大型郵輪結(jié)構(gòu)風(fēng)道設(shè)計(jì)優(yōu)化

項(xiàng)紹行,劉明,錢希鴻

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

國(guó)內(nèi)首制大型郵輪,對(duì)風(fēng)量有極大的需求,但是現(xiàn)有的風(fēng)管尺寸難以滿足風(fēng)量的運(yùn)輸,依托船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)風(fēng)道應(yīng)運(yùn)而生。全船設(shè)計(jì)有80多條結(jié)構(gòu)風(fēng)道,總長(zhǎng)度達(dá)2 500 m,可以支持輸送較大風(fēng)量,減少風(fēng)管的使用,提高空間的利用。本文根據(jù)郵輪規(guī)格書和ISO-7547對(duì)ACS.15.5.1和ACS.15.5.2空調(diào)站控制的艙室進(jìn)行風(fēng)量計(jì)算,并與芬坎蒂尼提供的郵輪詳細(xì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。同時(shí),要保證結(jié)構(gòu)風(fēng)道的正常使用,需要保持結(jié)構(gòu)風(fēng)道的貫通性,所以提出了加快貫通性檢查的方法,解決貫通性檢查的難題。

1 結(jié)構(gòu)風(fēng)道的作用

結(jié)構(gòu)風(fēng)道主要有兩種作用:機(jī)械送/排風(fēng)、空調(diào)送/排風(fēng)。

1.1 機(jī)械送/排風(fēng)

結(jié)構(gòu)風(fēng)道用于機(jī)械送風(fēng)時(shí),需要在通風(fēng)末端安裝除水裝置和通風(fēng)百葉窗,保證進(jìn)入結(jié)構(gòu)風(fēng)道空氣的干燥性。而用于機(jī)械排風(fēng)時(shí),只需要在通風(fēng)末端安裝通風(fēng)百葉窗即可,保證在風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行時(shí),外界的灰塵不進(jìn)入結(jié)構(gòu)風(fēng)道內(nèi)。機(jī)械送風(fēng)結(jié)構(gòu)風(fēng)道及機(jī)械排風(fēng)結(jié)構(gòu)風(fēng)道分別見圖1、2。

圖1 機(jī)械送風(fēng)結(jié)構(gòu)風(fēng)道

圖2 械排風(fēng)結(jié)構(gòu)風(fēng)道

1.2 空調(diào)送/排風(fēng)

結(jié)構(gòu)風(fēng)道用于空調(diào)器送/排風(fēng)時(shí),若周圍艙室有噪音要求,需要在內(nèi)部加裝消音片,對(duì)其進(jìn)行降噪處理。同時(shí)送風(fēng)管末端需要安裝除水裝置和百葉窗,排風(fēng)管末端安裝通風(fēng)百葉窗。圖3是空調(diào)送/排風(fēng)結(jié)構(gòu)風(fēng)道。

圖3 空調(diào)送/排風(fēng)結(jié)構(gòu)風(fēng)道

2 結(jié)構(gòu)風(fēng)道設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 結(jié)構(gòu)風(fēng)道設(shè)計(jì)條件

以居住艙室為例,由于郵輪規(guī)格書規(guī)定乘客艙室需要配備風(fēng)機(jī)盤管,所以乘客艙室的新風(fēng)量只需滿足和廁所抽風(fēng)量平衡。以船員艙室為例,對(duì)艙室進(jìn)行熱負(fù)荷計(jì)算。

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況。

夏季:室外35 ℃-80%R.H;室內(nèi)24 ℃(中庭甲板3-4-5,24.7 ℃)-55%R.H.

