【正文】 所以有： () ()上兩式中的、可通過實(shí)驗(yàn)測得，得到和后。根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒定律，有： () ()同時根據(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。同高溫淡水系統(tǒng)三通閥類似，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)備前有一個分流過程，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混流過程。 低溫淡水系統(tǒng)三通閥混流模型同高溫淡水系統(tǒng)三通閥類似，低溫淡水系統(tǒng)三通閥的作用也是通過控制流經(jīng)低溫淡水冷卻器的淡水流量來控制低溫淡水出低溫淡水冷卻器的溫度。從實(shí)習(xí)船說明書中知道，流經(jīng)這些冷卻器的冷卻水流量占整個冷卻水系統(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，對這些系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)暮喕堰@些小冷卻器考慮為一個板式冷卻器，用這個假設(shè)的板式冷卻器的模型替代若干小冷卻器的模型。 其它換熱設(shè)備的熱力模型除了以上所提到的幾個主要冷卻設(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。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：單位時間內(nèi)淡水側(cè)的蓄熱量的變化＝單位時間內(nèi)淡水帶來的熱量－單位時間內(nèi)傳遞給海水的熱量?？捎孟嗤姆椒ㄟM(jìn)行建模。 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。由于空氣側(cè)的熱性質(zhì)參數(shù)難以確定，而且通過肋壁的換熱也比較復(fù)雜，給建模仿真帶來了很大的困難。用于冷卻增壓空氣的冷卻水從管子內(nèi)流過，不斷吸收空氣的熱量使溫度上升[49,50]。 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)。為滑油的比熱。為主機(jī)滑油冷卻器的平均溫差，這里也取為對數(shù)平均溫差： ()同理，滑油側(cè)的熱量傳遞關(guān)系：單位時間內(nèi)滑油側(cè)蓄熱量的變化＝單位時間內(nèi)滑油帶來的熱量－單位時間內(nèi)傳給冷卻水的熱量。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。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。主機(jī)滑油冷卻器 主機(jī)滑油冷卻器熱量傳遞關(guān)系簡圖 The heat transfer sketch of main engine lubricating oil cooler，主機(jī)滑油冷卻器采用逆流換熱。低溫淡水在主機(jī)滑油冷卻器中與滑油進(jìn)行熱交換，對滑油進(jìn)行降溫。通過上面的計(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。其中，運(yùn)動粘度，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。對于高溫淡水側(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。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程中，其熱阻包括：高溫水側(cè)的對流換熱熱阻，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)的對流換熱熱阻。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。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)動粘度、導(dǎo)熱系數(shù)和密度的影響。式中的、均可以從冷卻器的說明書中計(jì)算得到。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。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]。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]：單位時間內(nèi)高溫水側(cè)蓄熱量的變化 ＝ 單位時間內(nèi)缸套冷卻水帶來的熱量 － 單位時間內(nèi)傳遞給低溫水側(cè)的熱量。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足一定的精度要求的。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。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。通過前面的介紹知道，主機(jī)缸套水冷卻器為板式冷卻器，采用逆流換熱方式[36]。同高溫淡水系統(tǒng)一樣，下面分別對各主要換熱設(shè)備建模。根據(jù)三通閥的特點(diǎn)，不難得出描繪三通閥特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式： () () () 低溫淡水回路熱力數(shù)學(xué)模型海水出海水進(jìn)分流其它冷卻設(shè)備滑油冷卻器空氣冷卻器主機(jī)缸套水冷卻器混流低溫淡水冷卻器三通閥 低溫淡水系統(tǒng)換熱簡圖 Low temperature water system heat transfer sketch，同高溫淡水系統(tǒng)一樣，近似地認(rèn)為整個低溫淡水系統(tǒng)的低溫淡水總流量不變，并對系統(tǒng)中的冷卻設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，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)成一個板式冷卻器考慮，并忽略管路和膨脹水柜的散熱。