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        船舶駕駛室玻璃窗除霜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2018-11-01 02:16:12安毓輝
        船舶 2018年5期
        關(guān)鍵詞:除霜電加熱玻璃窗

        馮 豐 安毓輝

        (中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011)

        引 言

        1 駕駛室玻璃窗除霜方法介紹

        駕駛室是船舶重要的控制處所。由于室內(nèi)外溫差和濕度的影響會(huì)使駕駛室玻璃窗結(jié)霜和起霧,從而影響駕駛室的視線(xiàn)和船舶航行的安全,因此駕駛室除霜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要。如何快速有效地消除駕駛室玻璃窗上形成的霜和霧氣,將與船舶航行安全密切相關(guān)。

        駕駛室四周通常采用大面積玻璃窗,夏季和冬季的計(jì)算負(fù)荷很大。從節(jié)能角度考慮,船舶駕駛室一般設(shè)計(jì)成中央空調(diào)的局部冷卻處所,但并不確保該處所能達(dá)到其他空調(diào)處所的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度。

        在冬季,由于駕駛室內(nèi)外溫差和濕度的影響,在玻璃窗室內(nèi)一側(cè)往往會(huì)有結(jié)霜和起霧現(xiàn)象,從而影響駕駛室的視線(xiàn)和航行安全[1-2]。為此,需設(shè)置玻璃窗除霜系統(tǒng)。

        駕駛室玻璃窗除霜的本質(zhì)是防止靠近窗玻璃處的空氣變成飽和空氣。一般采用以下兩種方法:一是采用特制的帶電加熱絲的玻璃窗,二是采用熱風(fēng)除霜系統(tǒng)。[3]

        電加熱前擋風(fēng)玻璃可以在極端寒冷的天氣下,消除玻璃上的霧氣和冰雪,從而保持清晰的駕駛視野,提高駕駛時(shí)的安全和舒適性,而無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間的等待。電熱除霜系統(tǒng)一般由電源、選擇開(kāi)關(guān)、過(guò)熱保護(hù)裝置及電加熱元件等組成?;驹砭褪穷A(yù)先將肉眼幾乎不可見(jiàn)的鎢絲安裝到 PVB 上,通過(guò)母線(xiàn)和連接端子連接到船體電路中,由電路提供12~14 V的電壓,以450~600 W/m2的功率密度來(lái)進(jìn)行加熱。[4]

        駕駛室固定矩形窗(CB/T3226-1995)是安裝于船舶駕駛室(橋樓)供觀(guān)察和操縱用的封閉處所的矩形窗。其中BH和WH型為電加熱玻璃,目前在船上配置的絕大多數(shù)是WH型電加熱玻璃焊接式固定矩形窗,電加熱玻璃應(yīng)符合ISO3434的規(guī)定。

        采用電加熱玻璃除霜除霧時(shí),一般需配置窗玻璃加熱控制器,控制器具有手動(dòng)/自動(dòng)兩種工作方式,控制器通過(guò)玻璃內(nèi)嵌的溫度傳感器采樣溫度數(shù)據(jù)后控制加熱器工作,可使玻璃窗溫度保持在一定范圍內(nèi),從而有效防止玻璃結(jié)霜起霧。某些駕駛室矩形窗會(huì)加裝掃雪器(旋轉(zhuǎn)視窗),窗玻璃開(kāi)相應(yīng)的安裝孔,但駕駛室矩形窗若加裝了掃雪器,便無(wú)法采用電加熱玻璃。此外,駕駛室前部側(cè)面和側(cè)面的玻璃窗一般不采用電加熱玻璃,所以在沒(méi)有配置電加熱玻璃的情況下,會(huì)采用熱風(fēng)除霜系統(tǒng)來(lái)清除玻璃窗上的結(jié)霜和結(jié)霧。

        熱風(fēng)除霜系統(tǒng)是采用通風(fēng)的手段來(lái)消除玻璃窗上的霜霧,系統(tǒng)遵循相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì),并采用特定的設(shè)備控制送風(fēng)溫度以達(dá)到去除霜霧的目的。下面將詳細(xì)介紹熱風(fēng)除霜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

        2 駕駛室熱風(fēng)除霜系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南

        駕駛室熱風(fēng)除霜系統(tǒng)按照ISO 8863“Ship’s wheelhouse windows-heating by hot air of glass panes”來(lái)設(shè)計(jì)[5]。此設(shè)計(jì)指南適用于遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶在-20℃或其他極端低溫工況下航行的船舶。

        ● 設(shè)計(jì)條件室外設(shè)計(jì)溫度為-20℃;室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為+22℃;除霜噴頭空氣溫度為+42℃;溫度均采用干球溫度。

