新型船用排氣管氣密防火通艙裝置設(shè)計(jì)研究

沈 薔

渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧 興城 125105

船舶排氣系統(tǒng)是為船舶主機(jī)、發(fā)電機(jī)、燃油鍋爐等設(shè)備排除工作時(shí)產(chǎn)生的廢氣的管系，除了基本的工作要求，還應(yīng)該滿足降低噪聲的要求。對(duì)于一些特殊船舶，比如LNG 船舶、油船等，運(yùn)送的貨物均屬于易燃易爆危險(xiǎn)品，因此要特別考慮防火防爆問題，要求排氣管系能熄滅火星。對(duì)于一些軍用艦艇，還應(yīng)考慮隱蔽性。

船用的排氣管道需要輸送大量的熱廢氣甚至熱廢氣中還會(huì)存有火星，所以排氣管道通常溫度很高，經(jīng)過甲板等易燃物品時(shí)，很容易點(diǎn)燃物品造成火災(zāi)，輕則造成財(cái)產(chǎn)的損失，重則危及人的生命安全[1]。因此，設(shè)計(jì)一種新型的船用排氣管氣密防火通艙裝置，能有效降低排溫，對(duì)于船用排氣管的密封性以及防火性十分必要。

1 裝置結(jié)構(gòu)

本裝置是為了解決現(xiàn)有排氣管道溫度高、易點(diǎn)燃物品的問題。因此，對(duì)該船用排氣管氣密防火通艙裝置進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)：裝置的主體是個(gè)環(huán)體，環(huán)體和管道固定連接，環(huán)體內(nèi)腔下側(cè)設(shè)有儲(chǔ)水室，儲(chǔ)水室內(nèi)壁固定連接有伸縮囊，伸縮囊內(nèi)壁固定連接有彈簧，正視結(jié)構(gòu)示意圖和正面剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2 所示。

圖1 正視結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 正面剖面結(jié)構(gòu)示意圖

位于伸縮囊兩側(cè)的儲(chǔ)水室外壁分別開設(shè)有第一進(jìn)水口和第一出水口，儲(chǔ)水室頂部均固定連接有水管，且水管貫穿儲(chǔ)水室頂部，水管靠近管道一側(cè)的側(cè)壁開設(shè)有第二出水口，儲(chǔ)水室頂部均開設(shè)有第二進(jìn)水口。伸縮囊頂端固定連接有導(dǎo)熱棒，且導(dǎo)熱棒另一端與管道外壁相連接；伸縮囊內(nèi)腔設(shè)置有液體，液體為丙酮水溶液，伸縮囊采用抗高溫柔性材料。第一進(jìn)水口和第二進(jìn)水口內(nèi)部均設(shè)置有單向閥；第一進(jìn)水口、第二進(jìn)水口、第一出水口和第二出水口均等間距分布且大小相同，伸縮囊伸出的壓力大于第一出水口和第二出水口噴水所需的壓力。

2 裝置工作原理

結(jié)合本裝置例圖，對(duì)本裝置工作原理、實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行清楚、完整的描述。如圖3、圖4 所示，當(dāng)管道外壁溫度過高時(shí)，此時(shí)與管道外壁接觸的導(dǎo)熱棒206 會(huì)將溫度傳導(dǎo)給伸縮囊201 內(nèi)腔的丙酮水溶液，接著在高溫的作用下丙酮水溶液開始?xì)饣?，伴隨著氣化的發(fā)生，伸縮囊201 內(nèi)腔的壓力增大，此時(shí)伸縮囊201 開始向儲(chǔ)水室2 內(nèi)腔伸出，此時(shí)儲(chǔ)水室2 內(nèi)腔的壓強(qiáng)增大，由于第一進(jìn)水口202 和第二進(jìn)水口207 單向閥的阻斷作用，所以水不會(huì)從進(jìn)水口噴出，同時(shí)儲(chǔ)水室2 內(nèi)的水從第一出水口203 噴出，然后對(duì)底部的管道外壁進(jìn)行降溫，接著儲(chǔ)水室2 內(nèi)的水也會(huì)被擠壓從而流向與儲(chǔ)水室2 頂部固定連接的水管204，水會(huì)從水管204 側(cè)壁設(shè)置的第二出水口205 噴向管道外壁進(jìn)行降溫，管道外壁的溫度會(huì)逐漸降低，從而有效避免因溫度過高而點(diǎn)燃管道外壁處的易燃物品，保障了生命和財(cái)產(chǎn)的安全。隨著管道外壁溫度開始降低，此時(shí)伸縮囊201 內(nèi)腔的丙酮水溶液會(huì)開始從氣化轉(zhuǎn)為液化狀態(tài)，之后在彈簧208 回彈力的作用下伸縮囊201 會(huì)變成原先狀態(tài)，此時(shí)冷卻管道外壁后的水，會(huì)流向儲(chǔ)水室2的側(cè)壁和頂部，然后通過水的重力使儲(chǔ)水室2 側(cè)壁上開設(shè)的第一進(jìn)水口202 和頂部開設(shè)的第二進(jìn)水口207 打開單向閥后流入儲(chǔ)水室2，從而達(dá)到了循環(huán)利用的效果。

圖3 裝置正面部分剖面結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 裝置俯視剖面結(jié)構(gòu)示意圖

