（轮机工程专业论文）船舶冷却水系统的研究与设计.pdf

中文摘要摘要随着电子技术及信息技术的飞速发展及计算机技术的广泛应用，计算机仿真技术越来越引起关注。轮机模拟器是计算机仿真技术在航海领域的典型应用，其中船舶冷却水系统是其重要的组成部分。本文以大连海事大学教学实习船“育鲲”轮实际资料为基础，介绍了船舶冷却水系统的组成和运行特点，以该船的冷却水系统为研究对象，开发了一套模拟应用软件。具体工作内容包括：基于热力学的相关理论，通过对各换热器和柴油机主机换热的热力分析，得到船舶冷却水系统的热力数学模型。基于流体力学的相关理论，通过管路分析，得到船舶冷却水系统的水力数学模型。然后利用m a t l a b中的s i m u l i n k 工具进行仿真，仿真结果与已知数据较为吻合，从而验证了仿真模型的正确性。在数学模型较为正确的基础上，利用m i c r o s o f tv i s u a lc 撑n e t 工具编制了界面。首先，利用面向对象的方法将船舶主机冷却水系统分为各个实现一定功能的子对象，并用面向对象的v i s u a lc ；i 语言，将各个子对象编制为相应的类，每个类都进行封装，各类之间的交互通过外部接口来实现；然后，在可视化的m i c r o s o f tv i s u a lc 撑n e t 的编译环境下，以各种图像制作和处理工具为辅助，搭建好实现多种仿真操作与显示功能的仿真界面，将上述各个类与仿真界面有效的结合，完成仿真软件的制作。最后，根据大连海事大学教学实习船“育鲲”轮冷却水系统，运用c a d绘图软件为福建交通职业技术学院自动化机舱项目设计一套冷却水系统，并通过对管路、泵阀的计算为系统选型。关键词：冷却水系统；模型；计算机仿真一一墨窒塑墨一_-_-_-_-_-_-_-_l_-_，_-_-一一一一r e s e a r c ha n dd e s i g no fm a r i n ec o o l i n gw a t e rs y s t e ma b s t r a c tw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ew i d eu s eo fc o m p u t e r , t h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs i m u l a t i o ni si n c r e a s i n g l yp o p u l a r t h ee n g i n er o o ms i m u l a t o ri so n eo ft h et y p i c a le x a m p l e so fc o m p u t e rs i m u l a t i o ni nt h ef i e l do fn a v i g a t i o n ，m a r i n ec o o l i n gw a t e rs y s t e ms i m u l a t i o ni so n ep a r to ft h ee n g i n er o o ms i m u l a t o r b a s e do nt h ea c t u a lm a t e r i a l so ft h et r a i n i n gs h i p y uk u n ”v e s s e lo fd a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y , i ti n t r o d u c e st h ec o m p o s i t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co fm a r i n ec o o l i n gw a t e rs y s t e m t h e nt a k i n gm a r i n ec o o l i n gw a t e rs y s t e ma ss i m u l a t i o no b j e e t ,i ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fs i m u l a t i o ns o f t w a r e t h ep r i m a r yc o v e r a g ei n c l u d e s ：at h e n n a lm a t hm o d e lh a sb e e nf o u n d e dt h r o u g ht h et h e r m a la n a l y s i so ft h eh e a te x c h a n g e ra n dm a i ne n g i n