第一章_船舶動力裝置系統(tǒng)_第三節(jié)_冷卻系統(tǒng)

1、第三節(jié) 冷卻管系一、冷卻管系的任務(wù)及組成內(nèi)燃動力裝置中有許多機(jī)械設(shè)備，在正常運(yùn)行過程中不斷地散發(fā)出熱量，這些熱量如不及時散發(fā)，機(jī)械設(shè)備的溫度就不斷上升以至超過容許界限而不能繼續(xù)工作，造成嚴(yán)重事故，冷卻系統(tǒng)的主要使命就是要解決這些機(jī)械設(shè)備的散熱問題，從而保證各種機(jī)械設(shè)備正常工作。在艦船上需要散熱的機(jī)械設(shè)備有： 主、輔柴油機(jī)，包括氣缸蓋、氣缸壁、活塞、增壓器等。 主、輔機(jī)的滑油冷卻器、淡水冷卻器、及增壓空氣中間冷卻器等熱交換器。 軸系的軸承、尾軸管和傳動設(shè)備。 空氣壓縮機(jī)等。另外，壓縮機(jī)等排出的氣體以及廢汽和凝結(jié)水等也都需要給以冷卻，以適應(yīng)工作過程的需要。由于在上述機(jī)械設(shè)備中，以主機(jī)散發(fā)出的熱量為

2、最多，冷卻管路規(guī)模也最大。為了保證氣缸工作容積壁部不受高溫的影響，并保持氣缸工作表面上潤滑油膜，需要在其受熱的壁部施行有效的冷卻。此外，由于運(yùn)動部件摩擦所產(chǎn)生的熱量，必須從它的產(chǎn)生處，直接地與間接地通過潤滑油將熱量傳遞到冷卻劑中，否則這些部分將大量積聚熱量而引起損壞。發(fā)動機(jī)的單位功率提得愈高時，冷卻則更加重要。不良的冷卻將使氣缸與燃料室的壁部有過高的溫度，其后果將造成潤滑油碳化、活塞環(huán)膠結(jié)，活塞過度磨蝕與咬合和排氣閥過熱等害處。二、冷卻管系設(shè)計的一般要求鋼質(zhì)海船的冷卻管系的設(shè)計要求見有關(guān)規(guī)定及本書有關(guān)章節(jié)介紹，而軍用艦艇冷卻管系的設(shè)計與布置應(yīng)滿足如下要求：（1）每臺主機(jī)應(yīng)有獨(dú)立的冷卻管系及循環(huán)

3、水管系。（2）輔機(jī)一般應(yīng)有獨(dú)立的冷卻水管系。若幾臺輔機(jī)共用一臺海水冷卻泵時，應(yīng)設(shè)有備用泵或代用泵。（3）采用自流式冷卻及循環(huán)水管系，除應(yīng)滿足主機(jī)各種正車工況外，還必須滿足主機(jī)空車和倒車工況的要求。（4）登陸艦艇應(yīng)考慮登灘前后一段時間內(nèi)的主、輔機(jī)海水冷卻。若采用壓載水艙作為海水冷卻循環(huán)水艙時，該艙的容量應(yīng)滿足上述時間內(nèi)的主、輔機(jī)的冷卻需要，并應(yīng)有和舷外海水的轉(zhuǎn)換裝置。（5）滑油冷卻器中的冷卻水壓力應(yīng)低于滑油壓力。（6）采用自流式循環(huán)水系統(tǒng)的主汽輪機(jī)組，必須設(shè)有一臺循環(huán)水泵以滿足主汽輪組最大倒車功率及艦船備航和低速航行時的需要。（7）采用泵流式循環(huán)水系統(tǒng)的主汽輪機(jī)組，其主循環(huán)水泵應(yīng)有代用泵，代用泵

