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        78 m平臺供應(yīng)船/油回收船機艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

        2017-12-11 00:36:15呂海燕
        廣東造船 2017年5期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)管阻力

        呂海燕

        摘 要:本文以某78 m 平臺供應(yīng)船/油回收船的機艙通風(fēng)系統(tǒng)為例,介紹機艙通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計過程,包括機艙通風(fēng)量計算、管路布置、阻力計算、百葉窗等附件的設(shè)計方法。

        關(guān)鍵詞:機艙通風(fēng)設(shè)計;通風(fēng)量;風(fēng)管;阻力

        中圖分類號:U664.86 文獻標識碼:A

        Design of Ships E/R Ventilation System

        L? Haiyan

        ( Guangzhou Shunhai Shipyard Ltd. Guangzhou 511440 )

        Abstract: This paper introduces the design of engine room ventilation system through the design example of a 78 m platform supply / oil recovery ship, including engine room ventilation quantity calculation, pipeline arrangement, resistance calculation, design of louvers and other accessories.

        Key words: Engine room ventilation design; Ventilation quantity; Air duct; Resistance

        1 引言

        船舶機艙作為全船的核心區(qū)域,匯聚了船舶的動力裝置及大部分重要設(shè)備。為確保機艙部分的設(shè)備正常運行及工作人員操作維護管理方便,可靠的機艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計是輪機設(shè)計中一項重要工作。

        機艙通風(fēng)需實現(xiàn)以下幾個方面的目的:

        (1)維護機艙內(nèi)基本的值班工作環(huán)境;

        (2)提供主柴油機、柴油發(fā)電機及其它發(fā)熱設(shè)備燃燒及散熱所必須的空氣量;

        (3)排除機艙內(nèi)滯留的油氣、廢熱等。

        本文以某78 m 平臺供應(yīng)船/油回收船為例,介紹船舶機艙通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計。

        2 通風(fēng)量確定

        根據(jù)ISO8861-1998的相關(guān)標準,機艙通風(fēng)量的確定主要考慮兩方面的因素:一是設(shè)備燃燒所需空氣量;二是設(shè)備散熱所需空氣量。機艙總通風(fēng)量至少為以上兩部分之和。該船的機艙主要設(shè)備包括:2臺主推進柴油機,額定功率為2 x 4 020 kW,在最大使用功率時的空氣消耗量為7.5 ( m3/Hr/kW);柴油發(fā)電機組3臺,額定功率為3 X 450 kW,最大使用功率時的空氣消耗量為0.699 kg/s ;2臺1 100 kW的主機帶動的軸帶發(fā)電機。

        2.1 設(shè)備燃燒所需的空氣量計算

        (1)推進柴油機燃燒所需空氣量Qdp按下式計算:

        Qdp=Mdp ·P ·n=60300 m3 / h=60300 m3 / h (1)

        式中:

        Mdp—推進柴油機在最大使用功率時的空氣消耗量,Mdp = 7.5 (m3 / Hr / kW);

        P —主柴油機最大持續(xù)功率時的軸功率,P = 4020 kW;

        ndp—主柴油機臺數(shù),ndp=2;

        (2)發(fā)電機燃燒所需空氣量Qdg按下式計算:

        Qdg= Mdg x ndg x3 600 /ρ=4 453.8 m3/h (2)

        式中:Mdg—發(fā)電機在最大使用功率時的空氣消耗量,Mdg=0.699 kg / s;

        ndg—發(fā)電機數(shù)量,正常航行時,ndg=2;

        ρ—空氣密度,取35 ℃時ρ=1.13 kg / m3。

        (3)主空壓機所需空氣量Qa:

        Qa=2 x 34 m3 / h=68 m3/h

        由此可得,設(shè)備燃燒所需空氣量QC合計為:QC = Qdp + Qdg + Qa = 64 821.8 m3 / h (3)

        2.2設(shè)備散熱所需的空氣量計算

        機艙中散熱設(shè)備眾多,本文從主要考慮主柴油機、發(fā)電機組這兩項設(shè)備的散熱,其次為電氣設(shè)備、排氣管系等。

        設(shè)備散熱所需的空氣量Qh按下式計算:

