船舶淡水冷却系统流量分配的探析

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(1.无锡交通高等职业技术学校，江苏 无锡 214151；2.上海外高桥造船厂，上海 200032)

由于管路分支带来的流量分配不均导致设备不能得到有效冷却的现象经常出现，所以设计初期对其进行预算是一项非常重要的工作。本文从常规的管路流量分配计算方法着手，提出船舶淡水冷却系统流量分配的流量补偿计算法。

1 分支管路的流量分配

对于分支管路来说，管道的长度、通径、管路形态及其背压等都或多或少地影响着流量的分配。分析此类问题的基本原则是：主管的总流量等于各支管的流量之和，且在同一流线分岔处的压力是确定不变的[1]，见图1。

图1 分支管路示意

根据上述原则，求解下列方程组，就能够算出各个管道中的流速以及流量分配情况。

(1)

式中：l——管道长度；

d——管道内径；

ξ——局部损失系数；

v2/(2g)——单位重量流体的动压头(速度水头)；

z——位置水头；

p/(ρg)——压强水头；

λ——沿程损失系数。

λ为关于雷诺数和相对粗糙度的函数，雷诺数是关于运动粘度、流速和管道内径有关的函数，因此精确计算流量分配难度很大，计算过程相当繁冗。一般通过反复地运算各个支管中的情况，通过压力平衡来预估其流量分配，使用流量分配来匹配实际流量，接着再使用匹配流量验算压力平衡条件。如此往复，直至结果在误差范围内为止。对于n根支管的计算，可用下面的变形公式。

(2)

可见，并联管路系统中，每增加一根管路就要使计算增加一个维度，想要详尽地分析出并联管路的流量情况，计算很麻烦。

2 船舶淡水冷却系统

现代船舶几乎都采用了中央冷却系统，这种冷却系统的优点是：循环在主机等机械内的水是清洁的淡水，因此不易产生水垢而发生管道堵塞的现象；淡水不会产生积盐现象，因而能保证良好的传热效果，同时冷却水温可以不受盐分自海水中析出的温度限制，可以达到65～85 ℃，甚至在某些船上可高达95～110 ℃，这样高温部件热表面与冷却水之间温差减小，被冷却水带走的热量减少，有利于提高热效率和热负荷[2]。

中央冷却系统由海水管路、高温淡水管路、低温淡水管路组成，涉及诸多并联管路的流量分配，与设备的分布、管路的大小都有关系，是一个非常困扰设计者的难题，图2为某船的冷却水系统。

图2 某船冷却水系统的热平衡图

从图2中看出该船有17个冷却单元，也就是17根管路并联，管路内径从25～125 mm不等，而且设备距离淡水冷却水泵的距离或远或近，其繁冗程度可见一斑。

3 淡水冷却系统的分析计算

计算前需要对上述问题进行简化。整个中央冷却水系统为闭式并联系统，所以系统中的位能和压力能相互转化，对整个计算产生的影响可以忽略，将整个系统视为一个平面内的系统。

对于类似中央冷却水系统的多支管的流量分配，采用流量补偿的迭代方法，计算步骤如下。

1)首先按照管路的截面积的比例将冷却水分配给各个分支管路。

5)将步骤4)中算出的扣除流量的总量再分配给管路损失小于平均值的管路，分配比例为流量不足的管路截面积的平方。

6)返回步骤2)，进行运算核实。

需要说明的是，步骤4)和步骤5)只能挑一个进行运算，在步骤4)中运算过的管道在管道5)中不参与运算。为了方便读者理解，列出计算流程见图3。

经过图3中的运算，基本就能找到接近真实情况的流量分配。

下面举一算例来演示。见图4，由4根支管组成的并联管路中，管道1～4的通径分别为300、250、150、150 mm；各自的长度为20、40、50、80 m；各自管道内的局部阻力损失系数为3、4、5、10；所有管路内壁面的绝对粗糙度为0.1 mm，密度为1 000 m3/h，运动粘度为1×10-6m2/s，总流量为800 m3/h，求管路流量分配情况。

图3 计算流程

图4 并联管路示意

其计算过程见表1。在第一次运算初始分配阶段，将800 m3/h的流量按截面积分配给各个支管，分别计算出各个支管的损失状况，并计算出其平均值；管路3和4的压损比平均值大，就意味着其流量分配过多，按照步骤4的算法扣除一定的量给管路1和2；而管路1和2的压损小于平均压损，这就意味着其流量分配不足，就将上一步中扣除的量汇总后按照面积比例分配给管路1和2，于是就产生了新的流量分配；接下来就进入第2次循环运算，对所有管路再重复计算分配一次。当计算到第25次循环运算时，4支管的水力损失趋于一致，不再产生新的流量分配，运算截止，此刻的各支管的流量就已达到实际分配状态。

以上的分析可见，管路口径小且长度长的冷却单元的冷却水量往往很小，而粗短的管路其流量往往超出预期。在实际运用中，可以使用支总管的形式来弥补不足，具体做法就是将某些冷却水量需求较小的设备布置得相对集中，用一根总支管引至设备附近，进行供水。

4 结论

该种流量补偿的反复迭代方法很适合闭式并联管路流量分配的预测计算。在实践中，闭式并联管路系统(例如淡水冷却水系统)流量的分配应细致考虑：对于远端设备，而且冷却水接口较小的，可以通过增大冷却水管路通径以增加其冷却水流量；对于管路粗短的设备，可以在不影响其工作的前提之下在其管道上增设节流孔板，调节整个系统的流量分配，保证系统中其它设备的正常冷却。

表1 并联管路流量分配计算的电子表格算例

[1] 孔 珑.工程流体力学[M].北京：中国电力出版社,2007.

[2] 董爱国.船舶管舾装设计工艺实用手册[M].北京：国防工业出版社,2009.