海运特殊货物货舱温度控制

2021-08-11黄海啸陈俊黄信男

船舶设计通讯 2021年1期

关键词：散热量气流组织货舱

黄海啸，陈俊，黄信男

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

某些特殊货物在海运过程中必须控制货物周围的环境温度。假定该特殊货物在运输过程中，货物周围的环境平均温度不得超过38 ℃。根据相关要求，货舱需提供足够的通风或冷却，且冗余设计，以保证在任何工况下货舱的平均温度低于38 ℃。

以海运上述特殊货物包装件的货舱为研究对象，从货舱热湿负荷计算、空调布置方案和冷却系统设计和空调气流分布等方面进行货舱温度控制的研究，并采用CFD 仿真模拟进行方案验证。

1 货舱热湿负荷计算

货舱主要由钢围壁构成，其四周和底部通过压载舱或空舱与大气相邻，顶部为舱盖，外邻大气。货物采用包装件的形式均布在货舱底部，货舱内配置照明和风机盘管。因此，货舱内空调热湿负荷通常来源于以下几个方面。

1.1 货舱围护结构的传热负荷

因货舱内外温差以及太阳辐射，通过货舱舱盖、甲板、舱壁等货舱围护结构的传热负荷主要包括每个外表面的渗入热、渗出热和太阳辐射热。

1.2 货舱货物散热量

该包装件散热量随内装货物量的不同而变化，普遍在10～30 kW 不等。为适应不同类型包装件的运输要求，单个货物包装件的散热量按32 kW 来考虑。

1.3 货舱内其他散热量和散湿量

1）人体热：包装件进舱后，船员将不再进入货舱。专门负责人员每日进舱检查的时间非常短暂，因此人体热在本研究中可以忽略。

2）照明热：包装件进舱后，货舱照明处于开启状态，会产生一定的散热量。根据货舱内灯具参数显示，其散热量按总功率的20%计算。

3）风机热：系指电动机带动风机在工作过程中向货舱空间散发的热量。该船货舱空调装置的风机，在正常情况下将处于持续运行状态，其散热量以厂商提供的散热参数为准。

1.4 渗入热量和湿量

主要考虑补入货舱内新风的热量和湿量。由于货舱在正常状态下处于封闭状态，仅在专门负责人员进舱检查前短时间开启货舱通风机进行货舱换气。本船在实际运营时，会在专人进货舱检查前半小时提前开启通风机，并持续运行至检查结束，由此可以根据总的通风量计算新风带入的热量和湿量。

2 货舱空调系统研究

货舱内装载的包装件的散热量虽大，但没有散湿量。货舱内的湿量主要来自可能在货舱内活动的专门负责人员以及渗入的舱外空气，可以认为货舱内散湿量很小。此外，货舱内的散热量约95%左右是显热，热量大、湿量小，热湿比近似无穷大。因此，货舱空调的空气处理过程可近似作为一个等湿降温过程。送风的相对湿度一般控制在小于80%。在送风焓差小的前提下要消除余热，必然导致送风量大。

他重新振作起来，继续前进，心里又产生了一种新的恐惧。这不是害怕他会束手无策地死于断粮的恐惧，而是害怕饥饿还没有耗尽他的最后一点求生力，他已经给凶残地摧毁了。这地方的狼很多。狼嗥的声音在荒原上飘来飘去，在空中交织成一片危险的罗网，好像伸手就可以摸到，吓得他不由举起双手，把它向后推去，仿佛它是给风刮紧了的帐篷。

针对上述货舱环境特点，开展空调系统研究设计工作。

2.1 空调系统布置方案研究

在装载工况下货舱内要求维持的温度参数将通过空调系统来实现，如图1 所示。空调系统一般由制冷机组、冷媒水（或制冷剂）输送管道、空气处理设备、空气输送管道和空气分配装置等组成。工程应用需要综合考虑冷却空间的用途和性质、热湿负荷特性、温湿度调节和控制要求、空调机房的空间和位置、初投资和运行维修费用等诸多因素来选择合理的空调布置方案。

图1 空调系统示意图

空调系统一般包括集中式、分散式和半集中式等3 种布置方案。

集中式空调系统属于典型的全空气系统，其冷热源和空气处理设备都集中布置在一个空调机房内，将低焓值的空气送入房间，吸收余热和余湿后排出舱室。由于空气比热较小，需要较大的送风量才能消除余热余湿，因此风道流通面积通常较大。由于包装件散热量大，所需空调送风量大，如采用全空气的集中式空调系统，空调送风和回风管布置存在较大难度。此外，由于货舱内装载货物的特殊性，空调回风的舱外循环也会带来有害物质扩散的风险。

