冷藏集裝箱高箱標箱混裝時的貨艙風管均流設計

張曉紅，安毓輝，張俊杰

(中國船舶與海洋工程設計研究院，上海 200011)

在常規的冷藏集裝箱船貨艙通風系統中，每列冷藏集裝箱共用1根主風管，并在每根主風管的側面連接支管，將外界新風送至冷藏集裝箱冷凝器處。為了能夠快速將冷藏集裝箱的散熱排除，挪威船級社DNV[1]在規范I-Part 1 chapter19描述，對于40 ft的冷藏集裝箱，通風系統中每個風口的送風風量為4 500 m3/h，允許±10%的誤差，且送風口應位于冷藏集裝箱1/3高度處，亦即是冷凝器位置處。當貨艙內冷藏集裝箱高箱標箱混裝時，高箱高度為2.89 m，標箱高度為2.59 m，同一層平臺的兩種冷藏集裝箱在1/3高度位置存在高度差，越往上該高度差累積效應越明顯。常規通風系的風口與冷藏集裝箱一一對應，混裝時該通風系統高位處的風口將無法與冷藏集裝箱1/3高度位置對齊，且每根風管上的各個風口出風不均勻[2]。對于裝載冷藏集裝箱的貨艙通風系統的研究，有學者通過相似理論、CFD模擬等方法研究得出，采用機械送風/自然排風方式更有利于冷藏集裝箱的散熱[3-4]，在該結論的基礎上，以某超大型集裝箱船的典型貨艙為例，提出一種風管均流設計方法，用以解決冷藏集裝箱船高箱標箱混裝時的通風問題。

1 均流設計步驟

高箱標箱混裝，根據排列組合原理可知，每列箱位有多種裝載工況。在實船設計過程中，通常按照高箱尺寸設計箱位，兼顧裝載標箱的情況，故將每列冷藏集裝箱均為高箱時的工況定義為標準裝載工況。由于混裝時兩種尺寸的冷藏集裝箱在1/3位置處存在高度差，當底下每層冷藏集裝箱均為標箱時，該高度差在最上層平臺處累積為最大，將該工況定義為最不利工況，若通風風管能滿足此時的通風要求，其余裝箱工況均可實現。

風管均流設計采用數值模擬方法，在通風系統初步設計的基礎上，通過調整送風格柵尺寸及位置、主風管尺寸來滿足冷藏集裝箱的通風要求，詳細設計流程見圖1。

1.1 典型通風風管選取

由于集裝箱是一列列疊裝，如果每列冷藏集裝箱個數相同，則相應的設計層高相同，故在設計過程中選取典型冷藏集裝箱裝載列的風管即可。該船共11個貨艙，其中第五貨艙為典型貨艙，根據裝箱圖可知典型風管有以下3種。A：5個冷藏集裝箱+底部2個非冷箱；B：6個冷藏集裝箱+底部1個非冷箱；C：6個冷藏集裝箱+底部1個非冷箱+風管往下延伸供裝載危險品時排風使用，風管選取詳情見圖2。

圖2 典型風管選取示意

1.2 可調送風格柵計算及定位

為便于調節各風口風量，送風格柵選取葉片角度可調型。以現有格柵(尺寸為400 mm×350 mm)為例，分析可調格柵選取方法?？烧{送風格柵與冷藏集裝箱距離為890 mm，風管進風量為4 500 m3/h，采用數值模擬方法計算單個可調格柵的風量覆蓋范圍，結果見圖3。

圖3 格柵風量范圍模擬

由圖3可見：當葉片往上的調整角度為30°時，風量可覆蓋到往上～600 mm；往下的調整角度為20°時，風量可覆蓋到往下～400 mm。由于平臺層高2 895 mm，故布置2個可調格柵即可讓送風覆蓋整層平臺。

以第七層平臺處風口為例，分析格柵的具體定位方法。當標準裝載工況時，高箱位于第七層平臺，可調格柵位于該高箱1/3高度位置處；當最不利裝載工況時，標箱位于第六層平臺靠上，故可使用第六層平臺處的高位格柵來對齊標箱1/3高度位置；其余裝載工況的1/3高度位置位于兩者之間，可調節第七層平臺處的格柵或第六層平臺處的高位格柵來實現通風要求，兩個送風格柵的最終定位見圖4，其余各層的送風格柵定位方法類似。

