水面舰艇弹库空调通风计算研究

王 洋 张 轩 董茂盛

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

水面舰艇弹库空调通风计算研究

王 洋 张 轩 董茂盛

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

水面舰艇弹库是属于DDA危险区域（易失火或爆炸），其安全性不仅关系舰艇的战斗力，还关乎舰艇的生命力。弹库空调通风设计是弹库设计的一项重要内容。弹库的空调通风计算非常复杂，主要包括两个方面：一是弹库的热负荷计算；二是弹库的空气处理过程计算。本文在总结分析以往经验公式的基础上，开发了热负荷计算软件和弹库空气处理过程计算软件，大大减少了设计人员的工作量，提高了工作效率，并为弹库空调器的设计选型提供了依据。

弹药舱；空调；计算

1 引言

水面舰艇弹库属于DDA危险区域（易失火或爆炸），其安全性［1，2］不仅关系舰艇的战斗力，还关乎舰艇的生命力。弹库的空调通风设计是弹库设计的一项重要内容。弹库空调通风过程计算非常复杂，主要包括两个方面：一是弹库的热负荷计算；二是弹库的空气处理过程计算。本文在总结分析以往经验公式的基础上［3－5］，开发了热负荷计算软件和弹库空气处理过程计算软件，大大减少了设计人员的工作量，提高了工作效率，并为弹库空调器的设计选型提供了依据。

2 弹库空调通风系统设计

弹库的空调通风系统为独立通风系统。它的进／排气口、空调通风设备以及系统控制均独立于舰上其他通风系统。弹库内的设计温度不高于30℃，相对湿度约为50%±10%［6-10］。对弹库进行通风换气处理时，则要求换气次数不小于20次／h，当弹库容积比较大时，我们往往采用空调通风的形式，国内大型水面舰艇的空调通风形式有多种，下面我们针对应用最为广泛的一种形式进行分析研究。弹库空调通风系统参见图1。系统由空调器（包含送风机）、排风机、水密蝶阀、电动风阀、管路和附件等组成，在设计时，也有把排风机放置在空调器内部做成一体的。弹舱空调器可实现对弹舱的空调、通风工况的自动／手动转换，其工况的转换是通过切换电动风阀开关和送、排风机起停来实现的。系统在通向外界大气的管路上设置水密蝶阀，可实现气动／手动控制，平时处于常开状态，当三防工况时，全部关闭。当弹库通风换气时，打开电动风阀1、3和4，关闭电动风阀2，开启防暴送风机和排风机，空调器此时对新风进行预冷。当弹库处于空调状态时，打开电动风阀1、2，关闭电动风阀3、4，开启防暴送风机，关停防暴排风机，空调器对弹库进行冷却降温除湿。

图1 弹库空调通风系统图

3 弹库空调通风过程计算

3.1 弹库热负荷计算

弹库的热负荷主要由以下几方面组成：渗入热、风机热、设备热、新风热和弹药热。当弹库进行通风换气时，新风热负荷占主导地位，此时空调器只是对新风进行预冷。当弹库处于空调工况、闭式循环时，空调器的热负荷则不包含新风热。

3.1.1 弹药热

弹药热由弹库存弹的种类和数量决定，弹药热计算公式为：

式中：G1为弹药重量，kg；G2为发射药重量，kg；G3为弹筒重量，kg；c1为弹药比热，kJ／kg·℃；c2为发射药比热，kJ／kg·℃；c3为弹筒比热，kJ／kg·℃；n为弹数量；tn为舱内温度，℃；tw为舱外温度，℃；E为弹被冷却时间，h。

3.1.2 渗入热

弹库渗入热的计算公式为：

式中：K为舱壁的传热系数，kW／m2·℃；A为舱壁面积，m2；αn为弹库内的空气放热系数，kW／m2·℃；αw为弹库外的空气放热系数，kW／m2·℃；k为弹库壁结构的传热系数，kW／m2·℃。

3.1.3 新风热

新风热的计算公式为：

式中：ρ为空气密度，kg／m3；Vnew为新风量，m3／s；Iw为舱外空气焓，kJ／kg；In为空调区内空气焓，kJ／kg。

3.1.4 其它热量

设备热是弹库内的设备发热量，一般由以下几部分组成：电动机及驱动设备散发的热量和照明热。此部分热量一般由设备研制单位提供。风机热参见公式（5）。

3.2 弹库空气处理过程分析计算

下面对整个空气处理过程进行分析。弹库空气处理过程参见图2。

图2 弹库空气处理过程图

图2中，点1为空气进空调器（进冷却器）状态点；点2为空气出冷却器状态点；点n为空调区中状态点；点h为空调区回风状态点（进抽风机）。

3.2.1 计算空气进空调器的干球温度

式中：QF为送风机热，kW；H为风机全压，Pa；V为风机风量，m3／s；η为风机效率；CP为空气比热，kJ／kg℃；ΔTh为回风温升，℃；ΔTF为风机温升，℃；Tn为空调区干球温度，℃；T1为空气进空调器 （进冷却器）干球温度，℃。

