智能化機艙冷卻水系統(tǒng)解決方案

朱建中 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院

1.概述

本項目為XXX職業(yè)技術(shù)學(xué)院為適應(yīng)教育教學(xué)需要，滿足國際海事組織和中華人民共和國海事局對輪機工程技術(shù)專業(yè)實踐教學(xué)場地設(shè)施設(shè)備的要求，提高輪機工程技術(shù)專業(yè)學(xué)生的操作技能，提升學(xué)生的崗位適應(yīng)能力，而建造自動化達到船級社要求AUT-0 標準的智能化機艙。

1.1 地理位置

本機艙位于學(xué)院的輪機教學(xué)綜合樓輔樓內(nèi)。由于本項目所處的特殊地理位置，周圍沒有天然河流，只有一條人工景觀河，并且該河是一個封閉的河流，和外部河流不連通。智能化機艙教學(xué)樓周圍根據(jù)建造設(shè)計圖紙設(shè)有環(huán)型景觀水池。具體見圖1。

圖1 智能化機艙地理位置

1.2 氣候環(huán)境

本項目位于XX省XX市，由于近些年來受溫室氣體的影響，XX市的氣候變化也比較大。本機艙的設(shè)計環(huán)境以最近三年XX市的夏季溫度為環(huán)境條件。根據(jù)近幾年XX地區(qū)氣候特點，每年七月份是一年中溫度最高的一個月，表1～表3是最近三年的本地區(qū)七月份溫度統(tǒng)計表。

表1 2018年7月XX市氣溫

表2 2019年7月XX市氣溫

表3 2020年7月XX市氣溫

根據(jù)上述地區(qū)7月份溫度表，可以看出氣溫基本上低于 37℃。

1.3 機艙設(shè)備

本項目所配置的設(shè)備包括了常規(guī)機艙的所有設(shè)備，其中在運行時需要冷卻的設(shè)備有主柴油機、水力測功儀、軸發(fā)齒輪箱、輔機、主空壓機和空調(diào)冷凝機組。以上所有設(shè)備根據(jù)設(shè)備廠家提供的參數(shù)，列清其冷卻相關(guān)參數(shù)列表如表4。

表4 主柴油機冷卻參數(shù)表

由于主機的熱量主要由空冷器、缸套和滑油冷卻三部分散熱構(gòu)成，這三部分散熱主要由水冷卻。從主機的參數(shù)表格中可以看出，主機采用淡水冷卻時冷卻水量為152m3/h，總的冷卻負荷為3129kW。主機機體的熱輻射由空氣冷卻，可通過機艙的通風(fēng)系統(tǒng)將熱量帶走。根據(jù)本項目確定的水力測功儀型號，水力測功儀器工作時需要的冷卻水量為300m3/h。

根據(jù)本項目方案選用的輔機，輔機工作時需要的冷卻水量為15.7m3/h，冷卻負荷為399kW。由于本項目配置兩臺輔機，同時工作時需要冷卻水量為31.4m3/h，總的冷卻負荷為 798kW。

其他設(shè)備如空調(diào)、主空壓機和冷藏裝置均為間歇運行，其冷卻水量的如表5。

表5 冷卻水量和熱交換量

2.冷卻水設(shè)計方案

2.1 冷卻系統(tǒng)計算

冷卻水的計算是根據(jù)設(shè)備資料中的冷卻水參數(shù)，故冷卻水參數(shù)從設(shè)備樣本中的參數(shù)選取，根據(jù)這些參數(shù)計算如表6。

表6 冷卻水系統(tǒng)計算

根據(jù)上述計算表可以得出機艙內(nèi)的設(shè)備需要冷卻的負荷和水量。水力測功儀的冷卻水根據(jù)測功儀的特性，采用單獨的冷卻水泵，其他設(shè)備采用中央冷卻水系統(tǒng)。中央冷卻水系統(tǒng)配置如表7。

