【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 6章，仿真軟件的設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行仿真軟件的程序編寫。第7章，船舶主機(jī)冷卻水系統(tǒng)仿真界面的設(shè)計(jì)。在前文工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了人機(jī)界面友好的仿真軟件。第8章，結(jié)論與展望。75第2章 船舶主機(jī)冷卻水系統(tǒng)概述 主機(jī)中央冷卻水系統(tǒng)的概念中央冷卻系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的一種新型的柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)。這種冷卻系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是使用不同工作溫度的兩個(gè)單獨(dú)的淡水循環(huán)回路：高溫淡水(8085℃)和低溫淡水(3040℃)閉式回路。前者用于冷卻主機(jī)，后者用于冷卻高溫淡水和各種冷卻器(如：空氣冷卻器、滑油冷卻器等)以及發(fā)電柴油機(jī)缸套。經(jīng)過(guò)加熱后的低溫淡水再在中央冷卻器中由海水進(jìn)行冷卻。由此，極大地簡(jiǎn)化了船舶海水冷卻管系，使海水冷卻管系最短，有力地阻止了因?yàn)楹Ｋg冷卻器以及管路引起的船舶系統(tǒng)漏泄故障現(xiàn)象發(fā)生。因此，目前新造船舶的冷卻水系統(tǒng)均采用中央冷卻水系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由海水冷卻回路、低溫淡水冷卻回路、高溫淡水冷卻回路等組成。相比于傳統(tǒng)的閉式淡水冷卻系統(tǒng)，中央冷卻水系統(tǒng)存在以下明顯的優(yōu)點(diǎn)：(1) 海水管系及中央冷卻器的維修工作減至最低限度；(2) 氣缸冷卻水溫度穩(wěn)定，不受工況變化的影響，使柴油機(jī)始終在最佳冷卻狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)；(3) 淡水循環(huán)可多年保持清潔，減輕了對(duì)發(fā)電柴油機(jī)和船舶推進(jìn)主機(jī)缸套的腐蝕影響。因此，在近年來(lái)建造的現(xiàn)代化船舶中，大多采用中央冷卻系統(tǒng)。，為了體現(xiàn)系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)以及各換熱器之間的換熱關(guān)系，讓圖形顯得清晰明了，特意省去了各種進(jìn)出口截止閥。 主機(jī)中央冷卻水系統(tǒng)的組成 高溫淡水回路高溫淡水的主要作用是冷卻主機(jī)燃燒室部件，由于主機(jī)出口溫度調(diào)節(jié)閥的作用，從主機(jī)出來(lái)的冷卻水溫度保持在70℃。然后進(jìn)入除氣柜，除去水中的空氣，到達(dá)造水機(jī)[11]。造水機(jī)主要是利用高溫淡水中的熱能加熱海水以制取淡水，可以利用余熱提高主機(jī)的工作效率，在主機(jī)運(yùn)行時(shí)才能工作。高溫淡水在缸套水冷卻器中經(jīng)過(guò)低溫淡水的冷卻，溫度降低，再次進(jìn)入主機(jī)對(duì)主機(jī)燃燒室部件進(jìn)行冷卻，進(jìn)而循環(huán)下去。高溫淡水回路主要換熱設(shè)備有主機(jī)缸套，造水機(jī)和高溫淡水系統(tǒng)三通閥。低溫淡水三通閥高溫淡水三通閥低溫淡水泵其它設(shè)備主機(jī)滑油冷卻器主機(jī)高溫淡水冷卻器主機(jī)造水機(jī)主機(jī)空氣冷卻器低溫淡水冷卻器高溫淡水泵 主機(jī)冷卻水系統(tǒng)示意圖Fig. The sketch map of main engine cooling water system(1) 主機(jī)缸套冷卻主機(jī)缸套冷卻主要是指冷卻水對(duì)缸套上部燃燒室附近的缸套部分冷卻、對(duì)氣缸蓋的冷卻以及對(duì)排氣閥的冷卻。冷卻水從缸套中部進(jìn)入冷卻水套，對(duì)缸套的外圓表面進(jìn)行冷卻，然后上行至氣缸蓋的冷卻水套，并通過(guò)氣缸蓋內(nèi)的冷卻水通道進(jìn)入排氣閥閥座對(duì)這些高溫部件進(jìn)行冷卻，冷卻水從主機(jī)出來(lái)以后，進(jìn)入除氣柜。