船舶中央冷卻系統(tǒng)熱平衡計算及程序仿真設(shè)計

船舶中央冷卻系統(tǒng)熱平衡計算及程序仿真設(shè)計鄭玄亮;劉喜衛(wèi);曾慶謙【摘要】船舶輪機系統(tǒng)的熱平衡計算關(guān)系到主機、發(fā)電機組、空調(diào)機組、制冷機組、空壓機、中間軸承等諸多設(shè)備的正常運行以及冷卻水泵和冷卻器的設(shè)計選型。船舶中央冷卻系統(tǒng)的熱平衡計算過程繁瑣，人工計算效率低、易出錯。通過對船舶中央冷卻系統(tǒng)的綜合熱平衡理論計算，按熱力學(xué)基本原理編制開發(fā)了計算仿真程序。實踐證明，該程序在輔助設(shè)計計算與設(shè)備選型中取得了良好效果。%Heatbalancecomputationofmarineenginesystemsisrelatedtothenormaloperationofvariousequipmentssuchasthemainengines,generators,airconditioningunits,coolingunits,aircompressors,intermediateshaftbeatingsandthedesignselectionofcoolingpumpsandcoolers.Heatbalancecomputationofmarinecentralcoolingsystemisverycomplicated,featuringlowefficiencyduetomanualcalculationandeasytomakemistakes.Basedonthetheoreticalcomputationofglobalheatbalanceoftheshipcentralair-conditioningsystem,thenumericalsimulationprogramisdevelopedaccordingtothebasicprinciplesofthermodynamics.Practicehasproventhattheprogramiseffectiveinhelpingwithdesigncomputationandequipmentselection.【期刊名稱】《船舶與海洋工程》【年(卷)，期】2012(000)002【總頁數(shù)】6頁(P42-46,57)【關(guān)鍵詞】船舶;中央冷卻系統(tǒng);熱平衡計算;程序仿真【作者】鄭玄亮瀏喜衛(wèi);曾慶謙【作者單位】上海佳豪船舶工程設(shè)計股份有限公司，上海200233;上海佳豪船舶工程設(shè)計股份有限公司，上海200233;上海佳豪船舶工程設(shè)計股份有限公司，上海200233【正文語種】中文【中圖分類】U664.8140引言動力裝置是船舶的“心臟”，而冷卻系統(tǒng)是船舶動力裝置不可或缺的組成部分，用于冷卻整個船舶發(fā)熱部件，保證所有設(shè)備在適宜工況下正常工作，其主要作用為通過外部循環(huán)介質(zhì)冷卻主要運轉(zhuǎn)設(shè)備。船舶冷卻系統(tǒng)設(shè)計具有一定的復(fù)雜性，合理地選擇與設(shè)計冷卻系統(tǒng)對船舶適航性、動力系統(tǒng)的維護與管理、船舶建造成本和營運成本等諸多方面將會產(chǎn)生深遠的影響［1］。國內(nèi)已經(jīng)有很多學(xué)者在船舶空調(diào)與冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域做了很多研究工作［2~4］。中央冷卻系統(tǒng)作為一種新型的冷卻系統(tǒng)在極大程度上減緩了系統(tǒng)腐蝕，并以其工況穩(wěn)定而被廣泛使用。該系統(tǒng)設(shè)立高溫淡水系統(tǒng)、低溫淡水系統(tǒng)和海水系統(tǒng)。其基本特點是循環(huán)系統(tǒng)使用不同的工作溫度。3個系統(tǒng)中，高溫淡水系統(tǒng)用于冷卻主機，低溫淡水系統(tǒng)用于冷卻高溫淡水和各種冷卻器，海水系統(tǒng)則用來冷卻低溫淡水。中央冷卻系統(tǒng)通過中央冷卻器將海水和整個系統(tǒng)隔絕，從根本上緩解了腐蝕問題，為現(xiàn)代大多數(shù)船舶設(shè)計中所采用。