李碧桃

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院,福建 福州350007)

0 引 言

船舶冷卻管路系統(tǒng)是保證主機(jī)正常運(yùn)行的動力管路系統(tǒng),鋼質(zhì)海船的主機(jī)冷卻系統(tǒng)目前普遍采用閉式冷卻系統(tǒng)或中央冷卻系統(tǒng)。在進(jìn)行冷卻管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時,冷卻設(shè)備一般都選用管殼式或板式熱交換器,在熱交換器內(nèi)由舷外海水對船舶主機(jī)的潤滑油及冷卻淡水進(jìn)行冷卻,這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所選用的熱交換器尺寸一般都比較大,機(jī)艙的設(shè)備布置擁擠,比較復(fù)雜,設(shè)備較多,投資成本較高。由此在船舶雙層底艙設(shè)置熱交換器的設(shè)計(jì),即冷卻系統(tǒng)中的熱交換器設(shè)備設(shè)計(jì)在船舶雙層底艙結(jié)構(gòu)內(nèi),這種設(shè)計(jì)可使冷卻系統(tǒng)的管路結(jié)構(gòu)及布置更加簡單,有利于機(jī)艙其它設(shè)備的布置,便于設(shè)備的操作管理與維護(hù),提高船舶營運(yùn)的效益。

1 常用的船舶主機(jī)冷卻管路系統(tǒng)(閉式系統(tǒng))的原理

常用的船舶主機(jī)冷卻管路系統(tǒng)(閉式系統(tǒng))的組成及工作原理如圖1所示。圖1中虛線表示海水管路,實(shí)線(船殼線除外)表示淡水管路。該冷卻水系統(tǒng)工作時,海水由海水冷卻泵4輸送,海水由舷外經(jīng)海底門6、通海閥5、海水冷卻泵4、滑油冷卻器7、淡水冷卻器8和止回閥排出舷外;在滑油冷卻器7、淡水冷卻器8內(nèi)海水分別對潤滑油和主機(jī)冷卻淡水進(jìn)行冷卻并帶走其熱量。系統(tǒng)的冷卻淡水由淡水冷卻泵1輸送,淡水經(jīng)由淡水冷卻泵1、主機(jī)3、淡水冷卻器8構(gòu)成一個封閉式循環(huán),系統(tǒng)中設(shè)置了膨脹水箱2作為淡水的受熱膨脹空間、空氣的逸出及補(bǔ)水作用。[1][2]

2 船舶雙層底艙設(shè)置熱交換器設(shè)計(jì)的原理

船舶雙層底艙設(shè)置冷卻系統(tǒng)熱交換器設(shè)計(jì)的原理,就是將常用的船舶主機(jī)冷卻水管路系統(tǒng)(閉式管路系統(tǒng))中的潤滑油冷卻器和淡水冷卻器(如圖1中的潤滑油冷卻器7、淡水冷卻器8)設(shè)計(jì)在船舶雙層底艙結(jié)構(gòu)內(nèi),由船舶的雙層底艙結(jié)構(gòu)替代潤滑油冷卻器和淡水冷卻器,冷卻系統(tǒng)中的潤滑油和冷卻淡水在船舶的雙層底艙內(nèi)與海水的流道設(shè)計(jì)成互相間隔交替流動,如圖2所示,且潤滑油和冷卻淡水的流動方向與海水的流動方向相反,即類似于板式熱交換器的結(jié)構(gòu)及其工作原理,船舶雙層底艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)熱交換器的冷卻系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖1 閉式冷卻管路系統(tǒng)原理圖

