船舶中央冷却系统热平衡计算及程序仿真设计

郑玄亮，刘喜卫，曾庆谦

（上海佳豪船舶工程设计股份有限公司，上海 200233）

0 引 言

动力装置是船舶的“心脏”，而冷却系统是船舶动力装置不可或缺的组成部分，用于冷却整个船舶发热部件，保证所有设备在适宜工况下正常工作，其主要作用为通过外部循环介质冷却主要运转设备。船舶冷却系统设计具有一定的复杂性，合理地选择与设计冷却系统对船舶适航性、动力系统的维护与管理、船舶建造成本和营运成本等诸多方面将会产生深远的影响[1]。国内已经有很多学者在船舶空调与冷却系统的应用领域做了很多研究工作[2~4]。

中央冷却系统作为一种新型的冷却系统在极大程度上减缓了系统腐蚀，并以其工况稳定而被广泛使用。该系统设立高温淡水系统、低温淡水系统和海水系统。其基本特点是循环系统使用不同的工作温度。3个系统中，高温淡水系统用于冷却主机，低温淡水系统用于冷却高温淡水和各种冷却器，海水系统则用来冷却低温淡水。中央冷却系统通过中央冷却器将海水和整个系统隔绝，从根本上缓解了腐蚀问题，为现代大多数船舶设计中所采用。

1 船舶中央冷却系统

中央冷却系统作为一种冷却形式应用于现代船舶始于20世纪60年代[5,6]。中央冷却系统设有高温淡水系统、低温淡水系统和海水系统。以某48000dwt散货船独立式中央冷却系统设计为例分别阐述。

1.1 高温淡水系统

柴油机（主机）是船舶动力中心，工作时相对稳定于高速运转状态。主机高速运转消耗燃油释放能量的同时，整套设备的温度也随之升高，对于这些高温部位的冷却不能使用低温淡水，因为过大的温差会引发过大的热应力。

运用高温淡水冷却系统的目的就是将温度差控制在适当的范围内。一般入口温度约为68℃，经过主机热交换后出口温度不超过80℃，如图1所示。

图1 高温淡水系统

1.2 海水系统

海水系统从舷外抽水至冷却系统，经中央冷却器对低温淡水进行冷却，如图2所示。该系统设置了低位海底阀和高位海底阀，用于不同的航行工况，通过大容量海水泵抽水至系统，热交换完成后部分海水通过调节阀回到入口处，其余的则排出舷外。

1.3 低温淡水系统

低温淡水的温度设为:进口36℃，出口不高于60℃。低温淡水系统为船舶中央冷却系统的中坚力量，换言之，船舶轮机系统大部分设备的冷却过程均属于低温淡水冷却范畴，如主机空冷器、滑油冷却器、空压机、中间轴承、柴油发电机空冷器、冷藏和空调装置等。

低温淡水从低温淡水冷却器(中央冷却器)中通过板式热交换器与海水进行热量交换，然后分别按主机、柴油机和其他设备两部分进入以下各个设备，主机部分一般为:主机空冷器、滑油冷却器、空压机和中间轴承，经过这些设备后这部分冷却水直接输向高温淡水系统，通过主机部分后回到中央冷却器。剩余的低温淡水通过柴油机和其他设备后回流到中央冷却器。如图3所示。

图2 海水系统

图3 低温淡水系统

2 仿真计算程序设计

高效的热平衡计算能够迅速给出冷却系统各个热交换节点的参数（流量、温度等）和各个主要设备的特性数据，如热交换器所传递的热量及高低温热交换介质（海水/淡水）的进出温度和流量、泵的排量等，为后续设计工作中的系统构建及设备选型提供依据[7]。

根据热力学第一定律，热平衡分析可揭示装置或设备在能量的数量上的转换、传递、利用和损失的情况[8]。以某 48000dwt散货船的冷却系统设计为基础，针对独立式中央冷却系统进行仿真计算程序开发设计。

热力学基本原理为：

式中，Q——冷却过程中交换的热值；

q—— 冷却水流量；

c—— 冷却介质比热；

ΔT ——热交换前后冷却介质温度变化；

ρ——冷却介质密度。

在实船冷却系统设计中，冷却介质只有淡水和海水，其比热、密度均为已知量。冷却水的流量，通常由各主要设备供应商给出配套泵机的建议参数，在进行计算时可以按照这些既定的建议参数确定各节点冷却水的流量。再根据不同冷却设备的技术要求，确定若干冷却水进出口既定温度。数据确定后，按上述公式可进行各热交换节点处的计算，得出相应的温度、流量等数据，最终确定低温淡水冷却泵的流量和中央冷却器所需的热功率。