4、的排量應(yīng)滿足巡航功率時的需要。若主循環(huán)水泵系由二臺獨(dú)立動力泵組成時，則可免設(shè)代用泵。（8）循環(huán)水管路進(jìn)、排水管與主機(jī)冷凝器的連接應(yīng)有膨脹接頭。（9）循環(huán)水管路一般應(yīng)設(shè)有可調(diào)節(jié)海水流量的擋板裝置。（10）輔冷凝器應(yīng)有獨(dú)立的循環(huán)水管系。管系中應(yīng)有一臺獨(dú)立的循環(huán)水泵，并應(yīng)有代用泵。（11）主汽輪機(jī)組滑油冷卻器所需的冷卻水一般應(yīng)由主循環(huán)系統(tǒng)供給。若采用獨(dú)立的海水泵供給時，則應(yīng)設(shè)有備用泵或應(yīng)急補(bǔ)水管路。（12）柴油機(jī)應(yīng)采用閉式冷卻水管系。（13）標(biāo)準(zhǔn)排水量在1000t以上的柴油機(jī)艦船，每一主機(jī)艙中至少應(yīng)設(shè)有主機(jī)備用冷卻的電動海、淡水泵各一臺，其排量應(yīng)滿足一臺主機(jī)最大功率時的需要。（14）柴油機(jī)的淡水冷卻

5、管系應(yīng)設(shè)置能自動調(diào)節(jié)淡水進(jìn)機(jī)溫度的恒溫器，并應(yīng)設(shè)有手控裝置。（15）柴油機(jī)的淡水冷卻管系一般應(yīng)設(shè)置高溫警報裝置。（16）柴油機(jī)的淡水冷卻管系應(yīng)有單獨(dú)的淡水膨脹箱。采用封閉壓力式的淡水膨脹箱應(yīng)裝設(shè)安全閥。（17）柴油機(jī)的淡水冷卻管系中采用乳化防銹油作為淡水添加劑時，淡水管系內(nèi)的橡膠件應(yīng)采用耐油橡膠。（18）主柴油機(jī)的淡水冷卻管系應(yīng)備有海水應(yīng)急接管，且有避免平時淡、海水相混的可靠措施。三、冷卻管系的冷卻方式由于所用冷卻劑的不同而有不同的冷卻方式，在艦船內(nèi)燃動力裝置中主、輔機(jī)最常用的，大致有水冷卻和油冷卻二種。1. 水冷卻方式采用水作為冷卻劑，在內(nèi)燃機(jī)上占很大比重，一般有開式冷卻與閉式冷卻二種。（1

6、）開式冷卻方式采用舷外水直接進(jìn)行冷卻，這種形式比較簡單，海水泵自海底門經(jīng)過通海閥，濾器吸入海水。從海水泵排出的海水則經(jīng)過滑油冷卻器，吸收滑油從柴油機(jī)帶來的熱量，然后進(jìn)入發(fā)動機(jī)，經(jīng)過氣缸水套及氣缸蓋，排氣管后，帶走了它們的熱量，最后匯集于總管推開單向閥而排至舷外去。水溫調(diào)節(jié)閥根據(jù)離開發(fā)動機(jī)的海水溫度自動調(diào)節(jié)回流管的熱水流量，以保持發(fā)動機(jī)不致過熱或過冷。油溫調(diào)節(jié)閥則根據(jù)油溫度的變化，自動調(diào)節(jié)流過滑油冷卻水流量，以保持滑油溫度基本不變。 這種冷卻方式所需設(shè)備最簡單，一般應(yīng)用于小功率的艦船上。但這種海水直接冷卻有很大的缺點： 由于從舷外引進(jìn)的海水中所質(zhì)和鹽含有的雜份將增加機(jī)件的腐蝕。沉積污垢后更減低傳