eb a s e do nt h et h e o r yo ft h e r m o d y n a m i c s a n db a s e do nt h et h e o r yo ff l u i dm e c h a n i c s ，t h r o u g ha n a l y s i so fp i p e l i n e , t h em a i ne n 班ec o o l i n gw a t e rs y s t e mh y d r a u l i cm a t h e m a t i c a lm o d e lh a sb e e nf o u n d e d t h e ni tu s es i m u l i n kf o rs i m u l a t i n gt h er e s u l ti sc o i n c i d e n tw i t hk n o w nd a t a , t h u sv e r i f y i n gt h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e l o nt h eb a s i so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e li sn e a r l ya c c u r a t e ，i tg e t st h es i m u l a t i o nd i s p l a y i n gb yt h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g ev i s u a lc 撑f i r s t l y , i tu t i l i z e st h eo b j e c t e d o r i e n t e dt e c h n i q u et oc a t e g o r i z et h em a i ne n g i n es y s t e mi n t om a n yc h i l do b j e c t st oa c h i e v ec e r t a i nf u n c t i o n s ，a n dc o m p i l e se v e r yo b j e c tt oac l a s si nt h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g ev i s u a lc 撑t h e s ed a s s e sa r en o tv i s u a lf r o mt h eo u t s i d e ，a n dt h e ye x c h a n g ed a t aa n df u n c t i o no n l yt h r o u g ho u t e rj o i n t s ；s e c o n d l y , i nt h ee i l v 的l l 】 n e n to fm i c r o s o f tv i s u a lc 燕n e t , w i t ht h eh e l po fm a n yk i n d so fg r a p hm a k i n gt o o l s ，f o r m sal o to fs i m u l a t i o ni n t e r f a c e sw h i c hc a l le n s u r es o m ef u n c t i o n sa b o u ts i m u l a t i o no p e r a t i n ga n dd i s p l a y i n g , t h e nc o n n e c t st h es i m u l a t i o ni n t e r f a c e se f f e c t i v e l yw i t ht h o s ec o m p u t i n gc l a s s e s ；f i n a l l ya c c o m p l i s h e st et h es i m u l a t i o ns o f t w a r e a tl a s t , b a s e do nt h ea c t u a lm a t e r i a l so ft h et r a i n i n gs h i p y uk u n ”v e s s e lo fd a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y , i td e s i g n e sam a r i n ec o o l i n gw a t e rs y s t e mb yc a