船舶中央冷卻系統(tǒng)熱平衡計(jì)算及程序仿真設(shè)計(jì)

船舶中央冷卻系統(tǒng)熱平衡計(jì)算及程序仿真設(shè)計(jì)鄭玄亮;劉喜衛(wèi);曾慶謙【摘要】船舶輪機(jī)系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算關(guān)系到主機(jī)、發(fā)電機(jī)組、空調(diào)機(jī)組、制冷機(jī)組、空壓機(jī)、中間軸承等諸多設(shè)備的正常運(yùn)行以及冷卻水泵和冷卻器的設(shè)計(jì)選型。船舶中央冷卻系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算過(guò)程繁瑣，人工計(jì)算效率低、易出錯(cuò)。通過(guò)對(duì)船舶中央冷卻系統(tǒng)的綜合熱平衡理論計(jì)算，按熱力學(xué)基本原理編制開(kāi)發(fā)了計(jì)算仿真程序。實(shí)踐證明，該程序在輔助設(shè)計(jì)計(jì)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(yè)數(shù)】6頁(yè)(P42-46,57)【關(guān)鍵詞】船舶;中央冷卻系統(tǒng);熱平衡計(jì)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(jì)股份有限公司，上海200233;上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司，上海200233;上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司，上海200233【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】U664.8140引言動(dòng)力裝置是船舶的“心臟”，而冷卻系統(tǒng)是船舶動(dòng)力裝置不可或缺的組成部分，用于冷卻整個(gè)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(guò)外部循環(huán)介質(zhì)冷卻主要運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備。船舶冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的復(fù)雜性，合理地選擇與設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)對(duì)船舶適航性、動(dòng)力系統(tǒng)的維護(hù)與管理、船舶建造成本和營(yíng)運(yùn)成本等諸多方面將會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響［1］。國(guó)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(diǎn)是循環(huán)系統(tǒng)使用不同的工作溫度。3個(gè)系統(tǒng)中，高溫淡水系統(tǒng)用于冷卻主機(jī)，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(lái)冷卻低溫淡水。中央冷卻系統(tǒng)通過(guò)中央冷卻器將海水和整個(gè)系統(tǒng)隔絕，從根本上緩解了腐蝕問(wèn)題，為現(xiàn)代大多數(shù)船舶設(shè)計(jì)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(jì)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(dú)立式中央冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例分別闡述。1.1高溫淡水系統(tǒng)柴油機(jī)（主機(jī)）是船舶動(dòng)力中心，工作時(shí)相對(duì)穩(wěn)定于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。主機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)消耗燃油釋放能量的同時(shí)，整套設(shè)備的溫度也隨之升高，對(duì)于這些高溫部位的冷卻不能使用低溫淡水，因?yàn)檫^(guò)大的溫差會(huì)引發(fā)過(guò)大的熱應(yīng)力。運(yùn)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(guò)主機(jī)熱交換后出口溫度不超過(guò)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(duì)低溫淡水進(jìn)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(guò)大容量海水泵抽水至系統(tǒng)，熱交換完成后部分海水通過(guò)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(jìn)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(jiān)力量，換言之，船舶輪機(jī)系統(tǒng)大部分設(shè)備的冷卻過(guò)程均屬于低溫淡水冷卻范疇，如主機(jī)空冷器、滑油冷卻器、空壓機(jī)、中間軸承、柴油發(fā)電機(jī)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(guò)板式熱交換器與海水進(jìn)行熱量交換，然后分別按主機(jī)、柴油機(jī)和其他設(shè)備兩部分進(jìn)入以下各個(gè)設(shè)備，主機(jī)部分一般為：主機(jī)空冷器、滑油冷卻器、空壓機(jī)和中間軸承，經(jīng)過(guò)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(guò)主機(jī)部分后回到中央冷卻器。