3.2.2 计算空气出空调器干球温度

计算送风温差：

式中：QX为空调区显热，kW；ΔTSF为送风温差，℃；T2为出空调器温度，℃。

3.2.3 计算冷却器露点温度

式中：TS为冷却器露点温度，℃；E为盘管接触系数。

3.2.4 计算冷却器露点焓

冷却器露点焓的计算公式为：

式中：DS为冷却器露点含湿量，g／kg；x为中间变量；IS为冷却器露点焓，kJ／kg。

3.2.5 计算空调区焓值

由公式（14）、（15）、（16）得空调区空气焓的计算公式

式中：I1为空调器进风焓，kJ／kg；I2为空调器出风焓，kJ／kg；ΔIF为空气经过风机焓升，kJ／kg；In为空调区的空气焓，kJ／kg；Qn为弹库全热（包括潜热和显热），kW；ΔIh为回风焓升，kJ／kg。

4 软件开发

根据以上分析计算开发了热负荷计算软件和弹库空气处理过程计算软件。

4.1 热负荷计算软件

弹库的热负荷计算同一般舱室的热负荷计算基本一致，所以在编制热负荷计算软件时，功能进行了扩展，适用于全船所有舱室的热负荷计算。热负荷计算软件界面如图3和图4所示。软件功能简述如下：在舱室参数一栏，输入“舱室名称”、“舱室编号”、“人数”、“舱室面积”、“仪器热”、“计入仪器热”、“夏季设定温度”和“冬季设定温度”，在计算弹库热量时，把弹药热输入到“计入仪器热”中；在相邻舱室参数一栏，输入“相邻舱室名称”、“舱壁面积”、“传热系数”、“夏季设定温度”和“冬季设定温度”，其中传热系数的输入参见图5，通过“添加”和“删除”项把相应的传热系数取值输入到表格中，在热负荷计算的界面，只需要选择相应的代号即可；在热负荷计算界面通过“添加”和“修改”键添加和修改舱室参数及相邻舱室参数；当所有数据输入完毕，点击“计算”，程序计算并把整个空调区域和每个舱室的显热、潜热和人数等数据输出到“输出区域”，也可通过“保存”键以“.exl文件”的形式进行保存；当再次打开文件时，选择“打开”键。

图3 热负荷计算软件界面

图4 传热系数取值界面

4.2 弹库空气处理过程计算软件

弹库主要在夏季进行空调通风，在其他季节进行通风换气。弹库空气处理过程计算软件界面如图5和图6。软件功能简述如下：在已知条件栏中输入 “空调区全热热负荷”、“空调区显热热负荷”、“回风温升”、“外界大气干球温度”和“空调区干球温度”，“空调区全热热负荷”和“空调区显热热负荷”可由热负荷计算软件计算得到；在空调器参数一栏输入 “接触系数”、“风机全压”、“风机风量”、“风机的全压效率”、“制冷量”和“风机的电机效率”；点击“计算”键，程序对空调区各点状态进行计算，结果显示在“计算结果”一栏中；按“图面标注”可输出图形如图2；按“风量调整”键，出现界面图6，在此界面中，通过输入空调区内各个舱室的“舱室名称”、“舱室显热”、“舱室潜热”和“调整后舱室送风量”可计算出每个房间的状态参数，也可通过“导入”键把热负荷计算软件的计算结果导入进来，程序会自动把每个舱室的参数输入到“夏季风量调整”界面中。

图5 弹库夏季空气处理过程软件界面

5 结论

本文在总结分析以往经验公式的基础上，开发了热负荷计算软件和弹库空气处理过程计算软件。此软件在某型舰的弹库空调系统设计中得到了具体应用，计算结果准确，节省了大量的时间和人力，大大缩短了设计周期。

图6 弹库风量风量分配软件界面

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Air Condition and Ventilation Calculation of Ammunition Magazine in Surface Ships

Wang Yang Zhang Xuan Dong Mao－Sheng
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The ammunition cabin in surface naval vessels is among the DDA risk areas （easy to catch fire or to detonate）.The fighting capability and the vitality of the vessels are highly depending on the security of the ammunition cabin.Ventilation of the air conditioner for the ammunition cabin is critical in design.The computation is very complicated and has two major concerns： （1）the heat load and（2）the air treatment process.Based on the empirical formulae，a code was developed to compute the heat load and the air condition so as to reduce the designer＇s workload and increase the work efficiency significantly.The results can provide foundations for the design and the selection of the air condition unit.

ammunition magazine；air condition；calculation

U664.51

A

1673－3185（2009）03－70－04

2008-05-06

王 洋（1981－），男，助理工程师，硕士。研究方向：船舶系统。E-mail：Philips_king＠163.com