【正文】 低溫淡水系統(tǒng)換熱簡(jiǎn)圖 Low temperature water system heat transfer sketch，同高溫淡水系統(tǒng)一樣，近似地認(rèn)為整個(gè)低溫淡水系統(tǒng)的低溫淡水總流量不變，并對(duì)系統(tǒng)中的冷卻設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，只保留滑油冷卻器、主機(jī)缸套水冷卻器和空氣冷卻器等主要換熱設(shè)備，把那些次要的換熱設(shè)備當(dāng)成一個(gè)板式冷卻器考慮，并忽略管路和膨脹水柜的散熱。設(shè)為低溫淡水系統(tǒng)管路低溫淡水總流量；為流經(jīng)主機(jī)滑油冷卻器及主機(jī)缸套水冷卻器的低溫淡水流量；為流經(jīng)空氣冷卻器的低溫淡水流量；為流經(jīng)次要冷卻器的總的低溫淡水流量；為低溫淡水進(jìn)滑油冷卻器、空氣冷卻器及其它冷卻設(shè)備的溫度；為低溫淡水進(jìn)主機(jī)缸套水冷卻器的溫度；也是低溫淡水出滑油冷卻器的溫度；為低溫淡水出主機(jī)缸套水冷卻器的溫度；為低溫淡水出空氣冷卻器的溫度；為低溫淡水出次要冷卻設(shè)備的溫度；為各路低溫淡水混流后的溫度，也是低溫淡水進(jìn)入低溫淡水冷卻器的溫度；為低溫淡水系統(tǒng)三通閥的開(kāi)度。同高溫淡水系統(tǒng)一樣，下面分別對(duì)各主要換熱設(shè)備建模。 主機(jī)缸套水冷卻器的熱力數(shù)學(xué)模型主機(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，對(duì)從主機(jī)出來(lái)的高溫淡水進(jìn)行降溫[29]。通過(guò)前面的介紹知道，主機(jī)缸套水冷卻器為板式冷卻器，采用逆流換熱方式[36]。高溫淡水與低溫淡水在主機(jī)缸套水冷卻器中進(jìn)行熱交換[3739]。主機(jī)缸套水冷卻器 主機(jī)缸套水冷卻器熱量傳遞關(guān)系簡(jiǎn)圖 The heat transfer sketch of main engine jacket water cooler，設(shè)為低溫淡水進(jìn)冷卻器溫度；為低溫淡水出冷卻器溫度；為低溫淡水流量；為高溫淡水進(jìn)冷卻器溫度；為高溫淡水出冷卻器溫度；為高溫淡水流量。在建模過(guò)程中，為了簡(jiǎn)化建模過(guò)程，根據(jù)冷卻器的實(shí)際工作情況，作如下假設(shè)[29]：(1) 某一瞬時(shí)，冷、熱流體在與流動(dòng)方向垂直的某一截面上的溫度相同，即把冷卻器按集中參數(shù)處理，同時(shí)不計(jì)冷凝器殼體的散熱。如果冷卻水的流量較大，把冷卻器按集中參數(shù)處理其誤差是不大的。(2) 近似金屬管內(nèi)、外管壁溫度始終相等。實(shí)際上由于冷凝器管壁較薄，金屬管壁的熱容量較小，而且熱傳遞系數(shù)λ很大，因此在溫度變化范圍不大的情況下，認(rèn)為金屬管壁內(nèi)、外壁溫度相等是能滿(mǎn)足一定的精度要求的。(3) 冷凝管束的污垢程度相同。根據(jù)缸套水冷卻器高溫冷卻水側(cè)的熱量傳遞關(guān)系[29]：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)高溫水側(cè)蓄熱量的變化 ＝ 單位時(shí)間內(nèi)缸套冷卻水帶來(lái)的熱量 － 單位時(shí)間內(nèi)傳遞給低溫水側(cè)的熱量。于是可以得到下面的方程： ()式()中，為冷卻器的平均溫差；W1為高溫水側(cè)的熱容量，其中：為缸套水冷卻器中高溫水的質(zhì)量；為銅管的質(zhì)量；為高溫水的比熱；為黃銅的比熱。R為缸套水冷卻器的傳熱熱阻， ，為冷卻器總的傳熱系數(shù),為冷卻器的冷卻面積[40]。同理，根據(jù)缸套水冷卻器低溫冷卻水側(cè)的熱量傳遞關(guān)系[29]：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)低溫水側(cè)蓄熱量的變化 ＝ 單位時(shí)間內(nèi)高溫水側(cè)傳遞給低溫水側(cè)的熱量 － 單位時(shí)間內(nèi)低溫冷卻水帶走的熱量。