        Qh= (Φdp +Φdg +Φel +Φep +Φo ) / (ρ·C·△T)-0.4(Qdp+ Qdg) =119125 m3 / h (4)

        式中:Φdp —主柴油機散熱量kW,;

        Φdg —主發(fā)電柴油機散熱量kW, ;

        Φel — 電氣設(shè)備的散熱量kW,;

        Φep — 排氣管系的散熱量kW,;

        Φo —其它設(shè)備的散熱量,kW;

        Qdp —主柴油機燃燒所需的空氣量,m3/s;

        Qdg —主發(fā)電柴油機燃燒所需的空氣量,m3/s;

        ρ—空氣密度,取35℃時ρ=1.13 kg / m3;

        C —空氣定壓比熱容, C=1.01 kJ / kg*K

        △T — 機艙內(nèi)的平均溫升,△T=12.5 K;

        2.2.1主柴油機散熱量Φdp的計算

        如果主機商不能提供確切的數(shù)據(jù),按下式計算:

        Φdp=Ldx PdpxndP = 132.66 kW (5)

        式中:Pdp ——推進柴油機最大持續(xù)功率時軸的功率,Pdp= 4 020 kW;

        Ld — 柴油機熱損失,%。按圖1計算,取0.0165;

        ndP—主柴油機的臺數(shù),ndP=2。

        2.2.2發(fā)電機組散熱量Φdg計算endprint

        Φdg=φdgxndg=50 kW (6)

        式中:Φdg — 發(fā)電機的熱排放,取Φdg=25 kW,(廠商提供);

        ndg — 正常航行時ndg =2。

        2.2.3 電器設(shè)備散熱量Φel 計算

        Φel = Pg x n x 0.85 x 20%=187 kW (7)

        式中:Pg—軸帶發(fā)電機的功率,每臺Pg =1 100 kW;

        n —軸帶發(fā)電機數(shù)量,n=1。

        2.2.4 排氣管散熱量Φep計算

        (1)主機排氣管散熱量

        主機排氣管管徑DN700 mm,絕緣厚70 mm,從圖譜查出每米排氣管的散熱量為0.5 kW/m;

        主機排氣管長度28 m,故2臺主機排氣管散發(fā)熱量為28 kW。

        (2)發(fā)電機排氣管散熱量

        發(fā)電柴油機排氣管管徑DN200 mm, 絕緣厚50 mm,每米排氣管的散熱量為0.25 kW/m,發(fā)電機排氣管長度30 m,故2臺發(fā)電機排氣管散發(fā)熱量為15 kW.

        因此,排氣管系的散熱量合計Φep =28+15=43 kW.

        2.3 機艙所需總通風(fēng)量計算

        QTV= QC +Qh =183 946.8 m3/h (8)

        3 機艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

        該機艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計依據(jù):BV(必維船級社)規(guī)范、LLC《國際載重線公約》以及SOLAS《國際海上人命安全公約》等。

        3.1 通風(fēng)方式的選擇

        艙室的通風(fēng)有以下幾種方式:機械送風(fēng)機械排風(fēng);機械送風(fēng)自然回風(fēng);自然送風(fēng)機械排風(fēng)方式;自然通風(fēng)方式。根據(jù)ISO8861-1998要求,機艙通風(fēng)設(shè)計需維持機艙稍微有正壓,通常正壓不超過50 Pa,因此該船設(shè)計采用機械送風(fēng)自然回風(fēng)方式,即采用機艙機械送風(fēng)、機艙(煙囪棚)自然回風(fēng)方式。因此,選用2臺等風(fēng)量的風(fēng)機用于機艙送風(fēng)(每臺風(fēng)機滿負荷時風(fēng)量約為92 000 m3/h)。為滿足不同工況需求,采用雙速風(fēng)機,考慮到機艙釋放CO2后的排風(fēng)需求,其中一臺風(fēng)機采用可逆型式。另外,為了滿足效率高、體積小、方便正反轉(zhuǎn)等特點,機艙風(fēng)機選擇軸流風(fēng)機。