d ，a n dt h e n ，c a l c u l a t e sa n ds e l e c t st h ee q u i p m e n t sf o rt h em a r i n ec o o l i n gw a t e rs y s t e m k e yw o r d s ：c o o l i n gw a t e rs y s t e m ；m o d e l ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博硕文竺墅照硷塑丞丕统的亟窒与遮进：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：多私学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规定，即f 大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。不保密口( 请在以上方框内打“ )论文作者签名：王秘导师签名：醐：1 年船舶冷却水系统的研究与设计第1 章绪论1 1 选题背景和意义船舶冷却水系统是船舶动力装置安全可靠运行的重要保证。在柴油机燃油燃烧放出的热量约有3 0 3 3 要经过汽缸、气缸盖和活塞等部件散向外界。为了能散出这些热量，需要有足够数量的冷却介质强制连续流经受热部件，通过冷却保证这些受热部件的正常稳定温度。因而绝大部分柴油机都设有冷却水系统。随着技术的持续发展到2 0 世纪7 0 年代初期开始，中央冷却水系统便逐渐广泛运用起来。这种冷却系统的特点是，利用舷外海水通过一个低温淡水冷却器对低温淡水进行冷却，被冷却的低温淡水再去冷却各种换热器和船舶主柴油机缸套水冷却器中的高温淡水，主柴油机是由高温冷却水回路进行冷却。在这种冷却系统中，舷外海水不再接触各种换热器和主柴油机。这种冷却系统避免了海水引起的腐蚀问题，提高了设备和系统的安全可靠性及寿命。因此，对船舶冷却水系统的研究仍然是一个重要的课题，同时它的动态过程仿真模拟作为轮机模拟器的重要组成部分，对现代模拟教学与培训，都有着重要的作用和意义【l 】。在实际研究过程中，如果我们拿实体进行实验研究，成本太大，因此，运用计算机对系统进行建模，然后对其仿真来研究系统的特性具有巨大的灵活性和方便性口2 1 。仿真又称蒙特卡罗方法，它是一种通过用随机数做实验来求解随机问题的技术。蒙特卡罗( m o n t ec a r l o ) 方法，又称随机抽样或统计试验方法，属于计算数学的一个分支，它是在本世纪四十年代中期为了适应当时原子能事业的发展而发展起来的。仿真界的专家和学者对仿真也下过不少定义，综合国内外仿真学界对系统仿真的定义，可做如下定义：系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究，进而作出决策的一门综合性的和试验性的学科【4 】。实现计算机仿真技术的一套软、硬件系统称之为仿真系统。硬件系统是实现仿真系统功能的基础，硬件设备的性能决定了仿真系统所允许的信息流通量、存贮空间、实时运算速度等性能。硬件系统主要由图形计算机及局域网络、输入输出接口、仿真控制台盘和电源等几部分组成。第1 章绪论软件系统是仿真系统的核心，它决定了仿真技术的水平，主要由仿真支撑软件和模型应用软件两大部分组成。仿真支撑软件是基于计算机操作系统的专门用于仿真系统研究开发的工具性软件，是仿真系统的专用平台和开发工具。模型应用软件则是仿真系统中的核心，是对仿真对象的高度概括，仿真模型软件合理与否，决定了该仿真系统的效果。因此，对仿真对象的建模是建立仿真系统的关键。开发仿真系统传统的方法是一种逐步工作的过程，它包括确定仿真目标、建立数学模型、建立能为计算机认识处理的仿真模型、调试仿真模型、仿真模型试验运行、结果分析、反馈修改数学模型、修改仿真模型、再次仿真运行等。船舶行业相对于航空、航天技术工业属于相对传统、古老的技术领域。然而现代仿真技术由于可以通过在计算机上进行反复多次的试验运行来取代耗资巨大的物理模拟和实物试验，甚至可以进行受各种原因和条件限制而无法实现的试验和试航，具有投资少、效益高、无风险、可重复、周期短等突出特点，被迅速推广应用到船舶领域的各个方面，使船舶技术得到较大的发剧4 1 。国外对计算机仿真技术在船舶领域的应用研究始于六十年代末，七十年代取得了重大的进展，到八十年代计算机仿真技术已作为一门十分成熟的技术，应用到船舶领域的各个方面。在计算机上对构成系统的模型进行试验，为模型的建立和实验提供了巨大的灵活性和方便性。利用计算机，使得数学模型的求解变得更加方便、快捷和精确，适用于解决规模大、难以解析化以及不确定的系统。随着计算机图形技术得日渐成熟，图形用户界面越来越友好，使得计算机仿真系统的交换性更加增强。