因此，可以得到下面的方程： ()式()中，W2為低溫水側(cè)的熱容量，其中：為低溫水的質(zhì)量；為低溫水的比熱。平均溫差取為對(duì)數(shù)平均溫差： ()式()、()和()即為缸套水冷卻器的換熱數(shù)學(xué)模型。式中的、均可以從冷卻器的說(shuō)明書(shū)中計(jì)算得到。下面具體介紹一下冷卻器傳熱系數(shù)的計(jì)算[4143]。板式換熱器的傳熱和阻力特性受工質(zhì)的普朗特?cái)?shù)、運(yùn)動(dòng)粘度、導(dǎo)熱系數(shù)和密度的影響。水的普朗特?cái)?shù)和運(yùn)動(dòng)粘度隨著水溫的升高而減小，導(dǎo)熱系數(shù)隨著水溫的升高而變大[4446]。因此，隨著水溫的升高，板式換熱器的換熱系數(shù)變大，阻力變小。對(duì)工質(zhì)為水的板式換熱器的計(jì)算，不能忽略水溫的影響，把水的特性參數(shù)取為常數(shù)[47]。在缸套淡水冷卻器中，熱量從高溫淡水向低溫淡水傳遞的過(guò)程中，其熱阻包括：高溫水側(cè)的對(duì)流換熱熱阻，熱水側(cè)的污垢熱阻，板片的導(dǎo)熱熱阻，低溫水側(cè)的污垢熱阻，低溫水側(cè)的對(duì)流換熱熱阻。所以，冷卻器總的傳熱系數(shù)公式為： ()其中：為冷卻器總的傳熱系數(shù)；為高溫淡水側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)；為高溫水側(cè)的污垢熱阻；為板片的導(dǎo)熱熱阻；為低溫水側(cè)的污垢熱阻；為低溫水側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)。對(duì)于高溫淡水側(cè)，設(shè)：高溫淡水的導(dǎo)熱系數(shù)為； 高溫淡水的流速：＝/ ( m/s )； 高溫淡水通道當(dāng)量直徑：＝4/ ( m )；其中，為介質(zhì)流通截面積； 為通道截面的濕周，即通道截面上與介質(zhì)接觸的壁面周長(zhǎng)。高溫淡水的雷諾數(shù)： ()高溫淡水的努謝爾數(shù)：= ()上式中，為高溫淡水的運(yùn)動(dòng)粘度，； Pr為高溫淡水的普朗特?cái)?shù)。其中，運(yùn)動(dòng)粘度，普朗特?cái)?shù)都與高溫淡水的溫度有較為明顯的變化關(guān)系，這里取為高溫淡水的算術(shù)平均溫度，即＝(＋)/2 ()高溫淡水的溫度大體在60－90度之間變化，通過(guò)查水的熱物理性質(zhì)表，有 淡水的熱物理性質(zhì)表 The table of thermal physical properties of the water 60 70 80 90Pr 采用最小二乘法對(duì)給定點(diǎn)進(jìn)行曲線擬和，可以得到Pr－、－的近似關(guān)系式：Pr＝－＋ ()＝(－＋) ()根據(jù)流體力學(xué)的相關(guān)公式，可知高溫水側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)為： ()從而可以得到與高溫水側(cè)的算術(shù)平均溫度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。同理可以計(jì)算低溫淡水側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)，只是低溫淡水側(cè)的努謝爾數(shù)為： ()高溫水側(cè)的污垢熱阻可取 ＝ ()低溫水側(cè)的污垢熱阻可取 ＝ ()板片的導(dǎo)熱熱阻： () ()式中：為板的厚度，為材料導(dǎo)熱系數(shù)。通過(guò)上面的計(jì)算方法可以得到缸套水冷卻器傳熱系數(shù)的計(jì)算公式，把它們帶入式()、()即可得到完整的缸套水冷卻器的熱力數(shù)學(xué)模型。 主機(jī)滑油冷卻器的熱力數(shù)學(xué)模型主機(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[48]。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)滑油冷卻器與主機(jī)缸套水冷卻器一樣為板式熱交換器，換熱原理與主機(jī)缸套水冷卻器完全相同，不同的是換熱器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)。