剩余的低溫淡水通過(guò)柴油機(jī)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(jì)算程序設(shè)計(jì)高效的熱平衡計(jì)算能夠迅速給出冷卻系統(tǒng)各個(gè)熱交換節(jié)點(diǎn)的參數(shù)（流量、溫度等）和各個(gè)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(jìn)出溫度和流量、泵的排量等，為后續(xù)設(shè)計(jì)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(jì)為基礎(chǔ)，針對(duì)獨(dú)立式中央冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算程序開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。熱力學(xué)基本原理為：式中，Q——冷卻過(guò)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(shí)船冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)的建議參數(shù)，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)可以按照這些既定的建議參數(shù)確定各節(jié)點(diǎn)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(jìn)出口既定溫度。數(shù)據(jù)確定后，按上述公式可進(jìn)行各熱交換節(jié)點(diǎn)處的計(jì)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(jì)算程序是用VB6.0開(kāi)發(fā)編寫(xiě)，在Windows2000/XP系統(tǒng)下調(diào)試完成并通過(guò)測(cè)試運(yùn)行。程序的主界面見(jiàn)圖4所示。圖4船舶中央冷卻系統(tǒng)熱平衡計(jì)算程序主界面在程序的主界面上用單點(diǎn)劃線表示高溫淡水冷卻管路可見(jiàn)圖5；用實(shí)線表示低溫淡水冷卻管路，用雙點(diǎn)劃線表示海水冷卻管路可見(jiàn)圖6。3種不同的冷卻系統(tǒng)以及各個(gè)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?yàn)檩斎霐?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(jì)算完成后各節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果自動(dòng)顯示于相關(guān)數(shù)據(jù)框內(nèi)，以便用戶識(shí)讀。計(jì)算過(guò)程中，參考數(shù)據(jù)框由程序自動(dòng)填入被關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)（如冷卻水進(jìn)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(shí)間、提高效率。白色框內(nèi)數(shù)據(jù)為不參與計(jì)算數(shù)據(jù)（如冷卻水管路通徑），這些數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)出來(lái)便于用戶對(duì)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(yùn)行后顯示主界面，數(shù)據(jù)框中默認(rèn)數(shù)據(jù)為某48000dwt散貨船中央冷卻系統(tǒng)的計(jì)算數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖4。在程序界面右下方有5個(gè)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(duì)應(yīng)的計(jì)算數(shù)據(jù)。單擊〃計(jì)算”按鈕，開(kāi)始熱平衡計(jì)算，計(jì)算完成后在輸出數(shù)據(jù)框（白色）中顯示各計(jì)算結(jié)果，用戶可以在程序主界面上直接讀取計(jì)算結(jié)果。如果用戶需要保存計(jì)算結(jié)果，可單擊右下角的〃保存結(jié)果”按鈕，彈出計(jì)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(dòng)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(jì)算結(jié)果保存界面圖9中央冷卻系統(tǒng)熱平衡計(jì)算程序流程圖8熱平衡計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)文本計(jì)算結(jié)果保存為二進(jìn)制文本文件，可以通過(guò)文本閱讀工具打開(kāi)，見(jiàn)圖8。進(jìn)行多次不同的計(jì)算時(shí)，可以將計(jì)算結(jié)果保存為不同名的獨(dú)立文件，也可以不改變文件名而進(jìn)行多次計(jì)算結(jié)果的保存，后一次的計(jì)算結(jié)果自動(dòng)保存在上次計(jì)算結(jié)果之后，方便用戶進(jìn)行結(jié)果分析比較與錯(cuò)誤查詢。程序流程圖如圖9所示。3結(jié)語(yǔ)冷卻系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要一步，運(yùn)用仿真程序能提高工作效率和計(jì)算的正確性。船舶中央冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)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(duì)獨(dú)立式中央冷卻系統(tǒng)開(kāi)發(fā)編寫(xiě)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(jì)算?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】甘念重.船舶主機(jī)熱平衡分析及其余熱利用[J].船海工程,2008(2):66-69.梅國(guó)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.