7、熱功能，影響發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。污垢的沉積與冷卻水溫度的提高有關(guān)，當(dāng)海水溫度高過50后，鹽垢的沉 圖1-7 開式冷卻管系原理圖積將迅速增長。由于季節(jié)或航區(qū)變化等原因，而過分降低海水溫度時，缸壁等處內(nèi)外溫差大而且又不利于發(fā)動機(jī)的燃燒和潤滑性能，大大降低柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)海水溫度高達(dá)5055時，水垢就大量析出而積附在高溫的傳熱表面上，比如，氣缸蓋、氣缸套的冷卻壁面上，而在局部死角、轉(zhuǎn)彎等處也易形成積垢，這種積垢是不良熱導(dǎo)體，妨礙了熱量向海水的傳導(dǎo)，工作時間越長，積垢就越厚，傳熱阻力就越大，引起局部過熱，以致使氣缸套壁內(nèi)表面溫度過高而發(fā)生破裂，因而開式冷卻的海水溫度被限制在55以下。對于中、大功率柴油機(jī)，要

8、求氣缸套等高溫部件本身溫度分布均勻，即溫差要小，以保持高負(fù)荷時部件工作的安全可靠以及能有較高的熱效率。所以通常都不采用這種開式冷卻方式，只有在一些冷卻溫度較低的部件，如軸承空壓機(jī)等采用此種方法。（2）閉式冷卻方式由淡水去冷卻發(fā)動機(jī)的高溫部件后帶走熱量，然后再有海水去冷卻淡水。也就是由舷外水冷卻發(fā)動機(jī)的閉式淡水循環(huán)冷卻系統(tǒng)。閉式冷卻的優(yōu)點是： 循環(huán)在主機(jī)內(nèi)的水是清潔的淡水，因此不易產(chǎn)生水垢而發(fā)生管道堵塞的現(xiàn)象。 淡水不會產(chǎn)生積鹽現(xiàn)象，因而能保證良好的傳熱效果，同時冷卻水溫可以不受鹽分自海水中析出的溫度限制，可以達(dá)到6585，甚至在某些船上可高達(dá)95110，這樣高溫件熱表面與冷卻水之間溫差減小，被

9、冷卻水帶走熱量就減少，有利于提高熱效率和熱負(fù)荷。 暖機(jī)時關(guān)上舷外水，便能很快用 圖1-8 閉式冷卻管系原理圖淡水加熱循環(huán)滑油。閉式冷卻系統(tǒng)的缺點就在于設(shè)備和管路比開式冷卻系統(tǒng)復(fù)雜多了。閉式冷卻系統(tǒng)是由二套獨(dú)立的管路組成：海水和淡水管路。 海水管路海水泵自舷外經(jīng)過海底門吸入海水后先經(jīng)過滑油冷卻器，再經(jīng)過淡水冷卻器后排出舷外。 淡水管路淡水泵把淡水送入柴油機(jī)吸收熱量后進(jìn)入淡水冷卻器，又把熱量傳給海水，降低了溫度后的淡水又由淡水泵送入柴油機(jī)，從而在淡水管中不斷循環(huán)。淡水溫度調(diào)節(jié)器則根據(jù)柴油機(jī)淡水出口溫度的高低來調(diào)節(jié)流過淡水冷卻器的流量，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)進(jìn)入柴油機(jī)的淡水溫度。在淡水管路中設(shè)置了一個膨脹水箱

10、，它的作用是：淡水在封閉管路中循環(huán)，它的體積會隨著溫度的變化而熱脹冷縮，當(dāng)?shù)诠苈分惺軣崤蛎洉r，體積增加，管路中多出的淡水則貯存在膨脹水箱中。當(dāng)?shù)诠苈分惺芾涫湛s時，體積減小，膨脹水箱中的水補(bǔ)入管路。淡水受熱溫度升高時，其中有氣體分離出來，這氣體必須及時從管路中排出，否則會影響管路的正常工作，因此，為了排除這些氣體，在進(jìn)出發(fā)動機(jī)的淡水管路最高點引出管子與膨脹水箱上部相通，這樣氣體可通過膨脹水箱而逸入大氣。膨脹水箱與淡水泵的入口有管路相通，運(yùn)轉(zhuǎn)中管路中損失的淡水可經(jīng)此管補(bǔ)充，而膨脹水箱中淡水一般由淡水艙進(jìn)行補(bǔ)充。同時，由于淡水溫度較高，為了使淡水泵吸入口維持一定的壓力，防止吸入時水產(chǎn)生汽化現(xiàn)