主機(jī)滑油冷卻器 主機(jī)滑油冷卻器熱量傳遞關(guān)系簡(jiǎn)圖 The heat transfer sketch of main engine lubricating oil cooler，主機(jī)滑油冷卻器采用逆流換熱。設(shè)低溫淡水進(jìn)冷卻器溫度為；低溫淡水出冷卻器溫度為()；低溫淡水的質(zhì)量流量仍為；滑油進(jìn)冷卻器溫度為；滑油出冷卻器溫度為；滑油的質(zhì)量流量為。采用同缸套水冷卻器相同的建模方法可以得到主機(jī)滑油冷卻器的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)主機(jī)滑油冷卻器低溫冷卻水側(cè)的熱量傳遞關(guān)系：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)低溫水側(cè)蓄熱量的變化 ＝ 單位時(shí)間內(nèi)高溫滑油側(cè)傳遞給低溫水側(cè)的熱量 － 單位時(shí)間內(nèi)低溫冷卻水帶走的熱量。因此，可以得到下面的方程： ()上式中，為低溫淡水側(cè)的熱容量，具體計(jì)算方法同。為主機(jī)滑油冷卻器的傳熱熱阻，具體計(jì)算方法同缸套水冷卻器的傳熱熱阻一樣。為主機(jī)滑油冷卻器的平均溫差，這里也取為對(duì)數(shù)平均溫差： ()同理，滑油側(cè)的熱量傳遞關(guān)系：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)滑油側(cè)蓄熱量的變化＝單位時(shí)間內(nèi)滑油帶來(lái)的熱量－單位時(shí)間內(nèi)傳給冷卻水的熱量。因此可得方程如下： ()式中，為滑油側(cè)的熱容量，具體計(jì)算方法同。為滑油的比熱。式()、()、()即為主機(jī)滑油冷卻器的換熱數(shù)學(xué)模型。 主機(jī)空氣冷卻器的熱力數(shù)學(xué)模型主機(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[49,50]。兩種熱交換介質(zhì)均不發(fā)生相變。由于空氣側(cè)的熱性質(zhì)參數(shù)難以確定，而且通過(guò)肋壁的換熱也比較復(fù)雜，給建模仿真帶來(lái)了很大的困難。因此，不妨對(duì)空氣冷卻器做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，即把空氣冷卻器的傳熱系數(shù)定為常數(shù)，取算術(shù)平均溫差為冷卻器的平均溫差，根據(jù)換熱關(guān)系，可以得到以下方程： () () ()其中，為空氣冷卻器的傳熱系數(shù)；為傳熱面積；為冷卻水的質(zhì)量流量；為冷卻水出空氣冷卻器的溫度；為冷卻水進(jìn)空氣冷卻器的溫度；為空氣質(zhì)量流量；為空氣的比熱；為壓縮空氣進(jìn)空氣冷卻器溫度；為壓縮空氣出空氣冷卻器溫度；為空氣冷卻器的平均溫差，根據(jù)建模的實(shí)際需要，這里取為算術(shù)平均溫差，即： ()式()——()即為簡(jiǎn)化的空氣冷卻器的熱力數(shù)學(xué)模型。 低溫淡水冷卻器的熱力數(shù)學(xué)模型 低溫淡水水冷卻器 低溫淡水冷卻器熱量傳遞關(guān)系簡(jiǎn)圖 The heat transfer sketch of low temperature water cooler低溫淡水冷卻器內(nèi)流經(jīng)的流體為海水和淡水，在低溫淡水冷卻器中，海水用來(lái)冷卻從各冷卻器流回的低溫淡水，冷卻后的低溫淡水再去各冷卻器進(jìn)行冷卻。低溫淡水冷卻器也為板式冷卻器，冷卻原理同主機(jī)缸套水冷卻器一樣?？捎孟嗤姆椒ㄟM(jìn)行建模。，設(shè)為淡水進(jìn)低溫淡水冷卻器溫度；為淡水出低溫淡水冷卻器溫度；為低溫淡水的質(zhì)量流量；為低溫淡水的比熱；為低溫淡水冷卻器的傳熱系數(shù)；為低溫淡水冷卻器的傳熱面積；為海水側(cè)的總熱容；為淡水側(cè)的總熱容；為海水進(jìn)低溫淡水冷卻器溫度； 為海水出低溫淡水冷卻器的溫度；為海水的質(zhì)量流量；為海水的比熱；為低溫淡水冷卻器的平均溫差，這里也取為對(duì)數(shù)平均溫差。