在仿真系统中，界面不仅用来显示仿真系统得状态，而且允许分析者与仿真系统对话，修改系统参数从而改变仿真得状态。用计算机仿真技术制成的生产过程仿真系统，可以在不影响过程运行的情况下，研究、分析运行参数对各工况的影响，从而使生产过程达到最佳状态，还可以利用仿真系统人为的设定各种异常情况，研究和分析处理这些事故应能采取的措施。轮机仿真训练器( m a r i n ee n g i n es i m u l a t o r ) 是计算机实时仿真技术在航海领域的典型应用，它目前己成为为广大船员培训、考核的重要手到6 】。我国是一个航运大国，每年有大量的高等院校的轮机学员走向航海岗位，需要岗前训练，还有大批社会上的在职船员要求技能提高培训，具有很大的船员培训市场。然而传统的实船培训高级船员的方法不仅周期长、耗资巨大，而且风险也很大。现代船舶轮机仿真训练器可以在很大程度上替代实船设备，使被培训人员能在与实船船舶冷却水系统的研究与设计很相似的场所下，进行各项轮机管理、操作以及排除故障的训练。国际海事组织i m 0 在1 9 9 5 年7 月7 日全面修订的海员培训、发证和值班标准国际公约中，明确规定；航海、轮机部门的人员必须经过轮机仿真训练器的培训才能上岗【6 】。计算机仿真技术的日益发展，为轮机仿真器的开发提供了更有力的手段。目前的轮机仿真训练器主要采用一种面向过程的集中式封闭系统的建模方法，该种结构要求系统开发人员对整套系统( 至少某个子系统) 很熟悉，开发难度大，周期长，并且日后的系统维护和功能增加也不容易进行。随着建模技术的发展，利用面向对象的建模方法将大大降低建模工作的难度，不用每个系统开发人员掌握系统全局，只要求他们对某个局部对象的理解，这样可将建模工作分开给许多人员并行的进行，缩短系统开发周期。系统总体规划设计者就像将己经成品的纵多零件( 系统对象) 组装为一台汽车( 系统) 一样，将各个子对象进行连接。显然，利用面向对象的方法进行建模的系统，其日后的维护和功能添加也很容易实现。在船舶轮机仿真训练器中，船舶主机冷却水系统的研究与设计是一个很重要的工作。船舶主机系统是一条船舶的核心系统，它是船舶的动力之源。而主机冷却水系统则是保证主机安全工作的重要组成部分。为了满足不断增长的用户培训要求，需要进一步完善和增添现有船舶冷却水系统仿真训练器的功能。本文就对这一课题做了比较详细的研究。1 2 国内外的研究动态1 2 1 国内现状轮机模拟器的研究工作在国内起步较晚，但总体技术正在赶超发达国家。在上世纪7 0 年代末，大连海运学院率先从n o r c o n t r o l 公司引进了轮机模拟器。上世纪8 0 年代中期，青岛远洋船员学院也从该公司进口了同类产品。这些产品目前已显得陈旧落后【。7 1 。上个世纪九十年代中期，武汉理工大学研制了第一台国产轮机模拟器，该全任务式轮机仿真训练器“w m s 一型轮机仿真训练器 投入实际运行后效果良好。与n o r c o n t r o l 公司的产品p p t 2 0 0 0 相似，“w m s 1 型轮机仿真训练器”采用了与真实系统相似的控制设备，对仿真母型船的主机控制系统、集中监视系统、工况计算机检测系统等进行了软件仿真，而且比p p t 2 0 0 0 的人机界面友好。在武汉理工大学轮机仿真训练器成功研制的带动下，国内众多科研单位纷纷第1 章绪论开始进行轮机仿真训练器的研制，其中大连海事大学研制的轮机模拟器已经应用到了青岛船员学院学员的培训上。此外，上海船舶科学设计院、上海船舶科学研究所等均在从事船舶轮机系统的建模和数字仿真工作。1 2 2 国际现状国外轮机模拟器的研究工作开始于上世纪七十年代，比较著名的有挪威的挪控公司( n o r o o n t r 0 1 ) 、德国西门子公司( s i e m e n s ) 、波兰g 0 1 ) ，i l i a 航海学院、英国船商公司( t r a n s a s ) 、日本三菱公司( m i t s u b i s h i ) 、美国a v a t o r 技术公司等大公司和院校均开始研制和生产轮机仿真模拟器。其中以n o r c o n t r o l 公司最为著名，它的产品居世界领先水平，约占全球市场份额的8 0 。下面着重介绍n o r c o n t r o l 公司的二十世纪九十年代最新产品p p t 2 0 0 0 及t r a n s a s 公司的产品t e r s 2 0 0 0 。p p t 2 0 0 0 型轮机模拟器( 含船舶模拟器模拟器) 是f u l lm i s s i o np r o p u l s i o np l a n tt r a i n e r 的简称。由教练员室、模拟机舱( 无模拟主机) 、学员练习室( 包括若干学员练习终端) 等组成。p p t - 2 0 0 0 由集中式计算机网络系统构成，网络为以太网，网络有h p 工作站2 台、微处理器若干。