热平衡仿真计算程序是用VB6.0开发编写，在Windows2000/XP系统下调试完成并通过测试运行。程序的主界面见图4所示。

图4 船舶中央冷却系统热平衡计算程序主界面

在程序的主界面上用单点划线表示高温淡水冷却管路可见图 5；用实线表示低温淡水冷却管路，用双点划线表示海水冷却管路可见图6。3种不同的冷却系统以及各个冷却设备之间的连接关系可以一目了然。

不同性质的数据则由不同颜色的数据框予以区别。灰色数据框为输入数据，需要用户人工输入已知的参数（既定温度、参考流量等，冷却水比热、密度等恒定参数内置于程序中不需要人工输入）。白色数据框内为输出数据和参考数据，计算完成后各节点的计算结果自动显示于相关数据框内，以便用户识读。计算过程中，参考数据框由程序自动填入被关联的数据（如冷却水进出口流量相等、总管支管冷却水温度相同），可以减少用户输入数据量，节省时间、提高效率。白色框内数据为不参与计算数据（如冷却水管路通径），这些数据标识出来便于用户对程序的理解与应用。

图5 高温淡水冷却循环

图6 海水冷却循环

程序运行后显示主界面，数据框中默认数据为某48000dwt散货船中央冷却系统的计算数据，见图4。在程序界面右下方有 5个按钮供用户选择操作。单击“清空”按钮，所有输入及输出数据框中的数字被清空，用户可根据需要在输入数据框（灰色）中输入对应的计算数据。单击“计算”按钮，开始热平衡计算，计算完成后在输出数据框（白色）中显示各计算结果，用户可以在程序主界面上直接读取计算结果。

如果用户需要保存计算结果，可单击右下角的“保存结果”按钮，弹出计算结果保存界面如图7所示。在结果保存界面中用户可以指定文件保存的路径和文件名。然后，单击“保存并退出”按钮，文件自动保存于制定的路径下，保存结果界面关闭，返回程序主界面。

图7 热平衡计算结果保存界面

图9 中央冷却系统热平衡计算程序流程

图8 热平衡计算结果数据文本

计算结果保存为二进制文本文件，可以通过文本阅读工具打开，见图8。进行多次不同的计算时，可以将计算结果保存为不同名的独立文件，也可以不改变文件名而进行多次计算结果的保存，后一次的计算结果自动保存在上次计算结果之后，方便用户进行结果分析比较与错误查询。程序流程图如图9所示。

3 结 语

冷却系统的热平衡计算是系统设计的重要一步，运用仿真程序能提高工作效率和计算的正确性。船舶中央冷却系统的应用对改善冷却系统的腐蚀有明显效果，已在民用船舶中广泛应用。军辅船中也部分采用了中央冷却系统。

由于该程序仅针对独立式中央冷却系统开发编写的，存在一定的局限性，尚不适用于其他冷却形式的热平衡计算。

[1] 甘念重. 船舶主机热平衡分析及其余热利用[J]. 船海工程, 2008(2): 66-69.

[2] 梅国梁, 张珍. 船舶中央空调节能技术探讨[J]. 上海造船, 2009(1): 43-44.

[3] 安毓辉. 船舶制冷装置制冷剂的使用和限制[J]. 上海造船, 2009(2): 24-26.

[4] 张建华, 阚安康, 韩厚德. 船舶中央空调系统能耗分析及节能措施[J]. 上海造船, 2011(1): 59-61.

[5] 潘伟昌. 中央冷却系统的研究与初步应用[D]. 哈尔滨工程大学, 2001.

[6] 鲍文斌. 中央冷却系统的计算及在船舶中的应用[D]. 哈尔滨工程大学, 2001.

[7] 金春日, 马捷, 刘涛. 大型船舶主机废气热能回收装置的热平衡分析[J]. 船舶工程, Vol. 31, 2009 (9): 39-44.

[8] 姚寿广. 船舶热力系统分析[M]. 北京:科学出版社, 2003.