(2) 造水機(jī)，造水機(jī)利用高溫淡水的熱量對(duì)海水進(jìn)行加熱，在造水機(jī)內(nèi)部真空的條件下，海水在較低的溫度沸騰蒸發(fā)，由于水蒸氣不含鹽分，因此，海水中的淡水實(shí)現(xiàn)了分離[12]。水蒸氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾以后進(jìn)入上部的另外一個(gè)熱交換器，由海水對(duì)其進(jìn)行冷卻凝結(jié)成淡水。冷凝后的淡水由水泵送至淡水儲(chǔ)存柜，而蒸發(fā)后的海水則在射流泵的作用下泵離造水機(jī)。 造水機(jī)工作原理圖Fig. The sketch map of fresh water generator(3) 造水機(jī)系統(tǒng)旁通閥此旁通閥的作用是調(diào)節(jié)進(jìn)入造水機(jī)的高溫淡水的質(zhì)量，并最終影響高溫淡水進(jìn)入高溫淡水冷卻器的溫度。增大旁通開(kāi)度，則進(jìn)入造水機(jī)的高溫淡水流量減少，減小旁通開(kāi)度，則進(jìn)入造水機(jī)的高溫淡水流量增加。(4) 高溫淡水系統(tǒng)三通閥高溫淡水系統(tǒng)三通閥通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入缸套水冷卻器的高溫淡水量，可以控制高溫淡水進(jìn)入主機(jī)時(shí)的溫度。若高溫淡水進(jìn)主機(jī)溫度偏低，則減少高溫淡水進(jìn)缸套水冷卻器的流量；若高溫淡水進(jìn)主機(jī)溫度偏高，則增大高溫淡水進(jìn)缸套水冷卻器的流量。 低溫淡水回路低溫淡水在中央冷卻水泵的作用下，送至中央冷卻器淡水入口，在中央冷卻器中將熱量傳遞給海水，溫度降低。從中央冷卻器淡水出口排出的低溫淡水經(jīng)三通調(diào)節(jié)閥作用與未經(jīng)冷卻的低溫淡水混合，混合后的水溫符合三通調(diào)節(jié)閥的設(shè)定要求。然后低溫淡水經(jīng)由低溫淡水管路送至上述各個(gè)換熱設(shè)備對(duì)滑油、缸套冷卻水、空氣等進(jìn)行冷卻，經(jīng)換熱設(shè)備吸熱后重新回到中央冷卻水泵的入口進(jìn)行下一輪循環(huán)。低溫淡水回路的主要設(shè)備有低溫淡水冷卻器、主機(jī)滑油冷卻器、主機(jī)高溫淡水冷卻器，主機(jī)空氣冷卻器、空壓機(jī)、中間軸承和冷藏裝置等。(1) 低溫淡水冷卻器低溫淡水冷卻器為板式熱交換器，板式換熱器以其突出優(yōu)點(diǎn)如傳熱效率高、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝、清洗、操作靈活方便等，已被廣泛應(yīng)用于化工、石油、冶金、電力、造紙、船舶、機(jī)電、集中供、余熱利用、核工業(yè)、食品飲料、醫(yī)藥、紡織等工業(yè)領(lǐng)域[13]。板式熱交換器主要由熱交換板、框架結(jié)構(gòu)、固緊螺栓組成，相鄰的熱交換板上都設(shè)有密封圈防止兩種密封液體混合[14]。在熱交換板的兩面設(shè)置有供冷卻液和待冷卻液通過(guò)的凹槽，多個(gè)熱交換板由兩側(cè)的壓力板壓緊在一起，形成了彼此分隔的一個(gè)個(gè)空間，在密封圈的分隔下，這些空間分別通過(guò)熱交換板兩側(cè)的孔連接在一起。為強(qiáng)化傳熱并增加板片的剛度，常在平板上壓制出各種波紋，人字形波紋是常見(jiàn)的一種。冷卻液和待冷卻液按照相反的流動(dòng)方向從熱交換板兩側(cè)的空間流過(guò)實(shí)現(xiàn)熱量的交換。在板式熱交換器中，強(qiáng)迫對(duì)流水水傳熱時(shí)的傳熱系數(shù)可達(dá)到7000W/(m2K)，每立方米體積的傳熱面積可達(dá)40150m2，且拆裝、清洗方便，故適用于含有結(jié)垢物的流體的換熱。組成冷卻液或者待冷卻液的各個(gè)空間之間的關(guān)系為并聯(lián)關(guān)系，可以根據(jù)具體的情況選擇板片數(shù)目來(lái)調(diào)整換熱能力。低溫淡水冷卻器內(nèi)流經(jīng)的流體為海水和淡水，低溫海水吸收熱量溫度升高，低溫淡水釋放熱量溫度降低。低溫淡水冷卻器是系統(tǒng)中唯一有海水流經(jīng)的冷卻器。