圖2 海、淡水(滑油)流道示意圖

圖3 中虛線表示海水管路,實(shí)線表示淡水管路。該冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)是將潤滑油冷卻器和淡水冷卻器設(shè)置在船舶雙層底艙結(jié)構(gòu)內(nèi)。該冷卻管路系統(tǒng)工作時,主機(jī)的冷卻淡水從雙層底艙的淡水冷卻器3由淡水冷卻泵4輸送至主機(jī)1,冷卻主機(jī)后的淡水經(jīng)溫度調(diào)節(jié)閥2再回到雙層底艙的淡水冷卻器3,構(gòu)成一個封閉的循環(huán)系統(tǒng)。海水由海水冷卻泵7輸送,海水從海底門9經(jīng)通海閥8、海水冷卻泵7、溫度調(diào)節(jié)閥6、雙層底艙滑油冷卻器5、雙層底艙淡水冷卻器3排出船外,帶走冷卻淡水和潤滑油的熱量。同時船舶底部的舷外海水通過船底板也可與船舶的雙層底艙內(nèi)的潤滑油和冷卻淡水進(jìn)行部分熱交換,實(shí)現(xiàn)對主機(jī)潤滑油和冷卻淡水的部分冷卻。

圖3 雙層底艙冷卻水系統(tǒng)原理圖

船舶雙層底艙內(nèi)冷卻淡水的流道結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)成“S”型,以便增加冷卻淡水在雙層底艙內(nèi)的流動行程,增加海淡水的熱交換時間,這樣,可在保證換熱量的前提下減小換熱面積,使雙層底艙熱交換器結(jié)構(gòu)更加緊湊。

因?yàn)榇暗暮絽^(qū)和季節(jié)氣候不同的影響,海水的溫度在船舶航行中處于變化狀態(tài),所以在系統(tǒng)的管路上安裝有三通溫度調(diào)節(jié)閥,對主機(jī)的冷卻淡水溫度、潤滑油溫度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

3 雙層底艙熱交換器所需的冷卻面積估算

3.1 單位時間內(nèi)冷卻水應(yīng)該帶走的熱量

式(1)中:Q為-單位時間內(nèi)冷卻水應(yīng)該帶走的熱量,單位w。C為淡水的比熱容,單位J/kg K。t1為主機(jī)進(jìn)口冷卻水溫度,單位K。t2為主機(jī)出口冷卻水溫度,單位K。q為經(jīng)過主機(jī)的冷卻水流量,單位m3/h。ρ為冷卻淡水的密度,kg/m3。

3.2 換熱面積估算

由于船舶雙層底艙內(nèi)熱交換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),類似于板式熱交換器的結(jié)構(gòu),所以雙層底艙熱交換器的換熱面積估算參照板式熱交換器換熱面積的計(jì)算方法(平均溫差法):

根據(jù)傳熱的基本方程式,換熱面積的計(jì)算公式為[3]:

式(2)中:F傳熱面積,單位㎡。Q為-熱流量(海水所帶走的熱量),單位w。K為傳熱系數(shù),淡水取K=4.60548 x 107W/(㎡.K),潤滑油取K=1.46538x 107W/(㎡.K),Δt-對數(shù)平均溫差,單位℃。

式(3)中:t1為冷卻器海水進(jìn)口溫度,單位℃。t2為冷卻器海水出口溫度,單位℃。t3為冷卻器淡水進(jìn)口溫度,單位℃。t4為冷卻器淡水出 口溫度,單位℃。

4 結(jié) 語

船舶雙層底艙結(jié)構(gòu)設(shè)置冷卻系統(tǒng)熱交換器的設(shè)計(jì),對各類船舶均可適用,如果船舶雙層底艙結(jié)構(gòu)設(shè)置冷卻熱交換器的設(shè)計(jì)有困難,也可考慮水線以下的邊深艙設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)熱交換器。只是艙內(nèi)的結(jié)構(gòu)與雙層底艙的結(jié)構(gòu)稍有不同。

船舶雙層底艙結(jié)構(gòu)設(shè)置冷卻系統(tǒng)熱交換器的設(shè)計(jì),可進(jìn)一步簡化機(jī)艙的管路結(jié)構(gòu),減少機(jī)艙設(shè)備的重量,有利于機(jī)艙內(nèi)設(shè)備的規(guī)劃與布置,減少設(shè)備的投資及船舶營運(yùn)、維修成本,船舶所有人的效益得到提高。