        3.2 機艙主通風(fēng)管路設(shè)計

        機艙屬機械處所,其通風(fēng)道在經(jīng)過其他艙室時需考慮防火問題。另外,考慮到機艙內(nèi)電纜、水管、油管等管線眾多,因此機艙通風(fēng)道主要采用結(jié)構(gòu)風(fēng)管型式,以滿足布置及防火需求。

        主甲板以上部分結(jié)構(gòu)風(fēng)管布置在上層建筑的兩側(cè),該風(fēng)道截面的設(shè)計是將風(fēng)速控制在最高8 m/s左右,以降低風(fēng)道內(nèi)噪音對上層建筑的影響。在結(jié)構(gòu)風(fēng)道中,由于船體結(jié)構(gòu)布置的原因,風(fēng)管的走向不可能全部順暢,有些位置甚至拐彎比較多,造成局部通風(fēng)面積不夠,例如甲板結(jié)構(gòu)開孔偏小,造成局部風(fēng)速達25 m/s。為解決這一問題,在滿足強度要求及不改變其他專業(yè)布置的情況下,將該結(jié)構(gòu)風(fēng)管根部(甲板下)艙壁由垂直改為傾斜,局部擴大面積,以降低風(fēng)速使風(fēng)道暢通,見圖2。

        主甲板下部機艙內(nèi)的風(fēng)道主要作用是將風(fēng)送至機艙內(nèi)各個場所,其目的如下:提供主機、輔機等設(shè)備在運行時需要的燃燒用空氣;帶走機艙設(shè)備運行時散發(fā)的大量熱量;帶走機械設(shè)備散發(fā)的各種油氣等危險氣體;給工作人員提供呼吸用的新鮮空氣。 因此需從總管上分出各支風(fēng)管至上述位置,這些支風(fēng)管大小須按風(fēng)量風(fēng)速設(shè)計,通過前面的風(fēng)量計算,各主要設(shè)備所需的風(fēng)量分別是:主機約110 000 m3/h;發(fā)電機約60000 m3/h;軸發(fā)約18 000 m3/h;其他約7000 m3/h。由于該船機艙比較小,設(shè)備較多,機艙分為上下兩層結(jié)構(gòu):機艙上層風(fēng)管主管中的風(fēng)速,推薦風(fēng)速12~20 m/s;然后依次確定其后各段主管和分管中風(fēng)速。一般風(fēng)量每次降低10%、風(fēng)速約降低0.5 m/s,將各支風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)速控制在8 m/s左右。由于風(fēng)量及風(fēng)管尺寸較大,這些支風(fēng)管均采用至少3 mm的黑鐵皮制作,以滿足強度要求,避免風(fēng)管強度不夠產(chǎn)生振動及噪聲;機艙下層風(fēng)管由于結(jié)構(gòu)的限制,直接在上層主風(fēng)管所到達的機艙下層甲板前后四個角的位置安裝4臺相當風(fēng)量的送風(fēng)機,以保證機艙下層通風(fēng),具體布置見圖3。

        3.3 送風(fēng)管路上風(fēng)口設(shè)計

        該船送風(fēng)口采用的是不可調(diào)節(jié)的線網(wǎng)式風(fēng)柵形式,主要考慮到該型風(fēng)柵有效通風(fēng)面積較大,若采用傳統(tǒng)的槽式結(jié)構(gòu)通風(fēng)柵,其有效通風(fēng)面積小,同樣數(shù)量的風(fēng)柵后者出風(fēng)口風(fēng)速較大,若為降低風(fēng)速而增多風(fēng)柵,則又不經(jīng)濟。通風(fēng)柵的數(shù)量應(yīng)將機艙內(nèi)的送風(fēng)口風(fēng)速控制在6 m/s以下,達到相關(guān)要求。

        3.4 機艙進/出風(fēng)口

        機艙風(fēng)機室上部結(jié)構(gòu)風(fēng)道主要用于安裝送風(fēng)百葉窗,根據(jù)LLC規(guī)范:在“位置1”的通風(fēng)筒,其圍板高出甲板以上4 500 mm;在“位置2”的通風(fēng)筒,其圍板高出甲板以上2 300 mm。所謂“位置1” -指在開敞的干舷甲板和后升高甲板上,以及位于從首垂線起船長四分之一以前的開敞上層建筑甲板上;“位置2”- 指在位于從首垂線起船長四分之一以后的上層建筑甲板上。