冬季:室外0.5 ℃;室內(nèi) 23 ℃;

海水溫度:32 ℃;最低海水溫度:0 ℃;

服務(wù)處所基礎(chǔ)工況(廚房、洗衣房和配餐室),應(yīng)按表1要求設(shè)計(jì)。

表1 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件

2.2 熱傳遞

2.2.1 計(jì)算方法

對(duì)于每個(gè)單獨(dú)表面,傳遞損失或增加按公式(1)計(jì)算,單位為W。

φ=ΔT·k·A

(1)

式中:ΔT為空氣溫差,K,(對(duì)于有空調(diào)和無空調(diào)內(nèi)部艙室之間的空氣溫差見2.3);k為面積A的總傳熱系數(shù),W/(m2·K);A為艙壁的表面積,m2。

2.2.2 總傳熱系數(shù)

總傳熱系數(shù)值見表2,是假定露天的或與熱的或冷的處所相鄰的,或與熱設(shè)備或熱管系相鄰的所有表面設(shè)有合適的隔熱層的情況下求得的。除船東另有規(guī)定外,應(yīng)選用表2中的數(shù)值。其他情況,系數(shù)計(jì)算方法見式(2)。

表2 總傳熱系數(shù) W/(m2·K)

2.2.3 傳熱系數(shù)計(jì)算

(2)

式中:k為總傳熱系數(shù),W/(m2·K);α為傳熱表面空氣放熱系數(shù),W/(m2·K),風(fēng)速為20 m/s時(shí)的外露表面α=80 W/(m2·K);風(fēng)速為0.5 m/s時(shí)的內(nèi)露表面α=8 W/(m2·K);d為隔熱材料厚度,m;λ為各隔熱層材料導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);ML為空氣層熱阻,m2·K/W;Mb為不同材料層之間的熱阻,單位為(m2·K/W);μ為鋼結(jié)構(gòu)的修正系數(shù),相同厚度的平面狀隔熱時(shí),μ=1.2;相同厚度的波紋狀隔熱時(shí),μ=1.45。

2.2.4 人體熱增量

室內(nèi)在27 ℃的氣溫條件下,人體散發(fā)的潛熱和顯熱值見表3規(guī)定。

表3 人體活動(dòng)程度和散熱量 W

2.2.5 照明及其他熱源熱增量

利用日光的處所,照明產(chǎn)生的熱增量可以忽略不計(jì)。無日光的處所照明熱負(fù)荷按船東建議或有關(guān)權(quán)力機(jī)構(gòu)規(guī)定的額定功率計(jì)算。當(dāng)船東或有關(guān)權(quán)力機(jī)構(gòu)對(duì)額定輸出功率沒有規(guī)定時(shí),一般照明熱負(fù)荷則按表4的數(shù)值選用,已考慮有關(guān)照明要求。

表4 一般照明的熱增量 W/m2

2.3 空調(diào)艙室送風(fēng)量計(jì)算

2.3.1 根據(jù)換氣次數(shù)確定送風(fēng)

qv=n·V

(3)

式中:n為艙室的換氣次數(shù);V為艙室容積。

2.3.2 夏季工況各艙室熱平衡所需送風(fēng)量

(4)

式中:q′v為每個(gè)艙室夏季工況熱平衡所需送風(fēng)量,m3/h;qs為每個(gè)空調(diào)艙室艙內(nèi)顯熱的熱量,W;Ca為空氣質(zhì)量熱容,1 005 J/kg·K;ρa(bǔ)為空氣密度,1.2 kg/m3;ΔT為夏季空調(diào)設(shè)計(jì)送風(fēng)溫差,常取10 K。

2.3.3 冬季采暖工況各艙室熱平衡所需送風(fēng)量

(5)

式中,q″v為每個(gè)艙室冬季工況熱平衡所需送風(fēng)量,m3/h;q′為每個(gè)空調(diào)艙室艙內(nèi)顯熱的熱量,W;Ca為空氣質(zhì)量熱容,1 005 J/kg·K;ρa(bǔ)為空氣密度,1.2 kg/m3;ΔT′為冬季采暖溫差(≤22 K)。