该系统运行于u n i x 操作系统之上，使用二维流程图来显示系统流程结构，基本上为字符界面，人机界面不友好。不配置示教板系统，只有一个c r t 对整个动力装置系统进行集中监控。t e r s 2 0 0 0型轮机仿真模拟器( 含船舶模拟器模拟器) 是t r a n s a se n g i n er o o ms i m u l a t o r 的简称。该产品具有多级别，模块化、通用性、开放性、组合性等腰三角形独特风格，具有较高的性能价格比。t e r s 2 0 0 0 保留了机舱集中控制室的全部硬件，取消了模拟机舱，模拟主机以及大型式教板等硬件设施，代之以软件型点触式屏幕控制面板，多台学员练习终端以及大屏幕投影仪。全部使用微机，运行于w i n d o w s 9 5 n t 环境之上，使用伪三维流程图和软控制面板，人机界面友好。其主机模型和船舶模拟器模型可根据用户要求进行定制，并可与该公司生产的航海模拟器相互连接。t e r s 2 0 0 0 中的s t a n d a l o n gp c 型属于纯软件模拟器【9 】。n o r c o n t r o l 公司r t a i i i 型轮机模拟器中的船舶冷却水系统的特点是被仿真的轮机对象齐全，逼真度高，计算速度快，模型的运算精度高。但人机界面不太友好，界面过于简单，使培训人员不易入门，一些设备的操作起来与实际情况不符合。船舶冷却水系统的研究与设计总之，进口模拟器虽然性能优良，但价格昂贵，维修不便，可升级性差，加上外国公司对我国用户技术保密，且不能满足海事局的“轮机员训练要求 ，使得进口模拟器在我国难以普及发展。1 3 本文的主要工作本文研究工作的目的在于通过对大连海事大学新建实习船“育鲲”号船舶冷却水系统的结构和机理分析，采用模块化建模方式和集中参数建模方法，建立合理的适用于实时仿真计算的船舶冷却水系统模块化的数学模型；然后进行船舶冷却水系统的实时仿真系统软件。最后以海事大学实习船冷却水系统原理为基础对福建交通职业技术学院自动化机舱项目的冷却水系统进行设计和选型。本文的主要工作有以下几点：( 1 ) 建立船舶冷却水系统动态过程的数学模型本文以大连海事大学“育鲲”号教学实习船舶冷却水系统为研究对象，根据冷却水系统的结构特点和工作过程，运用液压学的相关理论，运用集中参数和模块化建模方法，建立了船舶冷却水系统的动态数学模型。( 2 ) 船舶冷却水系统动态特性的计算机仿真在船舶冷却水系统数学模型的基础上，对船舶冷却水系统的热力数学模型进行了仿真，得到了不同情况下的系统仿真曲线。并对所得到的曲线进行了分析，证明模型基本正确。( 3 ) 实时仿真系统软件的设计与实现本文以校船作为母型船，对仿真母型船的船舶冷却水系统进行了较详细的分析研究，并结合当前国外先进船舶的特点及海事局的培训大纲要求，对其进行简化及优化设计，确定了仿真船舶冷却水系统应达到的功能。结合所建立的船舶冷却水系统数学模型，利用高级仿真支撑软件，开发了一套船舶冷却水系统仿真训练软件。该套仿真软件完成后将实现以下功能：仿真船舶冷却水系统软件具有现代自动化船舶冷却水系统基本功能，学员可对其进行各种正常的手动或自动操作，尽快掌握自动化船舶冷却水系统的基本原理及工作过程。( 4 ) 福建交通职业技术学院自动化机舱项目的设计与选型本文以大连海事大学新建实习船冷却水系统为基础，利用采用c a d 软件设计s 第1 章绪论了本项目冷却水系统原理图。最后根据原理图对系统进行计算和选型。第2 章船舶冷却水系统的概述第2 章船舶冷却水系统的概述船舶冷却水系统是船舶重要的组成部分，只有我们充分的认识和掌握它，才能更好地使它为船舶的安全运行服务，这一章将对船舶冷却水系统进行详细的介绍。2 1 船舶冷却水系统的发展船舶冷却系统作为船舶重要的动力系统之一，随着材料、工艺以及控制技术的进步，发展过程大体上经过以下三个阶段：( 1 ) 开式冷却系统，即利用弦外海水直接冷却船舶主机。海水泵将弦外水吸入，通过空气冷却器、活塞和缸套等，排出弦外。但由于冷却介质为弦外水，当水质和水温变化较大时，容易使零部件、冷却水腔易结垢和堵塞。( 2 ) 为了解决开式海水冷却带来的问题，出现了半封闭式冷却系统，即柴油机冷却腔改用淡水冷却，然后冷却淡水再由海水冷却，其它部分仍由海水冷却。但由于其他设备仍由海水直接冷却，存在着管路及其辅助设备腐蚀、结垢等缺点。( 3 ) 为了进一步减轻腐蚀、结垢问题，出现了集中式冷却系统，即中央冷却系统，其工作原理是利用船舷外的海水泵输送海水进入中央冷却系统，来冷却低温淡水，被冷却后的低温淡水再去冷却船舶主柴油机气缸套，气缸盖的高温淡水以及各种冷却器( 如：空气冷却器、滑油冷却器等) 和发电柴油机缸套。