        該船設(shè)計共用4個1 500 mm×1 400 mm無門固定百葉窗分別向兩個風(fēng)機供風(fēng)。根據(jù)SOLAS公約,應(yīng)設(shè)有供天窗開啟和關(guān)閉、在煙囪上正常排氣通風(fēng)開口關(guān)閉和通風(fēng)擋火閘關(guān)閉用的控制裝置,因此煙囪上的回風(fēng)百葉窗采用無門但百葉可關(guān)閉的形式。綜合風(fēng)速、百葉窗葉片數(shù)量等考慮,設(shè)計采用2個大小為2000 mm×1550 mm的氣動百葉窗,并在駕駛室能控制其開閉。根據(jù)本人多年的設(shè)計經(jīng)驗,只要百葉窗的面積大約是風(fēng)機通風(fēng)面積的1.8~2倍就可滿足通風(fēng)要求。

        3.5 風(fēng)機噪聲和震動的消除

        由于風(fēng)機尺寸較大,噪聲也比較大,所以造成機艙的噪聲及上層建筑的噪聲均比較大。為了改善這種狀況,在送風(fēng)機下方加消音器,以減少風(fēng)機噪聲對住艙的影響。同時,為了減少風(fēng)機的震動,在風(fēng)機下方安裝有減震器,如圖4。

        另外,在結(jié)構(gòu)風(fēng)管一些拐角的地方,加了有一定弧度的導(dǎo)流板。

        3.6 機艙風(fēng)機可閉風(fēng)閘及煙囪百葉窗

        按BV規(guī)范要求,在機艙釋放CO2的情況下,應(yīng)能迅速切斷機艙內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng);另外,由于機艙風(fēng)機風(fēng)閘及煙囪百葉窗的尺寸較大,手動操作比較困難,因此本通風(fēng)系統(tǒng)上的煙囪百葉窗、機艙風(fēng)機上的風(fēng)閘均設(shè)計成氣動形式,氣源為壓縮空氣,來自應(yīng)急速關(guān)閥空氣系統(tǒng),供氣時保持開啟狀態(tài),斷氣時關(guān)閉,并能在駕駛室遙控,駕駛臺可顯示開關(guān)狀態(tài)并能遙控啟/閉。

        3.7 風(fēng)管阻力的計算

        風(fēng)機壓力根據(jù)風(fēng)管系統(tǒng)的阻力計算確定。一般風(fēng)機的靜壓為400 Pa~500 Pa,這樣使風(fēng)管尺寸及電動機功率都不致過大。進行通風(fēng)管道計算時,必須確定壓力損失,包括局部阻力損失和摩擦阻力損失,由于通風(fēng)管道短而且曲折多,所以局部阻力損失比較大。

        (1)局部阻力損失

        △Pi=ξx (V2 xρ) / 2 (9)

        式中: △Pi—管件阻力損失,Pa;ξ— 局部阻力系數(shù),可查表求出; ρ—空氣密度,取35 ℃時ρ=1.13 kg/m3;V —流速,m/s。

        (2)摩擦阻力損失

        可根據(jù)風(fēng)管的形狀、風(fēng)量和直徑,從標準圖譜中查出。

        4 結(jié) 語

        本文通過介紹船舶機艙通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計流程,闡述了機艙通風(fēng)系統(tǒng)在詳細設(shè)計階段的風(fēng)量計算、風(fēng)管的設(shè)計、阻力計算以及設(shè)計過程中應(yīng)當注意的問題,對船舶通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計具有一定的參考價值。該系統(tǒng)最終通過了系泊試驗,并在航行實驗階段運行良好。但是,由于受空間限制,該船機艙風(fēng)機的布置圍井偏小,如果布置位置允許,應(yīng)該給風(fēng)機盡可能大的空間,以利于安裝風(fēng)機和消音器以及改善通風(fēng)效果。

        參考文獻

        [1] ISO 8861-1998. 機艙通風(fēng)要求及計算.

        [2] 船舶設(shè)計實用手冊(輪機分冊)[M]. 2002.

        [3] LLC,國際載重線公約[1966].endprint

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