11、象，以保證水泵的正常工作，因此膨脹水箱應(yīng)設(shè)在柴油機(jī)氣缸頭以上高度，如布置有困難時可充入低壓空氣以使在整個管路中保持較高的水壓，而避免產(chǎn)生汽化現(xiàn)象。有時為了縮短暖機(jī)時間，膨脹水箱內(nèi)接入蒸汽管，供起動時用。四、冷卻水帶走熱量的一般估計柴油機(jī)的冷卻，其冷卻水所帶走的熱量范圍較大，各種不同類型的發(fā)動機(jī)的冷卻水帶走的熱量，占發(fā)動機(jī)油耗總熱值的百分?jǐn)?shù)見表1-3。表1-3 冷卻水帶走的熱量（%）型式無氣噴射排氣管冷卻時所需加的數(shù)值直接噴射式預(yù)燃式單作用式四沖程活塞不冷卻25362540四沖程發(fā)動機(jī)：68活塞冷卻氣缸及氣缸蓋1822253119242633活塞7979單作用式二沖程活塞不冷卻24302833活

12、塞冷卻氣缸及氣缸蓋151819.52617222029活塞4.5857雙作用式二沖程活塞冷卻氣缸及氣缸蓋16182326二沖程發(fā)動機(jī)：56.5活塞78單作用式四沖程增壓活塞不冷卻2025活塞冷卻氣缸及氣缸蓋15182128活塞68從表1-3中可以得到柴油發(fā)動機(jī)裝置中計算冷卻水熱量的大致的百分?jǐn)?shù)。根據(jù)這些帶走的熱量值來看，對于小型發(fā)動機(jī)往往較大，因為它比同類大型發(fā)動機(jī)的傳熱表面積與沖程容積的比率大。高速發(fā)動機(jī)的冷卻水帶走熱量亦往往低于低速發(fā)動機(jī)；長行程發(fā)動機(jī)則低于短行程發(fā)動機(jī)。船用發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化中，通常在轉(zhuǎn)速增高時傳給冷卻水的熱量減少，但也有例外，特別是在具有分割式燃燒容積的發(fā)動機(jī)上，由于燃燒的

13、惡化，或由于燃燒容積中氣流速度的增高，得到相反的情況。小型發(fā)動機(jī)的傳熱情況優(yōu)于大型發(fā)動機(jī)，故小型發(fā)動機(jī)容許較高的冷卻水流出溫度，大型發(fā)動機(jī)要求較多的冷卻水量與較低的冷卻水溫度。1. 冷卻管系的設(shè)備估算（1）淡水泵排量一般可按下式計算：（m3/h） （1-29）式中 冷卻水帶走熱量的百分率；燃料低發(fā)熱值（kcal/kg）；單位馬力燃料消耗率（kg/Hph）；發(fā)動機(jī)有效功率（Hp）；冷卻水出發(fā)動機(jī)溫度（）；冷卻水進(jìn)發(fā)動機(jī)溫度（）；淡水密度（kg/m3）；淡水比熱（kcal/kg）；裕度系數(shù)，一般取1.21.3。冷卻水進(jìn)出主機(jī)的溫度選擇，一般情況下取發(fā)動機(jī)說明書中要求即可。通常情況下，溫度愈高則發(fā)動