        ● 風(fēng)量確定用于除霜的風(fēng)量根據(jù)所需除霜的玻璃窗的面積,按每平方米0.015 m3/s(相當(dāng)于每平方米54 m3/h)的風(fēng)量配置。

        ● 噪聲要求由于駕駛室對(duì)于噪聲控制有一定要求,因此熱風(fēng)除霜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中對(duì)于噪聲的控制也有具體要求。系統(tǒng)要求在距離除霜噴頭1 m處的所測(cè)噪聲值不超過(guò)55 dB(A),因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中噴頭的選用方面要注意噴頭的型式、大小和出口風(fēng)速的控制。

        ● 除霜噴頭要求駕駛室前窗按規(guī)范要求一般有15°~20°傾斜,除霜噴頭的中心位置應(yīng)設(shè)置在距玻璃窗1.5 m處且位于駕駛員站立高度的上方(見(jiàn)圖1)。

        圖1 除霜噴頭布置示意圖

        氣流噴射到玻璃窗處的風(fēng)速為1.5 m/s,噴頭可以調(diào)節(jié),范圍覆蓋玻璃窗上緣至下緣。按照噴射到玻璃窗處的風(fēng)速1.5 m/s的要求,根據(jù)氣體射流公式我們可以推算出噴頭出口風(fēng)速約為5 m/s,在此速度下,距離除霜噴頭1 m處的所測(cè)噪聲值應(yīng)不超過(guò) 55 dB(A),滿(mǎn)足噪聲要求[5]。

        3 駕駛室除霜系統(tǒng)實(shí)船應(yīng)用

        以下對(duì)實(shí)船上使用的幾種熱風(fēng)除霜系統(tǒng)作簡(jiǎn)單的實(shí)例分析。

        3.1 5 萬(wàn)噸半潛工程船駕駛室除霜系統(tǒng)

        5萬(wàn)噸半潛工程船駕駛室除霜系統(tǒng)如圖2所示。為保證冬季駕駛室玻璃不結(jié)霜和凝露,向駕駛室玻璃提供熱風(fēng)循環(huán)除霜系統(tǒng),除霜系統(tǒng)是按照ISO8863來(lái)設(shè)計(jì)。除霜系統(tǒng)的熱風(fēng)來(lái)自駕駛室空調(diào)器AHU01,經(jīng)管道加熱器加熱至42℃,然后通過(guò)噴嘴送至駕駛室玻璃。

        本系統(tǒng)由NOVENCO公司供貨,除霜噴頭型號(hào)HT72/80-100,每個(gè)噴頭的風(fēng)量為48 m3/h,每扇窗(窗面積約1.78 m2)配置2個(gè)噴頭,共配置4個(gè)功率為2 kW的EFR-160型管道加熱器以及64個(gè)除霜噴頭。由于本船的特殊性,對(duì)于駕駛室四周的玻璃窗均有視線(xiàn)要求,因此每扇玻璃窗均配置了除霜噴頭。

        3.2 30 萬(wàn)載重噸超大型油船駕駛室除霜系統(tǒng)

        30萬(wàn)載重噸超大型油船的駕駛室采用熱風(fēng)除霜。該船的熱風(fēng)除霜系統(tǒng)(如圖3所示)不同于5萬(wàn)噸半潛工程船,其采用的是獨(dú)立通風(fēng)除霜系統(tǒng),而非采用空調(diào)器的空調(diào)風(fēng)經(jīng)再加熱后除霜。該系統(tǒng)由DMA公司供貨,配置1臺(tái)循環(huán)管道風(fēng)機(jī)、1個(gè)回風(fēng)格柵、1個(gè)管道加熱器和20個(gè)除霜噴頭。計(jì)算得知管道風(fēng)機(jī)除霜循環(huán)風(fēng)量為790 m3/h,除霜噴頭規(guī)格為DN80(其中3個(gè)位于報(bào)務(wù)區(qū)),管道加熱器的加熱量約為5.3 kW。房間空氣經(jīng)回風(fēng)格柵吸入系統(tǒng)后經(jīng)管道加熱器加熱后用于除霜。

        圖3 30萬(wàn)噸載重量超大型油船駕駛室除霜系統(tǒng)

        3.3 7.5萬(wàn)載重噸原油船駕駛室除霜系統(tǒng)