表7 中央冷卻水系統(tǒng)配置

根據(jù)冷卻水系統(tǒng)，本機艙設(shè)備運行時需要的冷卻熱量為8019kW。

2.2 冷卻水系統(tǒng)

2.2.1 使用景觀水池水冷卻

根據(jù)建造設(shè)計圖，經(jīng)計算景觀水池的面積約 1300 平方米。如只采用景觀水池來進行冷卻水供應(yīng)，我們可以進行計算如表8。

表8 運轉(zhuǎn)時間與水深的關(guān)系

根據(jù)計算結(jié)果，如要本機艙的設(shè)備需要運行8個小時，景觀水池的深度需要 2.6m。由于景觀水池的高度太深，會存在一定的安全隱患；如景觀水池的位置太高，水力測功儀的冷卻水不能及時回水。故采用景觀水池冷卻不能滿足持續(xù)運行要求。需要考慮使用景觀河水。

故景觀水池的水深僅可滿足平時8個小時教學(xué)即可，水池深度為2.6m。

2.2.2 使用景觀水池和景觀河的水冷卻

本項目一側(cè)有一條人工開挖的景觀河，景觀河的面積約10000平方米，河水平均深度約1.5m。采用的景觀河水冷卻，需要考慮景觀河的各個面的散熱，具體計算如下所示。

根據(jù)地區(qū)氣候條件，景觀河水的溫度大約在32℃，景觀河的水面散熱Qx，景觀河側(cè)壁和底面散熱量Qy，機艙設(shè)備總散熱量為Q。若要設(shè)備能夠持續(xù)運轉(zhuǎn)，所有的熱量需要滿足下列公式：

其中：景觀河的水面散熱

式中：

α：換熱系數(shù)，取：4.1868kj/kcal

y:32℃時的飽和蒸汽的蒸發(fā)汽化潛熱，取577.79kcal/kg

Vf：水面風(fēng)速度，取2m/s

Pb：32℃時的飽和空氣的水蒸汽分壓力，取36mmHg

Pq：環(huán)境空氣的水蒸汽壓力（mmHg）

A：水面積，10000m2

B：當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫Γ?6mm Hg

景觀河側(cè)壁和底面散熱量 Qy，根據(jù) Boussinesq 理論，結(jié)合陸上工程項目和試驗?zāi)Ｐ停?/p>

得出：Qy=0.2＊Qx

即：Q ＜ Qx+Qy

推算出：Q ＜ 1.2Qx

8019＜1.2Ox

計算出：Pq＜18.27mmHg

查干飽和水蒸汽的熱物理性質(zhì)表得出：18.27mmHg。水蒸汽壓力對應(yīng)的環(huán)境溫度為21℃，即如果本機艙不采用別的設(shè)備進行降溫，需要在環(huán)境溫度為 21℃，才能保證所有設(shè)備的良好運行。故本項目需要配置冷卻塔。

如果選用的冷卻塔的冷卻能力為總的熱負荷的 50%，那么利用上面的公式計算得出環(huán)境的溫度需要低于 27℃。故夏季工況的氣溫不能滿足該要求。

2.3 采用冷卻塔冷卻設(shè)備的散熱

由于要保證本項目所有設(shè)備能夠持續(xù)運行，特別是在7～9月份持續(xù)運行，選用的冷卻塔需要能夠?qū)⒃O(shè)備冷卻，帶來冷卻水溫變化由32℃升高至42 ℃的熱量，故冷卻塔按700m3/h 的冷卻水量，能夠?qū)?2℃水降低至32℃的能力配置。該方案布置即可保證機艙設(shè)備持續(xù)運行。

3.總結(jié)

本項目具體的地址位置限制了其附屬系統(tǒng)的設(shè)計，結(jié)合本項目的實際情況，查核各方資料，提出各種冷卻水系統(tǒng)設(shè)計方案，并對其進行論證，確定如果本項目各種設(shè)備如要持續(xù)運行，利用景觀水池和景觀河共同冷卻，并安裝冷卻塔的方案才能滿足使用要求。