14、機(jī)的氣缸磨蝕愈小，氣缸的熱應(yīng)力也較小，發(fā)動機(jī)的耗油率可降低。若采用過度的冷卻，將使氣缸壁溫度大為降低，使氣缸壁與活塞環(huán)由腐蝕而致增加磨蝕程度。同時使燃燒物中所含的水蒸汽凝積于冷的氣缸壁上，由于冷凝水吸收燃燒中的有機(jī)和無機(jī)的酸，故腐蝕更增強(qiáng)，在活塞環(huán)的上止點位置附近處尤甚。柴油機(jī)采用舷外水直接冷卻時，由于海水溫度超過55后將水套內(nèi)鹽分的析出和積垢更加迅速，而影響冷卻面的導(dǎo)熱率，故一般取50以下。當(dāng)柴油機(jī)采用封閉式淡水冷卻時，其冷卻溫度可提高到90，因一般冷卻水泵的壓頭在1.21.3kgf/cm2左右，其相應(yīng)的飽和蒸汽溫度為104107。若繼續(xù)提高冷卻水溫度，就將產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，使氣缸壁的傳熱效率顯

15、著降低而影響發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。柴油發(fā)動機(jī)中，冷卻水進(jìn)出溫度差一般采用1015，不應(yīng)超過17。溫度差采用過大，對氣缸壁冷卻不均勻有影響，產(chǎn)生熱應(yīng)力較大。但溫度差采用過小，則必須增加冷卻水量和發(fā)動機(jī)的冷卻通道，故目前國內(nèi)柴油機(jī)采用1015的溫差比較多。壓頭的大小按照發(fā)動機(jī)內(nèi)及管路內(nèi)的流阻來決定，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計資料一般采用2030mH2O。（2）海水泵排量一般可按下式計算：（m3/h） （1-30）式中 海水帶走的熱量（其中包括淡水及滑油二個部分）；海水進(jìn)滑油冷卻器的溫度（當(dāng)滑油冷卻器置于淡水冷卻器的前面時）（）；海水出淡水冷卻器的溫度（）；海水密度（kg/m3）；海水比熱（kcal/kg）；裕度系數(shù)

16、，一般取1.21.3；壓頭一般取1525mH2O。（3）淡水膨脹箱淡水膨脹箱是用來避免淡水受熱膨脹時有使水管破裂危險的一種保護(hù)裝置。當(dāng)循環(huán)淡水溫度太高，它的體積膨脹，這增加的過剩體積，就推進(jìn)膨脹水箱中；而當(dāng)它的溫度降低或管路漏泄時，膨脹水箱里的水就隨時補(bǔ)充到系統(tǒng)中去。在膨脹水箱的頂部設(shè)有空氣管和溢流管，以便把系統(tǒng)中的空氣、蒸汽、過多的冷卻水排出，這樣可以保證冷卻系統(tǒng)中的壓力穩(wěn)定，有利于正常有效地進(jìn)行工作。膨脹水箱上接有淡水補(bǔ)給管，當(dāng)系統(tǒng)中無水或因蒸發(fā)，泄漏等原因減少時，由補(bǔ)給管向膨脹水箱補(bǔ)充淡水。系統(tǒng)中的水與大氣接觸的自由液面有水汽損失，水汽損失的數(shù)量和自由液面面積及水的溫度有關(guān)。為了減少膨脹

17、水箱的水汽損失，就需要減少自由液面面積，并使水箱內(nèi)的水溫較低。另外，水與空氣接觸時，在一定的溫度和壓力條件下，空氣中的氧有一定量溶解于水，溫度低，壓力大，則溶解于水中的氧就愈多，溶解于水中氧對系統(tǒng)的金屬有腐蝕作用，為減少膨脹水箱中氧的溶解量，也要減少膨脹水箱內(nèi)的自由液面面積或適當(dāng)提高箱內(nèi)的水溫。因此，從減少蒸發(fā)損失和減少氧的溶解量出發(fā)，膨脹水箱的容積應(yīng)滿足系統(tǒng)要求的情況下盡可能小。膨脹水箱的容積根據(jù)各種發(fā)動機(jī)的不同要求決定，目前可采用下列方法估算：（m3） （1-31）式中 發(fā)動機(jī)淡水循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的淡水容量（m3）；膨脹水箱的有效容積系數(shù)，一般取1.11.2。2. 冷卻器（1）殼管式冷卻器的用途

