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冬季室内湿度以30%~40%为宜,以便减少送风加湿量,并防止靠外界的舱壁结露。
(3)清新程度
指空气清洁(少含粉尘和有害气体)和新鲜(有足够的含氧量)的程度。
如果只从满足入呼吸对氧气的需要出发,新鲜空气的最低供给量2.4m3/h·
人即可。
然而要使空气中二氧化碳、烟气等有害气体的浓度在允许的程度以下,则新风量就需达到30~50m3/h·
人。
(4)气流速度
要求空气能有轻微的流动,以使室内温、湿度均匀和人不感到气闷。
室内气流速度以0.15~0.20m/s为宜,最大不超过0.35m/s,否则入会感到不舒适。
舱外气候条件是确定空调负荷大小的重要依据。
我国所定的远洋船舶空调设计的舱外条件是:
冬季为一18℃,相对湿度80%;
夏季为+35℃,湿球温度28℃(约相当于φ=70%)。
12-1-2船舶空调装置概况
中央空调装置:
将空气经过集中处理再分送到各个舱室。
半集中式空调装置:
将集中处理后送往各舱室的空气进行分区处理或舱室单独处理。
独立式空调装置:
某些特殊舱室,例如机舱集中控制室,单独设专用的空气调节器。
图为船舶集中式空调装置示意图:
通风机7。
由吸口6吸入外界空气(称为新风)。
从通走廊吸口4吸入一部分空气(称为回风)。
二者在中央空调器1中过滤,加热、加湿,或冷却、除湿,以达到一定的温度和湿度。
最后通过主风管2,各支风管送到舱室布风器3。
在气候适宜时,可采用单纯通风(关回风口),使新风只经过过滤就送入舱室,保持室内空气清新。
室内空气通过房门下部格栅流入走廊,部分作为回风,其余排往舷外。
非空调舱室(厕所等)、公共活动舱室和走廊设有抽风口,由排风机5从高处排至舷外。
由于非空调舱室中形成一定的负压,空调舱室的空气就会自动流入,使非空调舱室也能得到一定的空调效果,并避免这些舱室的不良气味散发到其它舱室。
12-2-1舱室的显热负荷
显热负荷:
单位时间内渗入舱室并能引起室温变化的热量,单位kJ/h,用Qx表示。
主要包括:
(1)渗入热—因室内外温差而由舱室壁面渗入的热量
(2)太阳辐射热—因太阳照在舱室外壁而传入的热量
(3)人体热—人员散发的热量,平均每入210kJ/h
(4)设备热—室内照明和其它电气设备散发的热量
夏季舱室显热负荷为正值;
冬季舱室显热负荷为负值。
12-2-1舱室的湿负荷
湿负荷:
舱室在单位时间内所增加的水蒸气量,单位为g/h,用W表示。
舱室的湿负荷主要来自室内人员和某些潮湿物品所散发的水汽,根据气温和劳动强度的不同,每个人产生的湿负荷约为40~200g/h,湿负荷一般都为正值。
12-2-1-2送风量和送风参数确定
图示为舱室热、湿平衡的示意图。
稳定时,送风量和室内排出空气量相等,换气带走的热量和湿量分别与舱室的热负荷和湿负荷相等。
即Qx=Vρcp(tr-ts)kJ/h
(12—1)
W=Vρ(dr-ds)g/h
(12-
2)
式中:
V—送风的体积流量,m3/h;
ρ—空气密度,常温常压下约为1.2kg/m3;
cp—空气定压比热,约为1kJ/kg·
℃'
;
tr,ts—室内温度及送风温度,℃
dr,ds—室内空气及送风含湿量,g/kg
式(12—1)、(12-2)分别为舱室的显热平衡式及湿平衡式
在空调设计时,室内要保持的温度tr和相对湿度φr预先给定。
由湿空气焓湿图可查得室内要求的含湿量dr。
根据舱室具体条件,按设计手册提供的经验数据,计算出舱室的显热负荷Qx和湿负荷W。
根据所用舱室布风器的型式来选定送风温差(tr-ts),于是送风温度ts便可确定。
由式(12—1)即可求出送风量V,由式(12—2)求出送风含湿量ds。
利用湿空气焓湿图查得所要求的送风相对湿度φ。
夏季室外气温较高,舱室显热负荷为正值,空调应按降温工况工作,送风温度ts应低于室内温度tr。