2.3.4 艙室送風(fēng)量計(jì)算

各空調(diào)艙室送風(fēng)量,從式(3)、(4)及(5)計(jì)算結(jié)果中取大值,見表5。

表5 艙室送風(fēng)量計(jì)算書

從表5可以看出,兩人間的船員艙室,換氣次數(shù)為每小時(shí)8次,根據(jù)換氣次數(shù)確定的送風(fēng)量為

111.78 m3/h,夏季工況下該艙室熱平衡所需送風(fēng)量為57.08 m3/h,冬季采暖工況下該艙室熱平衡所需送風(fēng)量為19.5 m3/h。根據(jù)風(fēng)量計(jì)算原則取最大值,確定該艙室送風(fēng)量為111.78 m3/h。H1508船設(shè)計(jì)送風(fēng)量是111.6 m3/h,與本節(jié)設(shè)計(jì)的送風(fēng)量誤差僅為0.16%。

根據(jù)上述內(nèi)容,可以計(jì)算出空調(diào)站對(duì)應(yīng)的艙室的風(fēng)量,見表6。

表6 艙室送風(fēng)量計(jì)算匯總表 m3/h

根據(jù)大型郵輪規(guī)格書以及ISO-7547規(guī)范,對(duì)ACS.15.5.1和ACS.15.5.2空調(diào)站控制的艙室進(jìn)行風(fēng)量計(jì)算,并與大型郵輪詳設(shè)圖紙中所給的風(fēng)量進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算誤差控制在10%以內(nèi)。分析認(rèn)為造成誤差的原因主要有兩點(diǎn):①對(duì)于有換氣次數(shù)要求的艙室,本文提供的艙室底面積與紛坎蒂尼船廠提供的底面積數(shù)據(jù)有誤差;②對(duì)于無換氣次數(shù)要求的艙室,本文在定義設(shè)備熱時(shí)與紛坎蒂尼船廠不一致。匯總計(jì)算后可以得出ACS.15.5.1空調(diào)站所需的進(jìn)風(fēng)量為17 229.29 m3/h,H1508設(shè)計(jì)風(fēng)量為16 999.2 m3/h,誤差為0.14%;ACS.15.5.2空調(diào)站所需的進(jìn)風(fēng)量為19 405.97 m3/h,H1508設(shè)計(jì)風(fēng)量18 907.2 m3/h,誤差為0.26%。

2.4 結(jié)構(gòu)風(fēng)道設(shè)計(jì)

ACS 15.5.1和ACS 15.5.2空調(diào)站對(duì)風(fēng)量要求較高,若采用風(fēng)管的形式給空調(diào)站進(jìn)風(fēng),由于風(fēng)管截面積較大,會(huì)減小其他專業(yè)的鐵舾件的布置空間。所以依托船體結(jié)構(gòu)搭建結(jié)構(gòu)風(fēng)道可以減少布置空間的侵占,由于結(jié)構(gòu)風(fēng)道通常是矩形結(jié)構(gòu),所以根據(jù)郵輪規(guī)格書,帶絕緣的結(jié)構(gòu)風(fēng)道的最大風(fēng)速要低于10 m/s,不帶絕緣的結(jié)構(gòu)風(fēng)道的最大風(fēng)速要低于8 m/s。結(jié)構(gòu)風(fēng)道分為單用和多用兩種類型。當(dāng)結(jié)構(gòu)風(fēng)道只用于ACS 15.5.1空調(diào)站進(jìn)風(fēng)時(shí),結(jié)構(gòu)風(fēng)道設(shè)計(jì)的最小截面積為0.48 m2;當(dāng)結(jié)構(gòu)風(fēng)道只用于ACS 15.5.2空調(diào)站進(jìn)風(fēng)時(shí),結(jié)構(gòu)風(fēng)道設(shè)計(jì)的最小截面積為0.54 m2;兩者共用的結(jié)構(gòu)風(fēng)道設(shè)計(jì)的最小截面積為1.02 m2。當(dāng)結(jié)構(gòu)風(fēng)道截面積變化較大時(shí),需要在結(jié)構(gòu)風(fēng)道內(nèi)部增加導(dǎo)流板,減少內(nèi)部氣流壓力和流速變化造成的噪音和振動(dòng)。