1船舶中央冷卻系統(tǒng)中央冷卻系統(tǒng)作為一種冷卻形式應(yīng)用于現(xiàn)代船舶始于20世紀60年代［5,6］。中央冷卻系統(tǒng)設(shè)有高溫淡水系統(tǒng)、低溫淡水系統(tǒng)和海水系統(tǒng)。以某48000dwt散貨船獨立式中央冷卻系統(tǒng)設(shè)計為例分別闡述。1.1高溫淡水系統(tǒng)柴油機（主機）是船舶動力中心，工作時相對穩(wěn)定于高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)。主機高速運轉(zhuǎn)消耗燃油釋放能量的同時，整套設(shè)備的溫度也隨之升高，對于這些高溫部位的冷卻不能使用低溫淡水，因為過大的溫差會引發(fā)過大的熱應(yīng)力。運用高溫淡水冷卻系統(tǒng)的目的就是將溫度差控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。一般入口溫度約為68°C，經(jīng)過主機熱交換后出口溫度不超過80OC,如圖1所示。圖1高溫淡水系統(tǒng)1.2海水系統(tǒng)海水系統(tǒng)從舷外抽水至冷卻系統(tǒng)，經(jīng)中央冷卻器對低溫淡水進行冷卻，如圖2所示。該系統(tǒng)設(shè)置了低位海底閥和高位海底閥，用于不同的航行工況，通過大容量海水泵抽水至系統(tǒng)，熱交換完成后部分海水通過調(diào)節(jié)閥回到入口處，其余的則排出舷外1.3低溫淡水系統(tǒng)低溫淡水的溫度設(shè)為:進口36C，出口不高于60C。低溫淡水系統(tǒng)為船舶中央冷卻系統(tǒng)的中堅力量，換言之，船舶輪機系統(tǒng)大部分設(shè)備的冷卻過程均屬于低溫淡水冷卻范疇，如主機空冷器、滑油冷卻器、空壓機、中間軸承、柴油發(fā)電機空冷器、冷藏和空調(diào)裝置等。低溫淡水從低溫淡水冷卻器（中央冷卻器）中通過板式熱交換器與海水進行熱量交換，然后分別按主機、柴油機和其他設(shè)備兩部分進入以下各個設(shè)備，主機部分一般為：主機空冷器、滑油冷卻器、空壓機和中間軸承，經(jīng)過這些設(shè)備后這部分冷卻水直接輸向高溫淡水系統(tǒng)，通過主機部分后回到中央冷卻器。剩余的低溫淡水通過柴油機和其他設(shè)備后回流到中央冷卻器。如圖3所示。圖2海水系統(tǒng)圖3低溫淡水系統(tǒng)2仿真計算程序設(shè)計高效的熱平衡計算能夠迅速給出冷卻系統(tǒng)各個熱交換節(jié)點的參數(shù)（流量、溫度等）和各個主要設(shè)備的特性數(shù)據(jù)，如熱交換器所傳遞的熱量及高低溫?zé)峤粨Q介質(zhì)（海水/淡水）的進出溫度和流量、泵的排量等，為后續(xù)設(shè)計工作中的系統(tǒng)構(gòu)建及設(shè)備選型提供依據(jù)［7］。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，熱平衡分析可揭示裝置或設(shè)備在能量的數(shù)量上的轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失的情況［8］。以某48000dwt散貨船的冷卻系統(tǒng)設(shè)計為基礎(chǔ)，針對獨立式中央冷卻系統(tǒng)進行仿真計算程序開發(fā)設(shè)計。熱力學(xué)基本原理為：式中，Q——冷卻過程中交換的熱值；q 冷卻水流量；c——冷卻介質(zhì)比熱；△T——熱交換前后冷卻介質(zhì)溫度變化；P——冷卻介質(zhì)密度。在實船冷卻系統(tǒng)設(shè)計中，冷卻介質(zhì)只有淡水和海水，其比熱、密度均為已知量。冷卻水的流量，通常由各主要設(shè)備供應(yīng)商給出配套泵機的建議參數(shù)，在進行計算時可以按照這些既定的建議參數(shù)確定各節(jié)點冷卻水的流量。再根據(jù)不同冷卻設(shè)備的技術(shù)要求，確定若干冷卻水進出口既定溫度。數(shù)據(jù)確定后，按上述公式可進行各熱交換節(jié)點處的計算，得出相應(yīng)的溫度、流量等數(shù)據(jù)，最終確定低溫淡水冷卻泵的流量和中央冷卻器所需的熱功率。