圖4 格柵定位示意

1.3 風管尺寸計算

在完成每個送風格柵的選型和初步定位后，進一步確定主風管的直徑和變徑位置。主風管尺寸滿足通風系統風速要求(通常小于15 m/s)，風管變徑應避開格柵、平臺所在位置且便于安裝。在完成初步設計之后，采用數值模擬方法分析每個送風格柵的送風量，通過微調每段格柵尺寸、風管直徑和變徑位置，使得每個送風口風量滿足規范4 500 m3/h±10%的要求。3種典型風管最終設計結果見圖5。

圖5 典型風管設計結果

2 均流設計實驗測試

該系列船共9艘，首制船的設計至關重要。為此，船廠進行了1∶1的模型實驗，通過測試兩種裝載工況下、每個風口的實際送風量來驗證典型風管均流設計的正確性。

在均勻送風管道風量計算公式中，孔口流量與靜壓存在如下關系[5]：

L0=3 600uf0vsinα=

(1)

式中：L0為孔口空氣流量；u為孔口的流量系數；f0為孔口面積；v為主風管風速；ρ為空氣密度；pst為風口處的靜壓。相關符號示意于圖6。

圖6 側孔出流狀態示意

由公式(1)可知：每個孔口的流量系數和氣體密度相同，孔口流量僅與孔口面積和孔口處的靜壓有關。由于每根風管的送風格柵面積為已知，故每個送風口的流量可通過測量該處的靜壓得到。

2.1 實驗設備

實驗在船廠車間進行，使用的設備主要有壓差計(Ser. No.:02278475)、流量測試閥和L型畢托管(Ser. No:1809949)3種。壓差計用以讀取風口靜壓，流量測試閥和L型畢托管配合使用。

為避免環境壓力對測量結果的影響，風管的每個送風口處預接一段長度約2 m的圓管，圓管直徑為DN400 mm，流量測試閥安裝在延伸管段的中間。設備商提前將流量測試閥的流量與壓力校對完畢，實驗時根據壓力值直接讀取流量值，實驗模型及現場見圖7。

圖7 流量測試閥及風管安裝現場

2.2 實驗結果與模擬結果分析

實驗由船東、設計院、船廠和風機廠家共同參與完成，每根風管上各送風格柵的實驗風量、設計風量和模擬風量對比見圖8。

圖8 典型風管設計、模擬和實驗風量對比

其中實驗風量為各風口的實測值，設計風量為均流設計時模擬得出的送風風量，測量風量1表示標準裝載工況的送風風量，測量風量2表示最不利工況的送風風量。

由圖8可見，每根風管各送風格柵的模擬送風量與測試風量分布趨勢一致，雖然測試風量由于現場環境等因素的影響波動較大，但整體來說滿足規范4 500 m3/h±10%(4 050～4 950 m3/h)的要求，實驗結果驗證了風管均流設計的正確性。

3 貨艙通風分析

3.1 邊界條件設置

根據冷藏集裝箱的設備資料，每個冷藏集裝箱的熱負荷為11 kW，計算時忽略貨艙內部其他熱源如燈、人員等的散熱。模擬過程中，將熱源附著在冷藏集裝箱的風扇附近。通風系統風管布置在橫艙壁處，離冷藏集裝箱散熱端面約890 mm。T型風帽進風處設置為環境壓力進口，艙口圍兩側的百葉窗設置為環境壓力出口；每根風管中的風機設置為內部風機，風機參數為22 500 m3/h、靜壓750 Pa和27 000 m3/h、靜壓800 Pa；四周為絕熱艙壁；平臺高位送風口關閉，低位送風口開啟。

3.2 貨艙溫度場分析

當計算收斂后，3根典型風管的溫度場見圖9。

圖9 典型風管溫度場分布

為便于分析，將超過45 ℃的溫度場設置為黑色。由圖9可見，高溫溫度場主要出現在冷藏集裝箱的冷凝器出口附近：送風口處的空氣被冷凝器風扇吸入，并與冷凝器盤管換熱，排出時帶走冷藏集裝箱的散熱，導致溫度升高。該高溫氣體出了排風扇后，由于慣性影響，流經主風管、到達橫艙壁的對面并擴散(圖中右側)。每個送風口處的氣體將受到上下兩個排風扇處的熱空氣影響：靠上的熱空氣在風管附近往四周擴散時會影響到下面的風口，靠下的熱空氣由于其往上升的物理特性會影響到上面的1個風口，最終導致送風溫度高于設計溫度35 ℃。從模擬結果可知，送風溫度雖然有升高，但滿足冷藏集裝箱的工作溫度要求。

