船舶中央冷卻系統熱平衡計算及程序仿真設計

鄭玄亮，劉喜衛，曾慶謙

（上海佳豪船舶工程設計股份有限公司，上海 200233）

0 引 言

動力裝置是船舶的“心臟”，而冷卻系統是船舶動力裝置不可或缺的組成部分，用于冷卻整個船舶發熱部件，保證所有設備在適宜工況下正常工作，其主要作用為通過外部循環介質冷卻主要運轉設備。船舶冷卻系統設計具有一定的復雜性，合理地選擇與設計冷卻系統對船舶適航性、動力系統的維護與管理、船舶建造成本和營運成本等諸多方面將會產生深遠的影響[1]。國內已經有很多學者在船舶空調與冷卻系統的應用領域做了很多研究工作[2~4]。

中央冷卻系統作為一種新型的冷卻系統在極大程度上減緩了系統腐蝕，并以其工況穩定而被廣泛使用。該系統設立高溫淡水系統、低溫淡水系統和海水系統。其基本特點是循環系統使用不同的工作溫度。3個系統中，高溫淡水系統用于冷卻主機，低溫淡水系統用于冷卻高溫淡水和各種冷卻器，海水系統則用來冷卻低溫淡水。中央冷卻系統通過中央冷卻器將海水和整個系統隔絕，從根本上緩解了腐蝕問題，為現代大多數船舶設計中所采用。

1 船舶中央冷卻系統

中央冷卻系統作為一種冷卻形式應用于現代船舶始于20世紀60年代[5,6]。中央冷卻系統設有高溫淡水系統、低溫淡水系統和海水系統。以某48000dwt散貨船獨立式中央冷卻系統設計為例分別闡述。

1.1 高溫淡水系統

柴油機（主機）是船舶動力中心，工作時相對穩定于高速運轉狀態。主機高速運轉消耗燃油釋放能量的同時，整套設備的溫度也隨之升高，對于這些高溫部位的冷卻不能使用低溫淡水，因為過大的溫差會引發過大的熱應力。

運用高溫淡水冷卻系統的目的就是將溫度差控制在適當的范圍內。一般入口溫度約為68℃，經過主機熱交換后出口溫度不超過80℃，如圖1所示。

圖1 高溫淡水系統

1.2 海水系統

海水系統從舷外抽水至冷卻系統，經中央冷卻器對低溫淡水進行冷卻，如圖2所示。該系統設置了低位海底閥和高位海底閥，用于不同的航行工況，通過大容量海水泵抽水至系統，熱交換完成后部分海水通過調節閥回到入口處，其余的則排出舷外。

1.3 低溫淡水系統

低溫淡水的溫度設為:進口36℃，出口不高于60℃。低溫淡水系統為船舶中央冷卻系統的中堅力量，換言之，船舶輪機系統大部分設備的冷卻過程均屬于低溫淡水冷卻范疇，如主機空冷器、滑油冷卻器、空壓機、中間軸承、柴油發電機空冷器、冷藏和空調裝置等。

低溫淡水從低溫淡水冷卻器(中央冷卻器)中通過板式熱交換器與海水進行熱量交換，然后分別按主機、柴油機和其他設備兩部分進入以下各個設備，主機部分一般為:主機空冷器、滑油冷卻器、空壓機和中間軸承，經過這些設備后這部分冷卻水直接輸向高溫淡水系統，通過主機部分后回到中央冷卻器。剩余的低溫淡水通過柴油機和其他設備后回流到中央冷卻器。如圖3所示。

圖2 海水系統

圖3 低溫淡水系統

2 仿真計算程序設計

高效的熱平衡計算能夠迅速給出冷卻系統各個熱交換節點的參數（流量、溫度等）和各個主要設備的特性數據，如熱交換器所傳遞的熱量及高低溫熱交換介質（海水/淡水）的進出溫度和流量、泵的排量等，為后續設計工作中的系統構建及設備選型提供依據[7]。

根據熱力學第一定律，熱平衡分析可揭示裝置或設備在能量的數量上的轉換、傳遞、利用和損失的情況[8]。以某 48000dwt散貨船的冷卻系統設計為基礎，針對獨立式中央冷卻系統進行仿真計算程序開發設計。

熱力學基本原理為：

式中，Q——冷卻過程中交換的熱值；

q—— 冷卻水流量；

c—— 冷卻介質比熱；

ΔT ——熱交換前后冷卻介質溫度變化；

ρ——冷卻介質密度。

在實船冷卻系統設計中，冷卻介質只有淡水和海水，其比熱、密度均為已知量。冷卻水的流量，通常由各主要設備供應商給出配套泵機的建議參數，在進行計算時可以按照這些既定的建議參數確定各節點冷卻水的流量。再根據不同冷卻設備的技術要求，確定若干冷卻水進出口既定溫度。數據確定后，按上述公式可進行各熱交換節點處的計算，得出相應的溫度、流量等數據，最終確定低溫淡水冷卻泵的流量和中央冷卻器所需的熱功率。

