水平高度與常見(jiàn)冷藏集裝箱壓縮冷凝機(jī)組的高度平齊，一般在冷藏集裝箱底部1/3處[1]。從溫度場(chǎng)分析結(jié)果來(lái)看，良好的通風(fēng)效率能保證冷藏集裝箱工作所需的最佳環(huán)境溫度，雖然最靠近舷側(cè)的一列冷藏集裝箱周邊因聚集了從中路來(lái)的大量熱空氣而溫度略高，但仍能較好地控制在50℃以內(nèi)。

圖4 貨艙內(nèi)溫度場(chǎng)分析結(jié)果

3 貨艙風(fēng)機(jī)與風(fēng)道的定位

在驗(yàn)證通風(fēng)設(shè)計(jì)思路的可行性之后，在實(shí)際布置通風(fēng)風(fēng)道時(shí)仍需解決許多難題。以該船3號(hào)貨艙為例，典型的貨艙通風(fēng)布置見(jiàn)圖5。

圖5 典型貨艙通風(fēng)布置圖

3.1 結(jié)構(gòu)縱向艙壁對(duì)風(fēng)道的影響

結(jié)構(gòu)縱向艙壁所處位置除了對(duì)梯道有嚴(yán)重的阻礙以外，對(duì)風(fēng)道也有較大的影響。由于艙壁上需開(kāi)設(shè)通道孔，風(fēng)道只能設(shè)在2道艙壁之間的中心位置，風(fēng)道兩側(cè)需留出足夠的通道寬度。該船的設(shè)計(jì)采用螺旋風(fēng)管的形式，在保證通道寬度的同時(shí)，滿足風(fēng)道風(fēng)速的設(shè)計(jì)要求。

3.2 風(fēng)道位置與檢修位置的矛盾

從原理上看，風(fēng)道的位置應(yīng)盡可能地靠近結(jié)構(gòu)平臺(tái)的外側(cè)，這樣既能將新風(fēng)直接輸送至冷藏集裝箱壓縮機(jī)附近，又能最大限度地減少艙壁構(gòu)件對(duì)通風(fēng)流場(chǎng)的阻隔，達(dá)到最佳的通風(fēng)效果。然而，冷藏集裝箱壓縮機(jī)組的維修空間同樣需占用相應(yīng)的平臺(tái)空間，在平臺(tái)寬度受限的情況下（Fr99，寬度為 2000mm），為同時(shí)滿足通道寬度和檢修空間的要求，風(fēng)道只能貼近橫艙壁一側(cè)布置；在平臺(tái)寬度為 2400mm的一側(cè)（Fr118），風(fēng)道可布置在平臺(tái)的中部，風(fēng)道的前方為壓縮機(jī)組的檢修空間，后方為貨艙通道空間。

3.3 送風(fēng)機(jī)數(shù)量和位置的確定

根據(jù)前文的描述，在設(shè)計(jì)該船時(shí)考慮熱帶水果的冷藏運(yùn)輸，每個(gè)冷藏集裝箱的通風(fēng)量按4500m3/h加以考量。由于貨艙內(nèi)的冷藏集裝箱數(shù)量很多，需對(duì)送風(fēng)機(jī)的數(shù)量和位置進(jìn)行合理分配，避免出現(xiàn)風(fēng)機(jī)和風(fēng)管尺寸太大影響通道或風(fēng)機(jī)和風(fēng)管數(shù)量太多占用過(guò)多空間的極端情況。

以3號(hào)貨艙后排為例，此處共有50個(gè)冷藏集裝箱，所需風(fēng)量合計(jì)225000m3/h；縱向結(jié)構(gòu)間距最小處的間距約為2500mm，風(fēng)管左右兩側(cè)均需考慮走道空間，因此實(shí)際風(fēng)管的最大尺寸不宜超過(guò)DN1000。根據(jù)以上約束條件，大致有3種送風(fēng)機(jī)配置方案，具體見(jiàn)表1。

表1 送風(fēng)機(jī)配置方案比較

由表1可知，配置6臺(tái)送風(fēng)機(jī)是最合理的選擇。送風(fēng)機(jī)應(yīng)盡量靠近冷藏集裝箱壓縮機(jī)側(cè)布置，以達(dá)到最佳的供風(fēng)效果。該船的貨艙風(fēng)機(jī)位于冷藏集裝箱壓縮機(jī)側(cè)，相對(duì)集中在中部，而不是同常規(guī)設(shè)計(jì)一樣與各列冷藏集裝箱對(duì)應(yīng)布置，這既是由貨船梯道布置要求決定的，也是該船設(shè)計(jì)的一種新的嘗試。

3.4 抽風(fēng)機(jī)布置位置的確定

該船必須設(shè)置抽風(fēng)機(jī)，原因是采用中部集中送風(fēng)之后，大量的熱空氣隨著氣流聚集到左右兩側(cè)，使得貨艙最靠近舷側(cè)的2列冷藏集裝箱的工作環(huán)境溫度最為惡劣，若以自然通風(fēng)的方式慢慢地等待熱量溢出貨艙，或在貨艙的另一端設(shè)置抽風(fēng)機(jī)都無(wú)法保證此處邊緣位置的工作溫度。

抽風(fēng)機(jī)的布置必須有利于通風(fēng)流場(chǎng)的氣流組織，必須位于熱氣流最集中的區(qū)域，因此將抽風(fēng)機(jī)布置在貨艙兩側(cè)盡可能遠(yuǎn)離中央的送風(fēng)機(jī)位置，這樣既能有效排出集聚的熱空氣，又能加強(qiáng)空間氣流的流暢性，是最佳的位置選擇。溫度場(chǎng)的分布結(jié)果（如圖4所示）印證了上述分析。

此外，抽風(fēng)機(jī)的風(fēng)量選擇需得到系統(tǒng)模擬結(jié)果的驗(yàn)證，風(fēng)機(jī)過(guò)小不利于熱量有效排出，風(fēng)機(jī)過(guò)大不利于貨艙結(jié)構(gòu)角隅處的強(qiáng)度校核。該船采用的總抽風(fēng)機(jī)風(fēng)量為總送風(fēng)機(jī)風(fēng)量的1/3，左右兩舷各布置1臺(tái)，其余2/3送風(fēng)機(jī)風(fēng)量通過(guò)艙蓋上的風(fēng)雨密百葉窗自然溢出。

實(shí)船3號(hào)貨艙后排冷藏集裝箱區(qū)域通風(fēng)機(jī)選型配置情況見(jiàn)表2，典型布置如圖5所示。

表2 實(shí)船風(fēng)機(jī)配置情況

4 結(jié) 語(yǔ)

本文所述600 FEU冷藏集裝箱船的貨艙通風(fēng)設(shè)計(jì)采用了全新的設(shè)計(jì)理念和布置方法，有別于常規(guī)貨船的貨艙通風(fēng)設(shè)計(jì)思路。CFD初步模擬結(jié)果驗(yàn)證了該方案的可行性和有效性，具體效果有待實(shí)船驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目的貨艙通風(fēng)設(shè)計(jì)的介紹，能為后續(xù)冷藏集裝箱船的貨艙通風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。