綜上所述，當(dāng)管道外壁溫度過高時(shí)，環(huán)體1內(nèi)腔的儲(chǔ)水室2 在壓強(qiáng)的作用下會(huì)及時(shí)地將水噴向管道外壁，達(dá)到降溫的效果，從而使得排氣管道在使用過程中更加安全，同時(shí)儲(chǔ)水室2 內(nèi)腔水可循環(huán)利用，也使得此裝置更具實(shí)用性。

3 技術(shù)創(chuàng)新性

相比現(xiàn)有技術(shù)，本裝置有諸多改進(jìn)，裝置通過導(dǎo)熱棒、伸縮囊、彈簧、儲(chǔ)水室之間的配合，達(dá)到冷卻的效果，避免了因管道外壁溫度過高引發(fā)火災(zāi)，同時(shí)儲(chǔ)水室可以對(duì)冷卻水進(jìn)行回收，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)使用[2]。

此外，第一進(jìn)水口202 和第二進(jìn)水口207 內(nèi)部均設(shè)置有單向閥。第一進(jìn)水口202、第二進(jìn)水口207、第一出水口203 和第二出水口205 均等間距分布且大小相同。因此，可以保證在儲(chǔ)水室2 內(nèi)腔壓強(qiáng)過大時(shí)，不會(huì)讓冷卻水從第一進(jìn)水口202 和第二進(jìn)水口207 噴出，確保冷卻水可以從第一出水口203 和第二出水口205 高速、高效地噴向管道外壁，增強(qiáng)冷卻效果。伸縮囊201 伸出的壓力大于第一出水口203 和第二出水口205 噴水所需的壓力，因管道外壁溫度過高，伸縮囊201 開始向儲(chǔ)水室2 內(nèi)腔伸出，此時(shí)增大的壓強(qiáng)可以迫使儲(chǔ)水室2 內(nèi)腔的冷卻水從第一出水口203 和第二出水口205 噴出，從而達(dá)到冷卻管道外壁的效果，提高裝置的合理性和實(shí)用性。

本裝置可以通過安裝自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀表，包括溫度計(jì)、壓力表等，自動(dòng)監(jiān)測(cè)內(nèi)部溫度、壓力。丙酮溶劑具有易揮發(fā)特性，受熱膨脹，當(dāng)溫度升高時(shí)，伸縮囊膨脹擠壓儲(chǔ)水室；當(dāng)溫度降低時(shí)，彈簧收縮將伸縮囊復(fù)位，可有效根據(jù)溫度自動(dòng)調(diào)整出水量。上述情況為本裝置具體的較理想的實(shí)施方式，在實(shí)際應(yīng)用中，還可在現(xiàn)有方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造或者升級(jí)并適用于更多領(lǐng)域[3]。

4 應(yīng)用前景

船用柴油機(jī)排氣溫度較高，一般來說，中速柴油機(jī)會(huì)帶走熱量的30%～40%，高速柴油機(jī)會(huì)帶走熱量的35%～40%。不難看出，柴油機(jī)的高溫廢氣經(jīng)排氣管排出，造成排氣管局部溫度過高，也是形成柴油機(jī)火災(zāi)事故的重要隱患。由于排氣管的工作環(huán)境溫度高，根據(jù)熱脹冷縮原理，會(huì)產(chǎn)生橫向和縱向的變形，縱向的會(huì)被彈性膨脹節(jié)所吸收，但是橫向的不會(huì)被彈性膨脹節(jié)所吸收，將產(chǎn)生不平衡力，從而導(dǎo)致排氣管以及相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生裂紋，影響船舶運(yùn)行安全[4]。因此，根據(jù)《鋼質(zhì)船舶造船規(guī)范》規(guī)定必須對(duì)排氣管進(jìn)行包扎，要求表面溫度不能高于220℃，一旦超出該溫度，應(yīng)立刻采取隔離措施。經(jīng)過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，排氣管在設(shè)置時(shí)不可以設(shè)置在油柜、燃油管接頭等油氣位置，以免發(fā)生危險(xiǎn)[5]。然而，即便做到上述要求，排溫仍然較高。因此，本裝置可以有效地降低排溫，帶走主機(jī)排氣熱量，有效預(yù)防船舶火災(zāi)事故的發(fā)生，為船舶的安全航行和船員的日常生活提供有力保障。

表1 船用柴油機(jī)的熱平衡

5 結(jié)語

由于船舶機(jī)艙是船舶設(shè)備高度集中的空間，包括主機(jī)、輔機(jī)等，用油場(chǎng)所較多，一旦出現(xiàn)火災(zāi)，施救困難，會(huì)使船上船員的人身安全及設(shè)備財(cái)產(chǎn)受到嚴(yán)重?fù)p失。所以，船舶排氣管系及時(shí)降溫可以極大地降低船舶發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)，進(jìn)而保障船員生命及財(cái)產(chǎn)安全。

本文著重介紹了一種排氣管氣密防火通艙裝置，本裝置可針對(duì)船舶排氣管系進(jìn)行有效降溫，預(yù)防火災(zāi)發(fā)生。裝置安裝容易，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障率低。同時(shí)，由于冷卻介質(zhì)主要為水，因而安全、環(huán)保、高效，可重復(fù)利用，即使?jié)B漏也無人身傷害。該裝置外套于排氣管，不僅可應(yīng)用于船舶排氣管系，而且還可應(yīng)用于熱力、冶金、焊接等其他需要冷卻降溫的工程領(lǐng)域，具有良好的商業(yè)前景及應(yīng)用價(jià)值。