3 結(jié)構(gòu)風(fēng)道貫通性檢查

結(jié)構(gòu)風(fēng)道是由艙壁和甲板圍成的密封通道,在大型郵輪中,大部分結(jié)構(gòu)風(fēng)道通常要跨越幾層甚至十幾層甲板區(qū)域,所以結(jié)構(gòu)風(fēng)道內(nèi)部與甲板、艙壁接觸的地方需要開孔,保持結(jié)構(gòu)風(fēng)道的貫通。但是在建模過程中,若漏開孔,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)風(fēng)道內(nèi)部氣體不流通,需要投入一定的人力對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)道模型進(jìn)行檢查。由于Smart 3D軟件視圖的光影效果不是很理,所以貫通性檢查會(huì)比較困難,而且在多條結(jié)構(gòu)風(fēng)道交匯處,容易遺漏一些關(guān)鍵位置的開孔檢查。因此,提出兩種方法用于檢查結(jié)構(gòu)風(fēng)道貫通性。

1)根據(jù)第2章計(jì)算的結(jié)構(gòu)風(fēng)道風(fēng)量分配結(jié)果,利用Smart 3D軟件,提出一種結(jié)構(gòu)風(fēng)道貫通性檢查的數(shù)學(xué)模型,用于檢查結(jié)構(gòu)風(fēng)道模型的封堵情況,減少施工后期因結(jié)構(gòu)風(fēng)道封堵而造成的返工問題。同時(shí)根據(jù)輸入輸出的風(fēng)量,計(jì)算每個(gè)結(jié)點(diǎn)處的風(fēng)速,并與實(shí)船數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,用于驗(yàn)證第2章風(fēng)量計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。

2)根據(jù)Smart 3D軟件的原功能,在結(jié)構(gòu)風(fēng)道模型內(nèi)部建立風(fēng)管模型,利用實(shí)體模型發(fā)生干涉時(shí)會(huì)出現(xiàn)紅色球體的特性,檢查結(jié)構(gòu)風(fēng)道的貫通性。

3.1 數(shù)學(xué)模型法

根據(jù)3D模型繪制結(jié)構(gòu)風(fēng)道模型見圖4。

圖4 結(jié)構(gòu)風(fēng)道模型示意

根據(jù)圖4建立計(jì)算模型。

(6)

式中:Q為結(jié)構(gòu)風(fēng)道總進(jìn)風(fēng)量,m3/h;Qi,j為單層甲板單個(gè)出風(fēng)口所需送風(fēng)量,m3/h;n為結(jié)構(gòu)風(fēng)道涉及的甲板層數(shù),個(gè);m為結(jié)構(gòu)風(fēng)道在各層甲板的出風(fēng)口數(shù)量,個(gè)。

在結(jié)構(gòu)風(fēng)道與甲板的交界處設(shè)置測(cè)量點(diǎn),用于測(cè)量交界處的風(fēng)量Qk。

(7)

式中:Qk為交界處的風(fēng)量,m3/h;k為甲板數(shù)減1。

當(dāng)結(jié)構(gòu)風(fēng)道模型的某一處發(fā)生封堵,該處的風(fēng)量Qi,j=0,該層與下層甲板交界處的風(fēng)量就會(huì)增加,將風(fēng)量與第2章的設(shè)計(jì)風(fēng)量做對(duì)比可快速判斷該層結(jié)構(gòu)風(fēng)道是否有封堵的現(xiàn)象,提高結(jié)構(gòu)風(fēng)道貫通性檢查的效率。

