鄭玄亮，劉喜衛(wèi)，曾慶謙

（上海佳豪船舶工程設(shè)計股份有限公司，上海 200233）

0 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?shù)姆秶鷥?nèi)。一般入口溫度約為68℃，經(jīng)過主機熱交換后出口溫度不超過80℃，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36℃，出口不高于60℃。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熱交換介質(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；

ΔT ——熱交換前后冷卻介質(zhì)溫度變化；

ρ——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。

[1] 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.

[2] 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.

[3] 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.

[4] 張建華, 闞安康, 韓厚德. 船舶中央空調(diào)系統(tǒng)能耗分析及節(jié)能措施[J]. 上海造船, 2011(1): 59-61.

[5] 潘偉昌. 中央冷卻系統(tǒng)的研究與初步應(yīng)用[D]. 哈爾濱工程大學, 2001.

[6] 鮑文斌. 中央冷卻系統(tǒng)的計算及在船舶中的應(yīng)用[D]. 哈爾濱工程大學, 2001.

[7] 金春日, 馬捷, 劉濤. 大型船舶主機廢氣熱能回收裝置的熱平衡分析[J]. 船舶工程, Vol. 31, 2009 (9): 39-44.

[8] 姚壽廣. 船舶熱力系統(tǒng)分析[M]. 北京:科學出版社, 2003.