大連海事大學(xué)實(shí)習(xí)船所采用的低溫淡水冷卻器的型號(hào)為：。 The main heat transfer parameters of lowtemperature water cooler工藝條件冷側(cè)熱側(cè)介質(zhì)名稱海水低溫淡水流量m3/h熱負(fù)荷kW溫度 進(jìn) 174。 出176。C 174。 174。 流體類型液液密度t/m3比熱kJ/kgK導(dǎo)熱系數(shù)W/mK粘度cP對(duì)數(shù)平均溫差176。C計(jì)算換熱面積m2理論/計(jì)算傳熱系數(shù)W/m178。K / 換熱富裕量%板片材料Ti板片數(shù)241壓力降MPa流程組合counter flow1 x 120 H 1 x 120 H 框架設(shè)計(jì)壓力MPa試驗(yàn)壓力MPa設(shè)計(jì)溫度176。C110外形尺寸(長(zhǎng)寬高)mm2150 x 660 x 1920設(shè)備凈重/充水重量kg / 冷側(cè) 熱側(cè)pos.類型pos.類型進(jìn)A DN150 進(jìn)C DN150出B DN150 出D DN150(2) 主機(jī)滑油冷卻器主機(jī)滑油冷卻器主要為冷卻船舶主機(jī)的滑油而設(shè)，主機(jī)的活塞冷卻油連同十字頭軸承、連桿大端軸承、主軸承等的滑油一起經(jīng)柴油機(jī)加熱，溫度升高，必須要進(jìn)行冷卻，才能再次工作。低溫淡水在主機(jī)滑油冷卻器中與滑油進(jìn)行熱交換，對(duì)滑油進(jìn)行降溫。主機(jī)滑油冷卻器與中央冷卻器一樣為板式熱交換器，換熱原理與中央冷卻器完全相同，不同的是換熱器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)。大連海事大學(xué)實(shí)習(xí)船所采用的主機(jī)滑油冷卻器的型號(hào)為：。 主機(jī)滑油冷卻器主要換熱計(jì)算參數(shù) The main heat transfer parameters of main engine lubricating oil cooler工藝條件冷側(cè)熱側(cè)介質(zhì)名稱低溫淡水滑油流量m3/h熱負(fù)荷kW溫度 進(jìn) 174。 出176。C 174。 174。 流體類型液液密度t/m3比熱kJ/kgK導(dǎo)熱系數(shù)W/mK粘度cP對(duì)數(shù)平均溫差176。C計(jì)算換熱面積m2理論/計(jì)算傳熱系數(shù)W/m178。K / 換熱富裕量%板片材料304板片數(shù)108壓力降MPa流程組合counter flow1 x 53 HW 1 x 54 HW 框架設(shè)計(jì)壓力MPa試驗(yàn)壓力MPa設(shè)計(jì)溫度176。C110外形尺寸(長(zhǎng)寬高)mm1330 x 660 x 1920設(shè)備凈重/充水重量kg / (3) 主機(jī)缸套水冷卻器主機(jī)缸套水冷卻器的作用是：低溫淡水在主機(jī)缸套水冷卻器中與高溫淡水進(jìn)行熱交換，低溫淡水對(duì)高溫淡水進(jìn)行降溫，冷卻后的高溫淡水再與未被冷卻的高溫淡水混合后對(duì)主機(jī)進(jìn)行冷卻。主機(jī)缸套水冷卻器與中央冷卻器一樣為板式熱交換器，換熱原理與中央冷卻器完全相同，不同的是換熱器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)。大連海事大學(xué)實(shí)習(xí)船采用的主機(jī)缸套水冷卻器的型號(hào)為：。 主機(jī)缸套水冷卻器主要換熱計(jì)算參數(shù) The main heat transfer parameters of main engine jacket water cooler工藝條件冷側(cè)熱側(cè)介質(zhì)名稱低溫淡水主機(jī)缸套淡水流量m3/h熱負(fù)荷kW溫度 進(jìn) 174。出176。C 174。 174。 流體類型液液密度t/m3比熱kJ/kgK導(dǎo)熱系數(shù)W/mK粘度cP對(duì)數(shù)平均溫差176。C計(jì)算換熱面積m2理論/計(jì)算傳熱系數(shù)W/m178。K / 換熱富裕量%板片材料304板片數(shù)42壓力降MPa流程組合counter flow1 x 26 W 1 x 25 W 框架設(shè)計(jì)壓力MPa試驗(yàn)壓力MPa設(shè)計(jì)溫度176。