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[35]。設(shè)造水機(jī)系統(tǒng)旁通閥開度為，有： () ()式()、()、()即為簡化的造水機(jī)系統(tǒng)熱力數(shù)學(xué)模型。查詢實(shí)習(xí)船采用的造水機(jī)的說明書，可得：＝，＝16t/d；故有： ()在這里相當(dāng)于把造水機(jī)當(dāng)成一個固定放熱量的裝置來看待，因此，完全可以放寬到高溫淡水回路，此時造水機(jī)高溫淡水的流量可以放寬到高溫淡水回路中流經(jīng)造水機(jī)的流量，入口溫度放寬到高溫淡水流經(jīng)造水機(jī)單元的入口溫度，也就是主機(jī)缸套冷卻水的出口溫度。為造水機(jī)24小時的造水量。即冷卻水吸收的熱量為主機(jī)燃油燃燒發(fā)出總熱量的18％，所以： ()上式中： 為主機(jī)功率，Kw； 為燃油消耗率，Kg/Kwh； 為燃油的低發(fā)熱值，KJ/Kg；把代入式(), 整理得： ()式()即為簡化的主機(jī)缸套冷卻熱力數(shù)學(xué)模型?？纱致缘卣J(rèn)為柴油機(jī)冷卻水始終帶走柴油機(jī)總發(fā)熱量的某一固定比例。根據(jù)熱量平衡關(guān)系：單位時間內(nèi)缸套內(nèi)的冷卻水和缸套的蓄熱量變化＝單位時間內(nèi)由于柴油機(jī)燃燒傳給缸套的熱量－單位時間內(nèi)冷卻水帶走的熱量[30,31]，由此，可得下列關(guān)系式： ()上式中，為缸套內(nèi)的冷卻水和缸套的總熱容量[32]，其中和分別為缸套內(nèi)的冷卻水和缸套的質(zhì)量；和分別為冷卻水和缸套的比熱；為缸套冷卻水的質(zhì)量流量；為單位時間內(nèi)，由于柴油機(jī)燃燒加給冷卻水的熱量；為主機(jī)缸套冷卻水的出口溫度，即高溫淡水進(jìn)造水機(jī)的溫度；為柴油機(jī)缸套冷卻水的進(jìn)主機(jī)溫度。因此，在對主機(jī)缸套冷卻建模的過程中，作了適當(dāng)?shù)暮喕?，即把主機(jī)缸套作為一個熱源，缸套水對其進(jìn)行冷卻。冷卻水從缸套中部進(jìn)入冷卻水套，對缸套的外圓表面進(jìn)行冷卻，然后上行至氣缸蓋的冷卻水套，并通過氣缸蓋內(nèi)的冷卻水通道進(jìn)入排氣閥閥座對這些高溫部件進(jìn)行冷卻，冷卻水從主機(jī)出來以后，進(jìn)入除氣柜。下面對各主要換熱設(shè)備建模[26,27]。由于是閉式循環(huán)系統(tǒng)，整個高溫淡水回路的冷卻水量保持基本恒定，高溫淡水回路的高溫淡水全部通過高溫淡水泵實(shí)現(xiàn)循環(huán)，為了系統(tǒng)建模的方便，對高溫淡水回路中的冷卻設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)簡化，近似的認(rèn)為整個系統(tǒng)的高溫淡水的總流量不變，并忽略管路和膨脹水柜的散熱，只保留一些主要的換熱設(shè)備[25]。因此，在對系統(tǒng)進(jìn)行建模的時候，可以對這三個子系統(tǒng)分別建模，最后合成為一個系統(tǒng)。如果滿足小于，結(jié)束計(jì)算，輸出。(7) 根據(jù)缸套冷卻水泵的H－Q關(guān)系式計(jì)算當(dāng)缸套冷卻水泵流量為時水泵的壓頭。(5) 根據(jù)假設(shè)流量計(jì)算各個單元的沿程水力損失和局部水力損失。(3) 假設(shè)某一三通閥閥位。具體編程計(jì)算步驟如下[24]：(1) 輸入管路特性參數(shù)(阻力系數(shù)、管壁粗糙度，管路尺寸等)，三通調(diào)節(jié)閥特性參數(shù)，缸套冷卻水泵性能參數(shù)和計(jì)算精度。通過查說明書，測得了幾組缸套冷卻水泵的實(shí)際流量—實(shí)際揚(yáng)程(H－Q)數(shù)據(jù)。到目前為止，我們還不能用理論計(jì)算的方法準(zhǔn)確地獲得離心泵的特性曲線，所以泵的實(shí)際特性曲線都是通過實(shí)驗(yàn)的方法來測定的。 泵的特性曲線離心泵的特性曲線是指泵的壓頭、軸功率、效率相對于流量的一組關(guān)系曲線。設(shè)此并聯(lián)管路的等效阻力系數(shù)為，有： () 聯(lián)立()、()、()解得： ()整個主機(jī)缸套冷卻水系統(tǒng)管路就可以看成多個分支管路串聯(lián)、并聯(lián)而成。為設(shè)此串聯(lián)管路的等效阻力系數(shù)為，有： ()聯(lián)立()、()、()三式有： () 并聯(lián)管路等效阻力系數(shù) 阻抗的并聯(lián) Parallel impedance，該管路由阻抗分別為和的兩個阻抗并聯(lián)而成，和分別為兩個支路的流量，為管路總流量。 串聯(lián)管路等效阻力系數(shù) 阻抗的串聯(lián) Series impedance，該管路由阻抗分別為和的兩個阻抗串聯(lián)而成，管路系統(tǒng)滿足連續(xù)性方程和能量方程： () ()其中為管路總壓頭損失，為第一個阻抗引起的水頭損失，；為第二個阻抗引起的水頭損失， 。沿程損失與局部損失之和就是管路的壓頭損失： ()在近似認(rèn)為沿程阻力系數(shù)不變的情況下，有,其中。由于缸套水冷卻器的局部阻力系數(shù)難以確定，因此可以考慮用經(jīng)驗(yàn)公式直接求冷卻水流經(jīng)缸套水冷卻器的壓降，即： ()上式中： ——待定系數(shù)，可以通過試驗(yàn)方法求得 ——管道內(nèi)流體流速，； ——冷卻器的流程數(shù)對于三通閥，本系統(tǒng)中采用的是理想特性為直線特性的對稱三通閥，由參考文獻(xiàn)23可知：對于可調(diào)比R＝30的三通閥，設(shè)閥門開度為x，則某一支路的閥門阻力系數(shù)[23]： ()另一支路得閥門阻力系數(shù)： ()式()和()中， ＝，為當(dāng)三通閥的某個支路全開時，該支路的三通閥的局部阻力系數(shù)。而局部阻力系數(shù)一旦確定，便不再變化。其中，柴油機(jī)內(nèi)部的局部阻力系數(shù)可以通過試驗(yàn)的方法得到。具體到本章中的主機(jī)缸套冷卻水系統(tǒng)，大多數(shù)通用元件(如彎管接頭、普通閥門等)的局部阻力系數(shù)可以通過查流體力學(xué)相關(guān)手冊得到。局部損失可以表示為： ()上式中是與局部構(gòu)件形狀有關(guān)的局部阻力系數(shù)。雖然局部