熱平衡仿真計算程序是用VB6.0開發(fā)編寫，在Windows2000/XP系統(tǒng)下調(diào)試完成并通過測試運行。程序的主界面見圖4所示。圖4船舶中央冷卻系統(tǒng)熱平衡計算程序主界面在程序的主界面上用單點劃線表示高溫淡水冷卻管路可見圖5；用實線表示低溫淡水冷卻管路，用雙點劃線表示海水冷卻管路可見圖6。3種不同的冷卻系統(tǒng)以及各個冷卻設(shè)備之間的連接關(guān)系可以一目了然。不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)則由不同顏色的數(shù)據(jù)框予以區(qū)別?；疑珨?shù)據(jù)框為輸入數(shù)據(jù)，需要用戶人工輸入已知的參數(shù)（既定溫度、參考流量等，冷卻水比熱、密度等恒定參數(shù)內(nèi)置于程序中不需要人工輸入）。白色數(shù)據(jù)框內(nèi)為輸出數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)，計算完成后各節(jié)點的計算結(jié)果自動顯示于相關(guān)數(shù)據(jù)框內(nèi)，以便用戶識讀。計算過程中，參考數(shù)據(jù)框由程序自動填入被關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)（如冷卻水進出口流量相等、總管支管冷卻水溫度相同），可以減少用戶輸入數(shù)據(jù)量，節(jié)省時間、提高效率。白色框內(nèi)數(shù)據(jù)為不參與計算數(shù)據(jù)（如冷卻水管路通徑），這些數(shù)據(jù)標識出來便于用戶對程序的理解與應(yīng)用。圖5高溫淡水冷卻循環(huán)圖6海水冷卻循環(huán)程序運行后顯示主界面，數(shù)據(jù)框中默認數(shù)據(jù)為某48000dwt散貨船中央冷卻系統(tǒng)的計算數(shù)據(jù)，見圖4。在程序界面右下方有5個按鈕供用戶選擇操作。單擊〃清空”按鈕，所有輸入及輸出數(shù)據(jù)框中的數(shù)字被清空，用戶可根據(jù)需要在輸入數(shù)據(jù)框（灰色）中輸入對應(yīng)的計算數(shù)據(jù)。單擊〃計算”按鈕，開始熱平衡計算，計算完成后在輸出數(shù)據(jù)框（白色）中顯示各計算結(jié)果，用戶可以在程序主界面上直接讀取計算結(jié)果。如果用戶需要保存計算結(jié)果，可單擊右下角的〃保存結(jié)果”按鈕，彈出計算結(jié)果保存界面如圖7所示。在結(jié)果保存界面中用戶可以指定文件保存的路徑和文件名。然后，單擊〃保存并退出”按鈕，文件自動保存于制定的路徑下，保存結(jié)果界面關(guān)閉，返回程序主界面。圖7熱平衡計算結(jié)果保存界面圖9中央冷卻系統(tǒng)熱平衡計算程序流程圖8熱平衡計算結(jié)果數(shù)據(jù)文本計算結(jié)果保存為二進制文本文件，可以通過文本閱讀工具打開，見圖8。進行多次不同的計算時，可以將計算結(jié)果保存為不同名的獨立文件，也可以不改變文件名而進行多次計算結(jié)果的保存，后一次的計算結(jié)果自動保存在上次計算結(jié)果之后，方便用戶進行結(jié)果分析比較與錯誤查詢。程序流程圖如圖9所示。3結(jié)語冷卻系統(tǒng)的熱平衡計算是系統(tǒng)設(shè)計的重要一步，運用仿真程序能提高工作效率和計算的正確性。船舶中央冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用對改善冷卻系統(tǒng)的腐蝕有明顯效果，已在民用船舶中廣泛應(yīng)用。軍輔船中也部分采用了中央冷卻系統(tǒng)。由于該程序僅針對獨立式中央冷卻系統(tǒng)開發(fā)編寫的，存在一定的局限性，尚不適用于其他冷卻形式的熱平衡計算?！緟⒖嘉墨I】甘念重.船舶主機熱平衡分析及其余熱利用[J].船海工程,2008(2):66-69.梅國梁，張珍.船舶中央空調(diào)節(jié)能技術(shù)探討[J].上海造船,2009(1):43-44.安毓輝.船舶制冷裝置制冷劑的使用和限制[J].上海造船,2009(2):24-26.張建華，闞安康，韓厚德.