冬季室外气温较低,舱室显热负荷是负值,空调应按取暖工况工作,送风温度ts应高于室内温度tr。
如能提高送风温差(tr-ts),即可减少送风流量,风机和风管尺寸均可减小。
但送风温差又取决于布风器的型式,若取得过大将难以保证室内温度的均匀。
根据显热平衡式求出的送风量超过(30~50m3/h),因而可用部分回风来减少空调器的热负荷。
船舶各空调舱室的热负荷各不相同,同一舱室热负荷也会变化,各舱室入员对气候条件的要求也不同。
因此,希望对各舱室空气温度进行单独调节:
改变送风量,即变量调节
1)改变布风器风门开度
可能影响风管中的风压,干扰其它舱室的送风量;
会影响室温分布的均匀性,调节性能不如变质调节好。
2)改变送风温度,即变质调节
在布风器中进行再加热、再冷却或用双风管系统。
当热负荷超过设计值,送风量又达设计限度时,只能靠减少新风量、增大回风量的方法来解决。
12-2-2舱室的热湿比和空调分区
1.舱室的全热负荷和热湿比
由工程热力学可知,1kg湿空气的焓h大致为1kg干空气的焓ha与其所含水蒸气的焓0.001dha之和,即:
h=ha+0.001dhakJ/kS
(12—3)
其中,干空气的焓ha=cpt,
式(12—3)又可改写为
h»
cpt+2.5dkJ/kg
(12—4)
即:
舱室湿负荷W(g/h)会使空气的含湿量d增加(湿空气焓值增加),即可视为潜热负荷。
潜热负荷用Oq(kJ/h)表示,由上式可知
Qq=2.5WkJ/h
(12—5)
舱室的全热负荷是单位时间内加入舱室使空气焓值变化的全部热量,它应为显热负荷与潜热负荷之和,用Q表示,即:
Q=Qx+QqkJ/h
(12—6)
可导出稳定状态时空调舱室的全热平衡式;
Q=Vρ(hr-hs)
(12—7)
舱室的热湿比:
舱室的全热负荷和湿负荷之比可称为,用s表示。
即
ε=Q/0.001WkJ/kg
(12—8)
船上不同舱室,不仅热负荷和湿负荷可能不同,而且热湿比也可能不同。
位置相近和大小相同的舱室,热负荷相近,住的入越多,湿负荷越大,ε的绝对值就越小。
公共舱室(餐厅)湿负荷一般较大,ε比船员住舱要小
例如:
夏季船员住舱?
约为12560~25120kJ/kg,而餐厅ε则约为6280~12560kJ/kg。
冬季Q<
0,ε为负值;
夏季Q>
0,ε为正值。
12-2-2-2空调的分区
中央空调器的送风量不宜过大,合适的送风量约在3000~7500m3/h范围。
空调舱室较多的船舶,一般都分为若干独立空调区,每区设置各自的空调器和送风系统。
在划分空调分区时,应将热湿比相近的舱室划在同一分区内。
为当舱室的热湿比相差较大时,同样参数的送风,单靠调节风量,不能使各舱室内空气参数同时保持在适宜的范围。
具体分析如下:
当舱室在稳定状态时
,换气带走热量和湿量等于舱室热负荷和湿负荷,
W=Vρ(dr-ds)g/h
Q=Vρ(hr-hs)
排气参数等于室内空气参数(tr,dr,和hr)。
送风参数(ts,ds和hs)转变到tr,dr,和hr的过程中,吸收了相当于舱室热负荷和湿负荷的热量和湿量。
这一过程在图示焓湿图上可用点G(送风点)到点a(室内点)的过程线来表示。
由式
Q=Vρ(hr-hs)kJ/h
相除可得:
ρ=Q/0.001W
=1000(hr-hs)/(dr-ds)
上述过程的热湿比也就是舱室的热湿比。
如果送风参数和舱室的热湿比已经确定,送风点G及其送入室内后变化过程线方向即确定。
若舱室的热、湿负荷Q、W已知,选择了某一送风量V后,则室内空气参数即可求出。
即:
hr=hs+Q/(Vρ)
dr=ds+W/(Vρ)
由于送风量V不同,室内空气状态点a的位置就不同,但均沿既定的ε线移动。
送风量越小,a点离送风状态点G越远(如a’),反之则越近(如a”)。
当舱室的ε相近(图中A和B)时,合适的送风量,可使各舱室内的参数处于h—d图上的舒适区域内。