截取貨艙橫艙壁所在的剖面，貨艙溫度場分布見圖10。

圖10 典型貨艙溫度場分布

從圖10可知，冷凝器附近的氣體溫度高于貨艙其他空間的溫度，冷藏集裝箱的散熱往舷兩側百葉窗處擴散并累積、溫度略高于冷箱區溫度。讀取貨艙平均溫度為42.7 ℃，滿足規范低于45 ℃的要求。

3.3 貨艙壓降分析

壓降是通風系統的重要參數之一，集裝箱船的貨艙通風系統具有相似性，分析通風系統各部分的壓降可為后續設計提供參考。通風系統的壓降主要在進風口T型風帽、送風段管路(結構風道和送風管段)、貨艙段和排風口百葉窗四處，其中送風段管路的阻力包含沿程阻力和局部阻力，其余為局部阻力。選取6個冷藏集裝箱所在列的通風管路為例研究通風系統壓降，每部分的理論計算和數值模擬結果見表1。

表1 通風系統壓降對比 Pa

根據挪威船級社DNV推薦，在理論計算時貨艙段阻力可選取為80 Pa[1]，模擬選取為末端風口和出風口百葉窗處的壓差。由表1可見，各部分的理論計算壓降與模擬結果相近，兩種方法計算的系統總壓降相當，表明均流設計方法合理。6個冷箱所在列的風機設計靜壓為800 Pa，滿足本船要求，但風機余量相對小，若天氣原因使得舷側部分百葉窗關閉時，風機壓降會增加，根據風機性能曲線，風量會產生波動。

此外，當每列冷藏集裝箱個數一定時，風機風量一定，由于進風風帽位于綁扎橋處，寬度方向與第一層平臺齊平，長度方向最大為1個冷藏集裝箱箱位，可調空間不大，故在設計時通常選取相同尺寸，5個冷藏集裝箱的風帽尺寸為1 700 mm×800 mm，6個1 900 mm×800 mm，壓降～65 Pa。由于結構風道尺寸大(2 520 mm×1 850 mm×3 500 mm)，局部阻力主要由風道壁處的結構筋骨引起，風道里面風速低，在后續設計時可預選為70 Pa。送風段管路的壓降包含局部阻力和沿程阻力，其中局部阻力遠大于沿程阻力，也即是風管長度對壓降影響不大，故風管段的壓降可采用單個冷藏集裝箱壓降乘以每列冷藏集裝箱個數來計算，單個冷藏集裝箱壓降根據表1預估為55 Pa。排風百葉窗位于舷側艙口蓋處，可開口空間有限，排風量與貨艙所需總的風量有關，當貨艙裝載數量確定后，在設計時應當盡可能擴大百葉窗的尺寸，降低百葉窗處風速，減小系統壓降。

4 結論

1)通過優化每根風管的送風格柵尺寸和位置、主風管尺寸，可確保每列冷藏集裝箱送風風量和送風位置滿足規范要求。由于需要采用CFD復算驗證，設計階段的工作量會相應增加。

2)靠上的每層貨艙平臺處包含高、低位兩個格柵，實際使用時，可根據冷藏集裝箱冷凝器的位置，分別啟閉兩個格柵，并通過調節手柄調整格柵角度，使得風口對準冷藏集裝箱1/3高度區域。采用兩個格柵會增加船廠成本及船員的工作量，如何在滿足風管均流的基礎上減少格柵數量需要進一步研究。

3)在裝載冷藏集裝箱的貨艙內，由于熱空氣上升特性及冷凝器排風扇擾流影響，冷藏集裝箱風管附近溫度整體偏高，冷藏集裝箱散熱在通風系統壓差的影響下往舷側百葉窗處聚集，在設計通風系統時需關注并優化。

4)通風系統進風風帽壓降值～65 Pa，排風百葉窗處的壓降值可根據排風風速計算，結構風道段壓降可預估為70 Pa，送風風管段壓降為每列冷藏集裝箱數量×55 Pa，該壓降估值方式可供后續集裝箱船貨艙通風系統參考。