18、及說明4231Q44-50型冷卻器適用于冷卻油和水，冷卻器系殼管式，冷卻水（海水或江水）在管內(nèi)作兩次回流，吸取管外被冷卻介質(zhì)傳遞過來的熱量后被排出冷卻器外，被冷卻介質(zhì)在管外側(cè)空間橫掠管束若干次，而后被排出冷卻器外。冷卻器殼體、端蓋、管組以及其它零附件等組成，殼體由鋼板滾成圓筒形后焊接而成，其上焊有法蘭，被冷卻介質(zhì)進(jìn)、出口接管及接頭座等。裝配于殼體內(nèi)的管組由管板、冷卻管、隔板、支桿及滑道等組成。冷卻管兩端轆接于管板上，固定管板借環(huán)節(jié)螺栓及普通螺栓與端蓋與殼體法蘭相連，活動管板可以由兩個墊料圈、疏水環(huán)、壓蓋等組成的填料函內(nèi)自由移動。以補(bǔ)償整個管組的脹縮，冷卻管組由幾塊隔板分成若干個空間，以保證被冷

19、卻介質(zhì)在其間作若干次橫流的叉流流動而得到充分冷卻，隔板則借套在支桿上的套管來定距固定。兩端蓋是鑄鐵的，其中一個端蓋鑄就冷卻水進(jìn)、出口接管各一個，蓋中間有一橫向隔板，借此將腔空分成二個空間，另一端蓋則使冷卻水在此作180回轉(zhuǎn)，在端蓋內(nèi)壁附有防蝕鋅棒（塊），以減輕海水對零部件的電化腐蝕。（2）10m2冷卻器（4231Q44-53-00） 10m2冷卻器的外形及安裝尺寸見圖1-9。圖1-9 10m2冷卻器 接管法蘭尺寸見表1-4。表1-4 接管法蘭尺寸表（mm）序號名稱公稱通徑外徑螺栓孔中心節(jié)圓直徑密封面外徑厚度螺栓孔直徑螺栓數(shù)量（個）直徑1被冷卻介質(zhì)進(jìn)出口6515512310414156M142冷

20、卻水進(jìn)出口8017013811814158M14（3）20m2冷卻器（4231Q44-54-00） 20m2冷卻器的外形及安裝尺寸見圖1-10。 圖1-10 20m2冷卻器 接管法蘭尺寸見表1-5。表1-5 接管法蘭尺寸表（mm）序號名稱公稱通徑外徑螺栓孔中心節(jié)圓直徑密封面外徑厚度螺栓孔直徑數(shù)量（個）螺栓直徑1被冷卻介質(zhì)進(jìn)出口8017013811814158M142冷卻水進(jìn)出口10019015813815158M14 重量：620.5kg。（4）30m2冷卻器（4231Q44-55-00） 30m2冷卻器的外形及安裝尺寸見圖1.3.5。圖1-11 30m2冷卻器 接管法蘭尺寸見表1-6。表1-6 接管法蘭尺寸表（mm）序號名稱公稱通徑外徑螺栓孔中心節(jié)圓直徑密封面外徑厚度螺栓孔直徑數(shù)量（個）螺栓直徑1被冷卻介質(zhì)進(jìn)出口8017013811814158M142冷卻水進(jìn)出口10019015813815158M14 重量：734.4kg。（5）50m2冷卻器（4231Q44-56-00） 50m2冷卻器外形及安裝尺寸見圖1-12。 圖1-12 50m2冷卻器 重量：1181.5kg。（6）80m2冷卻器（4231Q44-57-00） 80m2冷卻器外形及安裝尺寸見圖1-13。圖1-13 80m2冷卻器 重量：1656kg。（7）100m2冷卻器