熱平衡仿真計算程序是用VB6.0開發編寫，在Windows2000/XP系統下調試完成并通過測試運行。程序的主界面見圖4所示。

圖4 船舶中央冷卻系統熱平衡計算程序主界面

在程序的主界面上用單點劃線表示高溫淡水冷卻管路可見圖 5；用實線表示低溫淡水冷卻管路，用雙點劃線表示海水冷卻管路可見圖6。3種不同的冷卻系統以及各個冷卻設備之間的連接關系可以一目了然。

不同性質的數據則由不同顏色的數據框予以區別。灰色數據框為輸入數據，需要用戶人工輸入已知的參數（既定溫度、參考流量等，冷卻水比熱、密度等恒定參數內置于程序中不需要人工輸入）。白色數據框內為輸出數據和參考數據，計算完成后各節點的計算結果自動顯示于相關數據框內，以便用戶識讀。計算過程中，參考數據框由程序自動填入被關聯的數據（如冷卻水進出口流量相等、總管支管冷卻水溫度相同），可以減少用戶輸入數據量，節省時間、提高效率。白色框內數據為不參與計算數據（如冷卻水管路通徑），這些數據標識出來便于用戶對程序的理解與應用。

圖5 高溫淡水冷卻循環

圖6 海水冷卻循環

程序運行后顯示主界面，數據框中默認數據為某48000dwt散貨船中央冷卻系統的計算數據，見圖4。在程序界面右下方有 5個按鈕供用戶選擇操作。單擊“清空”按鈕，所有輸入及輸出數據框中的數字被清空，用戶可根據需要在輸入數據框（灰色）中輸入對應的計算數據。單擊“計算”按鈕，開始熱平衡計算，計算完成后在輸出數據框（白色）中顯示各計算結果，用戶可以在程序主界面上直接讀取計算結果。

如果用戶需要保存計算結果，可單擊右下角的“保存結果”按鈕，彈出計算結果保存界面如圖7所示。在結果保存界面中用戶可以指定文件保存的路徑和文件名。然后，單擊“保存并退出”按鈕，文件自動保存于制定的路徑下，保存結果界面關閉，返回程序主界面。

圖7 熱平衡計算結果保存界面

圖9 中央冷卻系統熱平衡計算程序流程

圖8 熱平衡計算結果數據文本

計算結果保存為二進制文本文件，可以通過文本閱讀工具打開，見圖8。進行多次不同的計算時，可以將計算結果保存為不同名的獨立文件，也可以不改變文件名而進行多次計算結果的保存，后一次的計算結果自動保存在上次計算結果之后，方便用戶進行結果分析比較與錯誤查詢。程序流程圖如圖9所示。

3 結 語

冷卻系統的熱平衡計算是系統設計的重要一步，運用仿真程序能提高工作效率和計算的正確性。船舶中央冷卻系統的應用對改善冷卻系統的腐蝕有明顯效果，已在民用船舶中廣泛應用。軍輔船中也部分采用了中央冷卻系統。

由于該程序僅針對獨立式中央冷卻系統開發編寫的，存在一定的局限性，尚不適用于其他冷卻形式的熱平衡計算。

[1] 甘念重. 船舶主機熱平衡分析及其余熱利用[J]. 船海工程, 2008(2): 66-69.

[2] 梅國梁, 張珍. 船舶中央空調節能技術探討[J]. 上海造船, 2009(1): 43-44.

[3] 安毓輝. 船舶制冷裝置制冷劑的使用和限制[J]. 上海造船, 2009(2): 24-26.

[4] 張建華, 闞安康, 韓厚德. 船舶中央空調系統能耗分析及節能措施[J]. 上海造船, 2011(1): 59-61.

[5] 潘偉昌. 中央冷卻系統的研究與初步應用[D]. 哈爾濱工程大學, 2001.

[6] 鮑文斌. 中央冷卻系統的計算及在船舶中的應用[D]. 哈爾濱工程大學, 2001.

[7] 金春日, 馬捷, 劉濤. 大型船舶主機廢氣熱能回收裝置的熱平衡分析[J]. 船舶工程, Vol. 31, 2009 (9): 39-44.

[8] 姚壽廣. 船舶熱力系統分析[M]. 北京:科學出版社, 2003.