如果舱室间的ε相差太远(如A与C),无论怎样调节送风量,也不可能使各舱室的空气参数同时舒适区域内。
只有向ε小的C舱送入d小的风(点G’),才能使该舱室空气参数进入舒适区域。
上述分析指不再对舱室送风进行分区(或末端)再处理。
如对某些舱室送风进行再处理(如等湿加热或冷却),则上述困难可以克服。
在货船上,将左、右舷分为两个空调区,全船只分为一个空调区。
较大的船将艇甲板以上舱室单独设区,即全船设三个空调区。
客船,空调分区较多,考虑热湿比差异,避免风管穿过船上的防火隔墙或水密隔墙。
12-3-1船舶空调系统的分类
1.集中式单风管系统
送风由中央空调器统一处理,用单风管送到各舱室,各舱室送风参数相同,空气参数调节是改变送风量。
简单,初置费较低,货船用得最普遍
因采用变量调节,调节幅度不宜过大,调节时会对其它舱室送风量产生干扰。
2.区域再热式单风管系统
将中央空调器统一处理后的空气,由分配室或主风管内的二次换热器对送风再加热,再用单风管送至各个舱室。
热负荷较小舱室可不进行再加热,舱室单独调节仍靠变量调节,但调节幅度明显减小。
可解决几部分热湿比相差较大的舱室不得已列入同一空调区所带来的弊病。
3.末端再处理式单风管系统
除中央空调器对送风作统一处理外,还在各舱室布风器内设末端换热器。
末端再处理方式通常有两种:
1)末端电再热式(在布风器内设电加热器)
冬季靠改变加热电阻的阻值进行变质调节,空调器将送风只加热到满足热负荷较低舱室要求,一般为20~30℃。
夏季则只能做变量调节,送风温度为11~15℃。
所花费用不多,管理也较简单。
在低温海域航行的货船多有使用。
2)末端水换热式
布风器内设水换热器。
冬季通热水,夏季通冷水。
冬、夏都可藉调节水量实现变质调节。
空调器只承担舱室的部分热、湿负荷。
送风量比其它空调器减少1/2~1/3。
有的可采用全新风。
性能较好,造价较高,管理也较麻烦,实际应用较少。
4.双风管系统
中央空调器由前、后两部分组成。
一部分送风经空调器预处理后即送至舱室,称一级送风。
其余部分则经再处理后经后送至舱室,称二级送风。
通过调节布风器两个风门开度,改变送风混合比,即可调节舱室温度。
冬、夏都可变质调节,调节灵敏。
空调器和风管系统的重量和尺寸较大。
不需设末端换热器。
可用较便宜的直布式布风器,故噪声低,管理简单。
适合对空调性能要求高的客船。
空调系统按送风管内空气流速高低分为:
1.低速系统
主风管内风速不超过15m/s,常用的风速范围为10~15m/s。
送风支管的风速为4~8m/s。
由于风速低,风管阻力小,风机风压不高。
但低风速则要求风管截面增大,这使得风管尺寸、重量也随之增大
为了减小风管所占的空间高度,截面需做成扁矩形,使得制造、安装和隔热包扎都较麻烦。
2.高速系统
主风管内风速在15m/s以上,常用风速为25m/s左右,有的高达30m/s,送风支管风速约为8~15m/s。
可用送风温差较大的诱导式送风,使送风量减小,风管尺寸和重量都减小。
用标准化圆风管及附件,便于安装,又降低成本。
缺点:
(1)风管阻力大,风机功率较大,高风压使空气温度升高,增加热负荷
(2)噪声大。
许多船舶采用主风管风速在15m/s的中速系统
12-3-2中央空调器
对空气进行集中处理的设备通,常置于上层甲板后部的专门舱室。
1.空气的吸入、过滤和消音
新风和回风经新风进口1和回风进口被风机3吸入,在新、回风口处装有铁丝滤网,新风量和回风量的比例可用调风门。
2、4调节。
回风量和总风量之比称为回风比。
采用离心式通风机,高速系统用效率较高的后弯叶型风机,低速系统用前弯叶型风机。
高速系统风机布置在空调器进口(压出式空调器)。
避免风机产生热量使排出空气温度升高,利于提高空气冷却器的蒸发温度。
低速系统风机布置在空调器出口(吸入式空调器),使空气比较均匀地流过换热器。
空气滤器:
滤除空气中的灰尘,净化舱室送风,保持空气换热器表面清洁,避免降低换热的效果。
常用斜置抽屉式过滤元件(增大面积,降低阻力)。
风机出口设有消音室15,利用风道截面积突然改变,使气流低频噪声消减,空调器内壁的多孔性吸声材料使高频噪声消减。
2.空气的冷却和除湿
当外界气温高于25℃时,空调装置按降温工况运行。
空气的冷却和除湿由空气冷却器和挡水板来完成。
空气冷却器由蛇形肋片管构成。
图示为直接蒸发式空气冷却器。
空冷器管壁温度一般都低于空气露点。
对空气冷却时有除湿作用。
管壁温度越低,除湿作用越大。
应避免管壁结霜,以免妨碍空气流动。
冷却器管壁温度不能低于0℃。
空调采用直接蒸发方式时,冷剂蒸发温度多为0~7℃。
空冷器壁面结露产生的凝水沿管外肋片下流,汇集在底部承水盘中,然后沿泄水管排走。
泄水管出口设有U形水封,以防非降温工况时空气泄漏。
为防止凝水被携入风管中,在空冷器后设有挡水板。
挡水板由许多曲板1组成,空气流过时气流方向不断改变,所携带水滴碰撞到曲板上,然后落到承水盘2中泄出,曲板出口弯成挡水沟4,用以挡住水滴。
12-3-2-2空气的冷却和除湿
降温工况空气参数变化过程。
新风状态点为1,回风状态点为2。
,新风和回风混合后状态点3。
在1—2两点的连线上,点3距新风状态点和回风状态点的距离与新风量G1和回风量G2成反比。
(3-1线段)/(3-2线段)=G2/Gl
3-4为经过风机时等湿加热过程。
点4为空冷器进口状态点。
空冷器出口的空气状态点,可取φ=100%饱和空气线上温度(冷却管壁温)的0点与点4连线上的某点5。
冷却越充分,点5越靠近点0。
4-5为流过空冷器的冷却减湿过程。
送风过程空气流过风管会有一定温升,在图上由5—6过程表示。
6-7为空气在舱内按舱室ε吸热、吸湿的过程。
7—2为回风在走廊里的等湿吸热过程
空调器热负荷包括:
1)舱室全热负荷(约占40%以上)
2)送风过程吸热
3)回风过程吸热
4)风机热
5)新风全热负荷(将进风降温至回风状态,30%~50%)
降温工况空冷器热负荷为:
Q=Vρ(h4-h5)
空调器热负荷又可分为:
1)显热负荷
在舱外气温高、舱室显热负荷较大时,空调器的显热负荷增大
2)潜热负荷
当舱室湿负荷较大或舱外空气的含湿量较大时,空调器潜热负荷增加。
增加回风量,使点3靠近点2,可相应减小新风的全热负荷。
12-3-2-3空气的加热和加湿
当外界气温低于15℃时,应使空调装置按取暖工况运行,加热和加湿由空气加热器和加湿器完成。
空气加热可采用,
1)电加热
2)蒸气加热
船用集中式空调器多使用蒸气加热,加热蒸汽用表压为0.2~0.5Mp的饱和蒸汽。
3)热水加热
间接冷却式空调系统在取暖工况
加热蒸汽的凝水经出口阻汽器流回热水井,阻汽器只允许凝水流过。
在冬季,外界空气相对湿度φ虽然很高(90%以上),但因温度低,所以实际含湿量并不高,因此,还需要加湿。
加湿可采用
1)蒸汽加湿
船用集中式空调器采用蒸汽加湿的较多
2)喷水加湿
3)电热加湿器
最简单的加湿器:
一根镀锌钢管,
在迎风方向开有两排直径为1~2mm的蒸汽喷孔。
图示出一种喷头式干式蒸汽加湿器。
蒸汽按圆喷头切线方向供入,使蒸汽在喷头中旋转,将其中的凝水甩出,并从泄掉,使加入空气中的饱和蒸汽含水减小。
加湿器放在加热器后较合适。
此处空气温度高,φ较小,蒸汽容易被吸收。
应防止加湿过多而造成舱内壁面的结露。
空调系统取暖工况空气参数变化过程如图:
外界新风(状态点1)和回风(状态点2)在混合室内混合后的状态点为3
3-4为流过风机等湿加热过程
4-5为流过加热器等湿加热过程
5-6为流过加湿器等温加湿过程(蒸汽加湿)
6-7为送风管中等湿降温过程
7-8为舱内按舱室热湿比线降温吸湿的过程
8-2为走廊回风等湿降温过程
取暖工况空调器热负荷包括
1)舱室全热负荷
2)送风热损失
3)回风热损失