C100外形尺寸(長(zhǎng)寬高)mm880 x 375 x 840設(shè)備凈重/充水重量kg / (4) 主機(jī)空氣冷卻器主機(jī)空氣冷卻器屬于肋管式換熱器，與上述管殼式換熱器不同，這種換熱器在管外加裝了肋片，從而使管外的熱阻減小，傳熱得到增強(qiáng)?？諝饫鋮s器的作用是對(duì)增壓后的新鮮空氣進(jìn)行冷卻，通?？諝獾娜肟跍囟葹?5℃左右，出口溫度為35℃左右，空氣從肋片間流過(guò)釋放熱量。用于冷卻增壓空氣的冷卻水從管子內(nèi)流過(guò)，不斷吸收空氣的熱量使溫度上升。(5) 低溫淡水系統(tǒng)三通閥低溫淡水系統(tǒng)三通閥通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入低溫淡水冷卻器的低溫淡水量，可以控制低溫淡水進(jìn)各冷卻器溫度。若低溫淡水進(jìn)各冷卻器溫度偏低，則減少低溫淡水進(jìn)低溫淡水冷卻器的流量；若低溫淡水進(jìn)各冷卻器溫度偏高，則增大低溫淡水進(jìn)低溫淡水冷卻器的流量。(6) 其他冷卻設(shè)備除了以上所提到的幾個(gè)主要冷卻設(shè)備以外，還有尾軸管滑油冷卻器、空壓機(jī)、冰機(jī)冷凝器和空調(diào)冷凝器等淡水冷卻設(shè)備均采用低溫淡水進(jìn)行冷卻。(7) 低溫冷卻淡水泵整個(gè)中央冷卻水系統(tǒng)設(shè)置兩臺(tái)中央冷卻水泵，它們均為離心泵，兩臺(tái)水泵完全相同。水泵設(shè)計(jì)排量為400 m3/h。 海水回路海水系統(tǒng)構(gòu)成比較簡(jiǎn)單，海水從低位海底門或高位海底門進(jìn)來(lái)，經(jīng)三臺(tái)主海水泵作用送給低溫淡水冷卻器海水入口側(cè)，在低溫淡水冷卻器內(nèi)與低溫淡水進(jìn)行熱交換后從海水出口側(cè)排出，部分海水直接由海水管路送至舷外，部分海水在海水入口溫度調(diào)節(jié)閥的作用下返回到海水泵入口。第3章 主機(jī)缸套冷卻水系統(tǒng)的管路水力數(shù)學(xué)模型船舶主機(jī)缸套冷卻水系統(tǒng)作為船舶柴油機(jī)主要的動(dòng)力系統(tǒng)之一，其工作要求是：主機(jī)在整個(gè)工作范圍內(nèi)，系統(tǒng)能對(duì)主機(jī)進(jìn)行適度、可靠的冷卻，特別是保證主機(jī)缸套冷卻水出口溫度穩(wěn)定，防止主機(jī)缸套過(guò)冷或過(guò)熱[15]。設(shè)計(jì)適合工作要求的主機(jī)缸套水冷卻系統(tǒng)，這就需要對(duì)系統(tǒng)中各點(diǎn)的流量、壓力等參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。因此，就必須對(duì)系統(tǒng)管路進(jìn)行水力分析。而對(duì)于采用的是離心泵的主機(jī)中央冷卻水系統(tǒng)而言，就要分別分析管路特性曲線和離心泵的特性曲線[1618]。 計(jì)算原理缸套冷卻水泵采用離心泵，而泵的排量與泵本身的特性和管路的水力特性有關(guān)，只有在泵的排出壓力與管路在當(dāng)前流量下的總壓降相等時(shí)，泵才能穩(wěn)定工作在這個(gè)流量下，： 管路壓降與流量特性曲線圖 Pressure drop and pipe flow characteristic curve其中水泵的特性曲線可以從說(shuō)明書中計(jì)算得到，因此，只要計(jì)算出管路特性曲線即可，即要得到冷卻水流過(guò)某管路時(shí)所需的壓頭和流量間的函數(shù)關(guān)系。 管網(wǎng)水力計(jì)算 液體流過(guò)某既定管路時(shí)所需的壓頭與流量間的函數(shù)關(guān)系曲線，稱為管路特性曲線。管網(wǎng)水力計(jì)算的目的就是得到管路特性曲線。液體從吸入液面通過(guò)某一管路流至排出液面所需的壓頭包括兩方面：一部分是因吸、排液面存在高度差和壓力差所需增加的位置頭和壓力頭，這部分與管路流量無(wú)關(guān)，稱為管路的靜壓頭，可以看成定值，用表示；另一部分用于克服管路阻力，它與管路中液體流速的平方成正比，故也與流量的平方成正比，即＝,式中的比例系數(shù)隨管路阻力系數(shù)的變化而變化[19]。因此，液體流過(guò)某既定管路時(shí)所需的壓頭和流量間的函數(shù)關(guān)系可以用下式表示： (