3.2 內(nèi)部建管法

3.2.1 內(nèi)部建管規(guī)則

1)風(fēng)管與結(jié)構(gòu)風(fēng)道統(tǒng)一命名規(guī)則。

一個(gè)結(jié)構(gòu)風(fēng)道對(duì)應(yīng)一根風(fēng)管,風(fēng)管的命名與結(jié)構(gòu)風(fēng)道相同。

2)風(fēng)管建模規(guī)則。

(1)風(fēng)管盡量建在結(jié)構(gòu)風(fēng)道內(nèi)部中心位置。

(2)風(fēng)管從結(jié)構(gòu)風(fēng)道的進(jìn)口開始建模,到結(jié)構(gòu)風(fēng)道出口結(jié)束。有些結(jié)構(gòu)風(fēng)道內(nèi)部會(huì)進(jìn)行分流,需要將風(fēng)管分成兩路建模。

(3)有些結(jié)構(gòu)風(fēng)道內(nèi)部安裝了插片式消音器,風(fēng)管建模過程中要避免與消音器發(fā)生干涉。

(4)風(fēng)管直徑為160 mm,該直徑是系統(tǒng)默認(rèn)的常用風(fēng)管直徑,方便操作,直徑160 mm的風(fēng)管可以從消音片的空隙穿過,不發(fā)生干涉。

3.2.2 內(nèi)部建管優(yōu)勢(shì)

在S3D軟件中,實(shí)體模型發(fā)生干涉時(shí),會(huì)出現(xiàn)紅色球體,提醒操作人員此處發(fā)生干涉。利用此特性,可以快速檢查結(jié)構(gòu)風(fēng)道內(nèi)部的開孔情況,提高結(jié)構(gòu)風(fēng)道貫通性檢查的效率。風(fēng)管與未開孔的結(jié)構(gòu)干涉圖見圖5。

圖5 風(fēng)管與未開孔的結(jié)構(gòu)干涉圖

風(fēng)管與結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉,此處的結(jié)構(gòu)需要拆除,保持結(jié)構(gòu)風(fēng)道的貫通性。說明結(jié)構(gòu)風(fēng)道內(nèi)部建管具有一定的價(jià)值用于提高人工檢查的準(zhǔn)確率,降低現(xiàn)場(chǎng)后期施工的難度。

同時(shí),由于結(jié)構(gòu)風(fēng)道參考模型沒有像風(fēng)管一樣建立一一對(duì)應(yīng)的目錄,只能一次性調(diào)取整層甲板上所有的結(jié)構(gòu)風(fēng)道,不利于結(jié)構(gòu)風(fēng)道一對(duì)一檢查。所以,根據(jù)3.2.1的規(guī)則,通過結(jié)構(gòu)風(fēng)道內(nèi)部的風(fēng)管可快速定位對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)風(fēng)道,方便操作人員觀察結(jié)構(gòu)風(fēng)道模型。最后,通過測(cè)量風(fēng)管的長(zhǎng)度來估算結(jié)構(gòu)風(fēng)道的長(zhǎng)度。

4 結(jié)論

關(guān)于大型郵輪結(jié)構(gòu)風(fēng)道的詳細(xì)設(shè)計(jì)還在探索中,根據(jù)郵輪規(guī)格書和ISO-7547將計(jì)算風(fēng)量與芬坎蒂尼船廠的設(shè)計(jì)風(fēng)量進(jìn)行對(duì)比,分析其中的異同點(diǎn),優(yōu)化結(jié)構(gòu)風(fēng)道風(fēng)量的計(jì)算方法,有助于推進(jìn)結(jié)構(gòu)風(fēng)道詳細(xì)設(shè)計(jì)。并且,利用計(jì)算結(jié)果提出的數(shù)學(xué)模型法以及結(jié)構(gòu)風(fēng)道內(nèi)部建管法,可以提高貫通性檢查的效率,加快郵輪生產(chǎn)設(shè)計(jì)的進(jìn)程。