4)新风热负荷(将进风加热加湿到回风状态)
其中,空气加热器承担显热负荷,加湿器承担潜热负荷,风机热可减轻加热器负荷,增加回风量可减小全热负荷。
12-3-3布风器
布风器应满足以下要求:
(1)使送风与室内空气很好地混合,使室温均匀
(2)能保持入的活动区内风速适宜
(3)能单独进行调节
(4)阻力和噪声较小
(5)结构紧凑,外形美观,价格较低
布风器按安装位置的不同分为:
1)顶式
装在天花板上,不占舱室地面,采用较多
2)壁式
靠舱壁底部垂直安装使用方便
室内温度和湿度是否均匀,与室内空气的流动状况有关,而流动状况取决于布风器的型式,出风口的位置,舱室回风口的位置,
图示为布风器在舱室不同位置的空气流动状况
(a)适用于天花板较平整
的小舱室
(b)适用于高诱导比的壁式布风器;
图(c)适用于空间较大的舱室
图(d)则适用于空气参数均匀性要求较高的舱室
布风器出风口以较大风速吹向舱室,射流不断扩散并卷吸室内空气与之混合,射流流程越长,混合效果越好。
射流最好能达到对面舱壁,而射流较短(小送风量),会使死区(滞流区)扩大。
死区通常出现在房间角落里。
在选用和布置布风器与回风口时,应使回流区和回旋区发生于入们经常活动的区域,尽量缩小死区,同时不使射流区扩大到入的活动区,因为射流区风速较高,直接吹到入身上会使入感到不舒适。
12-3-3-1直布式布风器
将送风直接送入舱室,出口形状利于气流扩散,如喇叭形、格栅形等。
出口风速较低,一般为2~4m/s,送风与室内空气混合较慢,所以送风温差不宜过大,一般在10℃以下。
价格较低,送风阻力小,噪声也低。
设有调风门,有末端换热器时,还有调温旋钮。
图为一种单风管直布式布风器,属锥形扩散式
进风管1通入处设有容积较大的消音箱5
有可使风门2升降以调节风量的调节旋钮6
颈部风速可从2m/s直至10m/s,有一定诱导作用
故送风温差可提高到10℃左右。
其阻力在直布式布风器中也稍大,约为150~300Pa
图为双风管空调系统采用的一种顶式直布式布风器
两种温度不同的送风分别由两根送风管4、5送入,
在消音室6中混合,从挡风板周围的缝隙中吹出,通过调节旋钮1,
联动操纵风门2、3,
对舱室空气温度进行调节。
也可分设两个调节旋钮,
分别调节两种送风的风量,
从而使调节幅度更大。
12-3-3-2诱导式布风器
简称诱导器。
图示为一种带电加热器的壁式诱导器
特点:
1)静压箱10中的静压较高,
2)送风(称一次风)通过许多小喷嘴9喷出
3)喷嘴出风速度较高
4)能把很大一部分室内空气经外罩正面的进风栅4卷吸进来(称二次风),混合后再从顶部出口格栅6吹出,送入室内。
二次风量G2与一次风量G1之比β称为诱导比。
由于气温变化不大,ρ变化可以忽略;
因此,诱导比
其诱导的室内空气越多,可增大一次风送风温差,而不影响室温均匀性,有利于减小风机的送风量和风管尺寸。
但提高a会增加布风器阻力,需增大风机风压,一般诱导比以2~4较为经济。
诱导器设有调风旋钮,用以调节送风管的风门开度,改变一次风量。
诱导器通常设有末端换热器,它与二次风进行换热,传热温差较大。
比用于直布式布风器传热效果要好。
带末端换热器的诱导器设有调温旋钮,改变换热器供水量或加热电阻实现舱温单独调节。
二次风常有灰尘,末端换热器易脏污,需定期清洁。
缺点:
阻力大,噪声较大,价格较贵。
商船上仍以采用直布式布风器为多。
12-4-1降温工况的自动调节
用空气冷却器对空调送风进行冷却除湿。
当送风进入舱室后,按舱室的ε升温增湿。
受外界气候条件影响较大,必须进行自动调节:
1)直接蒸发式
将制冷剂的蒸发温度控制在一定范围内
2)间接冷却式
控制流经空冷器的载冷剂的流量,并不能阻止送风温度随外界温、湿度的增减而升降。
故舱室温度
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