分散式空调系统，即单元式空调器，把冷热源、空气处理设备和风机集中设置在单个箱体内，形成一个紧凑的空调系统。该方案可以根据需要，灵活而分散地将空调器布置在舱室内，不必设置空调机房。但是，考虑到货舱内装载货物的特殊性，运输过程中船员往往被限制进入货舱，数量较多的单元空调布置在货舱内，必然会带来设备维护问题。

半集中式空调系统，其冷热源可以集中布置在货舱以外区域，货舱内仅需布置风机盘管对回风进行冷却处理，而风机盘管的运动部件只有风机，采用冗余设计，可以把营运过程中因设备维护而需要进入货舱的可能性降到最低。

因此，半集中式空调系统是货舱空调系统的最优布置方案，如图2 所示。

图2 半集中式空调系统布置示意图

2.2 空调冷却系统研究

根据运输货物包装件的特殊要求，货舱需提供足够的通风或冷却措施，保证在任何工况下货舱平均环境温度不超过38 ℃，且货舱的通风或冷却系统应与用于其他处所的通风或冷却系统相互独立。对于货物处所温度控制所必需的设备或装置，如风机、压缩机、热交换器、冷却水泵等，每一货物处所应有双套配置。双套设备或装置之间应相互独立，不能相互影响。

图3 货舱空调冷却系统简图

2.3 空调气流分布研究

结合目标处所的要求和特点，空调气流分布可以分为上送下回、上送上回、下送上回和中送风等多种形式。对于货舱而言，通常采用上送下回和下送上回两种气流组织方式。

2.3.1 上送下回的气流组织

上送下回是舱室空调送风、回风的基本方式，其送风气流不直接进入工作区，有较长距离与室内空气混合，能够形成比较均匀的温度场。如图4 所示，送风从顶部送风口向上送冷空气，首先与舱内的空气混合，再送到需要冷却的包装件表面。但是，由于包装件散热排出热空气，形成向上的自然对流，冷热空气逆向混合，吹到包装件表面尤其是底部的空气温度偏高，不利于包装件的冷却散热。

图4 货舱上送下回气流组织图

2.3.2 下送上回的气流组织

下送上回方案，在货舱底部设置专用送风风道，冷空气通过货舱底部送风口进入货舱，回风通过货舱上部空间，回到空调风机盘管。如图5 所示，送风口布置在包装件底部，冷空气可以直接吹到包装件表面，能有效提高包装件的冷却效果。

图5 货舱下送上回气流组织图

货舱底部送风口，无论采用何种形式，只要送风面积足够，即能满足空调送风要求。但建议底部送风口配备风量调节功能，并设置空气过滤层，有利于提高送风的均匀性和洁净度。

综合以上对比，货舱空调更适合采用下送上回的气流组织方式。

3 货舱温度场仿真验证

基于以上分析得到的空调配置及布置方案，进一步采用CFD 仿真来验证其有效性。

以某个货舱为研究对象，装载3 个包装件，配置两套风机盘管（一用一备），并作适当简化处理，建立三维模型如图6 所示。

图6 货舱三维模型图

根据货舱热平衡计算得到空调参数配置，并用于CFD 计算，参数设置如表1。对上述三维模型进行网格划分，并设置边界条件进行数值模拟，计算收敛后，得到温度场分布如图7 所示。

表1 货舱空调仿真计算参数

图7 货舱各典型截面温度场图

结果显示，在空调送风下，货舱内包装件上方绝大部分空间均维持在 30～35 ℃，且从图 7（c）可以看出，包装件中心线水平面温度场分布比较均匀，温度基本低于30 ℃，说明包装件及周围在空调送风下能得到有效冷却。此外，从图 7（a）、（b）中可以看到，在顶部舱盖的下方存在一定厚度的高温范围，这主要是因为顶部面经受太阳辐射被加热，而空气密度随温度升高而减小，导致热空气聚集在顶部。另一方面，由风机盘管抽吸回风形成的回流主要分布在包装件上方的中部区域，顶部空气流动相对迟缓，也导致了顶部热空气难以有效及时排出。但是热空气主要聚集在货舱顶部，且范围相对较小，距离包装件较远，对包装件的周边热环境影响很小。此外，从计算结果中提取风机盘管回风口的温度为约34.2 ℃。所以，总体而言，货舱空调设计能满足包装件工作环境要求。