根據(jù)冷卻器的換熱原理，低溫淡水冷卻器淡水側(cè)的熱量傳遞關(guān)系：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)淡水側(cè)的蓄熱量的變化＝單位時(shí)間內(nèi)淡水帶來(lái)的熱量－單位時(shí)間內(nèi)傳遞給海水的熱量。得到： ()同樣，海水側(cè)的熱量傳遞關(guān)系：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)海水側(cè)的蓄熱量的變化＝單位時(shí)間內(nèi)淡水傳遞給海水的熱量－單位時(shí)間內(nèi)海水帶走的熱量，即: ()上面兩式中的各相關(guān)未知量可以對(duì)應(yīng)缸套水冷卻器的計(jì)算方法得到。 其它換熱設(shè)備的熱力模型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。如果對(duì)這些設(shè)備一一建模，工作量會(huì)很大。從實(shí)習(xí)船說(shuō)明書(shū)中知道，流經(jīng)這些冷卻器的冷卻水流量占整個(gè)冷卻水系統(tǒng)的總流量的很小一部分，且換熱量較小，因此，為了系統(tǒng)建模的考慮，對(duì)這些系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，把這些小冷卻器考慮為一個(gè)板式冷卻器，用這個(gè)假設(shè)的板式冷卻器的模型替代若干小冷卻器的模型。板式冷卻器的建模方法同上。 低溫淡水系統(tǒng)三通閥混流模型同高溫淡水系統(tǒng)三通閥類(lèi)似，低溫淡水系統(tǒng)三通閥的作用也是通過(guò)控制流經(jīng)低溫淡水冷卻器的淡水流量來(lái)控制低溫淡水出低溫淡水冷卻器的溫度。，設(shè)低溫淡水系統(tǒng)三通閥開(kāi)度為；低溫淡水系統(tǒng)管路低溫淡水總流量為；流經(jīng)低溫淡水冷卻器的低溫淡水流量為；為淡水進(jìn)低溫淡水冷卻器溫度；為淡水出低溫淡水冷卻器溫度；為低溫淡水進(jìn)入各冷卻器的進(jìn)口溫度。同高溫淡水系統(tǒng)三通閥類(lèi)似，可以得到： () () 低溫淡水系統(tǒng)三通閥出口分流和低溫淡水冷卻器前混合模型分流其它冷卻設(shè)備滑油冷卻器空氣冷卻器主機(jī)缸套水冷卻器混流 The sketch of the diffluence of threeway valve of low temperature water system and the maxing before low temperature water cooler，根據(jù)前面的分析，我們近似的認(rèn)為整個(gè)低溫淡水系統(tǒng)的低溫淡水總流量是恒定的，低溫淡水通過(guò)低溫淡水泵實(shí)現(xiàn)循環(huán)，因此，在低溫淡水去冷卻各設(shè)備前有一個(gè)分流過(guò)程，低溫淡水冷卻完各冷卻器準(zhǔn)備進(jìn)入低溫淡水冷卻器去接受海水的冷卻前有一個(gè)混流過(guò)程。同前面類(lèi)似，設(shè)為低溫淡水系統(tǒng)管路低溫淡水總流量；為流經(jīng)主機(jī)滑油冷卻器及主機(jī)缸套水冷卻器的低溫淡水流量；為流經(jīng)空氣冷卻器的低溫淡水流量；為流經(jīng)其它冷卻設(shè)備的總的低溫淡水流量； 為低溫淡水出主機(jī)缸套水冷卻器的溫度；為低溫淡水出空氣冷卻器的溫度；為低溫淡水其它冷卻設(shè)備的溫度；為各路低溫淡水混流后的溫度。根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒定律，有： () ()同時(shí)根據(jù)高溫淡水冷卻器、主機(jī)空氣冷卻器和其它冷卻設(shè)備之間的并聯(lián)關(guān)系，可以確定各冷卻器兩端的壓差相同。所以流經(jīng)各冷卻器的質(zhì)量流量按比例分配，比例關(guān)系與各冷卻器流道的阻力相關(guān)。所以有： () ()上兩式中的、可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，得到和后