        有時(shí)也會(huì)采用電加熱除霜玻璃和熱風(fēng)除霜相結(jié)合的形式,如7.5萬(wàn)載重噸原油船的駕駛室除霜系統(tǒng)(參見(jiàn)圖4)。該原油船駕駛室有3扇前窗采用電加熱除霜玻璃,其他窗均為普通玻璃窗。根據(jù)船東所要求的其他窗需采用熱風(fēng)除霜,故本船的熱風(fēng)除霜系統(tǒng)分為左右舷兩部分,每套系統(tǒng)配置1臺(tái)循環(huán)管道風(fēng)機(jī)、1個(gè)回風(fēng)格柵、1個(gè)管道加熱器和若干個(gè)除霜噴頭。計(jì)算求得每臺(tái)管道風(fēng)機(jī)除霜循環(huán)風(fēng)量為540 m3/h,左右兩舷共配置26個(gè)風(fēng)量為50 m3/h的除霜噴頭,每個(gè)管道加熱器的加熱量約為4 kW。房間空氣經(jīng)回風(fēng)格柵吸入系統(tǒng)后經(jīng)管道加熱器加熱后用于除霜,而3扇前窗獨(dú)立采用電加熱除霜玻璃來(lái)除霜。

        圖4 7.5萬(wàn)載重噸原油船駕駛室除霜系統(tǒng)

        上述3種駕駛室除霜系統(tǒng)均在駕駛室四周窗玻璃處布置有熱風(fēng)除霜或電熱玻璃除霜。在駕駛室空調(diào)系統(tǒng)送熱風(fēng)的基礎(chǔ)上,玻璃除霜系統(tǒng)會(huì)給室內(nèi)帶來(lái)額外熱量。由于駕駛室一般按局部冷卻設(shè)計(jì),并不保證室內(nèi)溫度,這時(shí)玻璃除霜系統(tǒng)帶來(lái)的熱量正好能補(bǔ)償室溫,將駕駛室溫度維持在一個(gè)較高水平,從而提高駕駛舒適度。所以,玻璃除霜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算需要同駕駛室空調(diào)送風(fēng)的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)合起來(lái);同時(shí),除霜系統(tǒng)與空調(diào)送風(fēng)可能會(huì)民致室內(nèi)氣流溫度場(chǎng)速度場(chǎng)分布不均勻。這一點(diǎn)也需要在設(shè)計(jì)階段考慮進(jìn)去,通??捎肅FD進(jìn)行模擬比較[6-7]。

        以30萬(wàn)噸VLCC駕駛室玻璃除霜系統(tǒng)為模型,進(jìn)行溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算,相關(guān)參數(shù)見(jiàn)上述實(shí)例(2),建模及計(jì)算結(jié)果參見(jiàn)圖5-圖10。

        圖5 無(wú)除霜系統(tǒng)時(shí)建模

        圖6 加除霜系統(tǒng)后建模

        圖7 無(wú)除霜系統(tǒng)時(shí)室內(nèi)縱剖面溫度場(chǎng)分布

        圖8 有除霜系統(tǒng)后室內(nèi)縱剖面溫度場(chǎng)分布

        圖9 無(wú)除霜系統(tǒng)時(shí)室內(nèi)平面速度場(chǎng)分布(h = 0.5 H)

        圖10 有除霜系統(tǒng)后室內(nèi)平面速度場(chǎng)分布(h = 0.5 H)

        由圖7和圖8的對(duì)比可以看出:無(wú)除霜系統(tǒng)時(shí),室內(nèi)人員所在剖面大面積區(qū)域溫度低于21℃;加裝除霜系統(tǒng)后,大面積區(qū)域溫度達(dá)到24℃~25℃。所以,冬季加裝除霜系統(tǒng)可以顯著改善駕駛室船員的舒適感。

        由圖9和圖10的對(duì)比可以看出,無(wú)除霜系統(tǒng)時(shí)室內(nèi)平面速度場(chǎng)分布較為均勻,大部分區(qū)域氣流速度趨于一致或平滑過(guò)渡,加除霜系統(tǒng)后室內(nèi)氣流速度階梯變化較明顯,速度場(chǎng)變得略微不均勻,但整體仍然保持在一個(gè)低風(fēng)速的工況,對(duì)于船員舒適度影響很小。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        駕駛室除霜系統(tǒng)對(duì)于船舶設(shè)計(jì)而言非常重要,至于電加熱玻璃除霜和熱風(fēng)除霜系統(tǒng)哪個(gè)更好,這需要從設(shè)備成本、除霜效果和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等各個(gè)方面綜合考慮。本文僅對(duì)目前常用的幾種除霜系統(tǒng)作一概述,從通風(fēng)專(zhuān)業(yè)角度著重介紹熱風(fēng)除霜系統(tǒng)的設(shè)計(jì),并以數(shù)值模擬法研究分析除霜系統(tǒng)對(duì)于駕駛室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的影響。熱風(fēng)除霜系統(tǒng)中,除霜出風(fēng)口的形式、風(fēng)速、出風(fēng)的溫濕度和射流角度等對(duì)除霜效果的影響以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等將在后期作進(jìn)一步研究。

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