船舶淡水冷卻系統流量分配的探析

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(1.無錫交通高等職業技術學校，江蘇 無錫 214151；2.上海外高橋造船廠，上海 200032)

由于管路分支帶來的流量分配不均導致設備不能得到有效冷卻的現象經常出現，所以設計初期對其進行預算是一項非常重要的工作。本文從常規的管路流量分配計算方法著手，提出船舶淡水冷卻系統流量分配的流量補償計算法。

1 分支管路的流量分配

對于分支管路來說，管道的長度、通徑、管路形態及其背壓等都或多或少地影響著流量的分配。分析此類問題的基本原則是：主管的總流量等于各支管的流量之和，且在同一流線分岔處的壓力是確定不變的[1]，見圖1。

圖1 分支管路示意

根據上述原則，求解下列方程組，就能夠算出各個管道中的流速以及流量分配情況。

(1)

式中：l——管道長度；

d——管道內徑；

ξ——局部損失系數；

v2/(2g)——單位重量流體的動壓頭(速度水頭)；

z——位置水頭；

p/(ρg)——壓強水頭；

λ——沿程損失系數。

λ為關于雷諾數和相對粗糙度的函數，雷諾數是關于運動粘度、流速和管道內徑有關的函數，因此精確計算流量分配難度很大，計算過程相當繁冗。一般通過反復地運算各個支管中的情況，通過壓力平衡來預估其流量分配，使用流量分配來匹配實際流量，接著再使用匹配流量驗算壓力平衡條件。如此往復，直至結果在誤差范圍內為止。對于n根支管的計算，可用下面的變形公式。

(2)

可見，并聯管路系統中，每增加一根管路就要使計算增加一個維度，想要詳盡地分析出并聯管路的流量情況，計算很麻煩。

2 船舶淡水冷卻系統

現代船舶幾乎都采用了中央冷卻系統，這種冷卻系統的優點是：循環在主機等機械內的水是清潔的淡水，因此不易產生水垢而發生管道堵塞的現象；淡水不會產生積鹽現象，因而能保證良好的傳熱效果，同時冷卻水溫可以不受鹽分自海水中析出的溫度限制，可以達到65～85 ℃，甚至在某些船上可高達95～110 ℃，這樣高溫部件熱表面與冷卻水之間溫差減小，被冷卻水帶走的熱量減少，有利于提高熱效率和熱負荷[2]。

中央冷卻系統由海水管路、高溫淡水管路、低溫淡水管路組成，涉及諸多并聯管路的流量分配，與設備的分布、管路的大小都有關系，是一個非常困擾設計者的難題，圖2為某船的冷卻水系統。

圖2 某船冷卻水系統的熱平衡圖

從圖2中看出該船有17個冷卻單元，也就是17根管路并聯，管路內徑從25～125 mm不等，而且設備距離淡水冷卻水泵的距離或遠或近，其繁冗程度可見一斑。

3 淡水冷卻系統的分析計算

計算前需要對上述問題進行簡化。整個中央冷卻水系統為閉式并聯系統，所以系統中的位能和壓力能相互轉化，對整個計算產生的影響可以忽略，將整個系統視為一個平面內的系統。

對于類似中央冷卻水系統的多支管的流量分配，采用流量補償的迭代方法，計算步驟如下。

1)首先按照管路的截面積的比例將冷卻水分配給各個分支管路。

5)將步驟4)中算出的扣除流量的總量再分配給管路損失小于平均值的管路，分配比例為流量不足的管路截面積的平方。

6)返回步驟2)，進行運算核實。

需要說明的是，步驟4)和步驟5)只能挑一個進行運算，在步驟4)中運算過的管道在管道5)中不參與運算。為了方便讀者理解，列出計算流程見圖3。

經過圖3中的運算，基本就能找到接近真實情況的流量分配。

下面舉一算例來演示。見圖4，由4根支管組成的并聯管路中，管道1～4的通徑分別為300、250、150、150 mm；各自的長度為20、40、50、80 m；各自管道內的局部阻力損失系數為3、4、5、10；所有管路內壁面的絕對粗糙度為0.1 mm，密度為1 000 m3/h，運動粘度為1×10-6m2/s，總流量為800 m3/h，求管路流量分配情況。

圖3 計算流程

圖4 并聯管路示意

其計算過程見表1。在第一次運算初始分配階段，將800 m3/h的流量按截面積分配給各個支管，分別計算出各個支管的損失狀況，并計算出其平均值；管路3和4的壓損比平均值大，就意味著其流量分配過多，按照步驟4的算法扣除一定的量給管路1和2；而管路1和2的壓損小于平均壓損，這就意味著其流量分配不足，就將上一步中扣除的量匯總后按照面積比例分配給管路1和2，于是就產生了新的流量分配；接下來就進入第2次循環運算，對所有管路再重復計算分配一次。當計算到第25次循環運算時，4支管的水力損失趨于一致，不再產生新的流量分配，運算截止，此刻的各支管的流量就已達到實際分配狀態。

以上的分析可見，管路口徑小且長度長的冷卻單元的冷卻水量往往很小，而粗短的管路其流量往往超出預期。在實際運用中，可以使用支總管的形式來彌補不足，具體做法就是將某些冷卻水量需求較小的設備布置得相對集中，用一根總支管引至設備附近，進行供水。

4 結論

該種流量補償的反復迭代方法很適合閉式并聯管路流量分配的預測計算。在實踐中，閉式并聯管路系統(例如淡水冷卻水系統)流量的分配應細致考慮：對于遠端設備，而且冷卻水接口較小的，可以通過增大冷卻水管路通徑以增加其冷卻水流量；對于管路粗短的設備，可以在不影響其工作的前提之下在其管道上增設節流孔板，調節整個系統的流量分配，保證系統中其它設備的正常冷卻。

表1 并聯管路流量分配計算的電子表格算例

[1] 孔 瓏.工程流體力學[M].北京：中國電力出版社,2007.

[2] 董愛國.船舶管舾裝設計工藝實用手冊[M].北京：國防工業出版社,2009.