因此，这种冷却系统中就有两个冷却水回路：一个是低温回路，就是由舷外海水来冷却低温淡水的回路，因为海水的流入和流出不是一个闭合的过程，因此又称为开式冷却；另一个是高温回路，就是由低温淡水来冷却高温淡水的回路，因为低温淡水和高温淡水的流动是一个循环利用的过程，因此又称为闭式冷却。在这种冷却系统中，由于舷外海水不再接触各种热交换器和船舶主柴油机以及发电机的冷却空间，因而极大地简化了船舶海水冷却管系，使海水冷却管系最短，有力地阻止了因为海水腐蚀冷却器以及管路引起的船舶系统漏泄故障现象发生，提高了设备和系统的安全可靠性以及设备使用寿命。2 2 船舶中央冷却系统的基本形式目前，船舶中央冷却系统应用最广泛的有两种基本的形式：独立式中央冷却船舶冷却水系统的研究与设计系统【1 0 , 1 1 】( 如图2 1 ) ，混流式中央冷却系统【1 刁( 如图2 2 ) 。混流式采用高低温水的混合来调节参数，这种冷却形式通过混合阀将高温淡水与低温淡水联通，根据高温淡水的温度要求，混合阀控制低温淡水进入高温淡水系统的流量，所有淡水的热量由中央冷却器中的海水带走。因此每套系统仅有一个和海水直接接触的冷却器。相对独立式冷却形式而言，少了一个高温冷却器，高温水通过低温水来进行冷却，这样进出柴油发电机及中央冷却器的水温控制较难。有的独立式系统高温淡水和海水在缸套水冷却器中进行热交换，低温淡水和海水在中央冷却器( 低温冷却器或集中冷却器) 中进行热交换，每套系统需要两套独立的用海水冷却的冷却器。在独立式中央冷却系统中，高温水热交换器可用低温水冷却，也可用海水冷却。3 2 。c海水泵弓图2 1 独立式中央冷却水系统f i g2 1i n d e p e n d e n tc e n t r a lc o o l i n gw a t e rs y s t e m第2 章船舶冷却水系统的概述3 2o c图2 2 混流式中央冷却水系统f i g2 2m 议e dc e n t r a lc o o l i n gw a t e rs y s t e m2 3 船舶冷却水系统介绍船舶冷却水系统是船舶动力装置的重要组成部分，它主要由三个系统组成：海水系统、低温淡水系统和高温淡水系统。下面分别介绍这几个系统。2 ，3 1 海水系统海水系统的主要作用是海水通过中央冷却器，与低温淡水进行热交换，冷却低温淡水。海水系统的构成比较简单，海水从高位海底门或低位海底门进来，经三台主海水泵作用送入低温淡水冷却器，在低温淡水冷却器内与低温淡水进行热交换后，部分海水直接由海水管路送至舷外，部分海水在海水入口温度调节阀的作用下返回到海水泵入口。2 3 2 低温淡水系统低温淡水系统的主要作用是冷却高温淡水以及一些低温淡水冷却器。在低温淡水系统中，从中央冷却器淡水出口排出的低温淡水经三通调节阀作用与未经冷却的低温淡水混合，混合后的水温符合三通调节阀的设定要求。然后低温淡水由船舶冷却水系统的研究与设计低温淡水泵作用经由低温淡水管路送至上述各个换热设备对滑油、缸套冷却水、空气等进行冷却，经换热设备吸热后重新回到中央冷却水泵的入1 3 进行下一轮循环。低温淡水系统的主要设备有主机滑油冷却器、主机高温淡水冷却器、低温淡水冷却器、主机空气冷却器、空压机、中间轴承和冷藏装置等。( 1 ) 主机滑油冷却器主机滑油冷却器作用是冷却船舶主机的滑油。在本系统中，主机的活塞冷却油连同主轴承、连杆大端轴承、十字头轴承等的滑油一起经柴油机加热，温度上升，必须要进行冷却，才能持续工作。滑油在主机滑油冷却器中与低温淡水进行热交换，把热量传递给低温淡水以得到冷却。主机滑油冷却器与中央冷却器一样为板式热交换器，换热原理与中央冷却器完全相同，不同的是换热器的设计结构参数。( 2 ) 高温淡水冷却器高温淡水冷却器的作用是低温淡水在主机缸套水冷却器中与高温淡水进行热交换，从而达到对高温淡水进行冷却的目的。主机缸套水冷却器与中央冷却器一样为板式热交换器，换热原理与中央冷却器完全相同，不同的是换热器的设计结构参数。( 3 ) 低温淡水冷却器低温淡水冷却器为板式热交换器，板式换热器以其突出优点如传热效率高、节能、经济、结构紧凑、拆装、清洗、操作灵活方便等，已被广泛应用于化工、石油、冶金、电力、造纸、船舶、机电、集中供、余热利用、核工业、食品饮料、医药、纺织等工业领域f 13 1 。板式热交换器主要由热交换板、框架结构、固紧螺栓组成，相邻的热交换板上都设有密封圈防止两种密封液体混合【1 4 】。在热交换板的两面设置有供冷却液和待冷却液通过的凹槽，多个热交换板由两侧的压力板压紧在一起，形成了彼此分隔的一个个空间，在密封圈的分隔下，这些空间分别通过热交换板两侧的孔连接在一起。为强化传热并增加板片的刚度，常在平板上压制出各种波纹，人字形波纹是常见的一种。冷却液和待冷却液按照相反的流动方向从热交换板两侧的空间流过实现热量的交换。在板式热交换器中，强迫对流水一水传热时的传热系数可第2 章船舶冷却水系统的概述达到7 0 0 0 w ( m 2 k ) ，每立方米体积的传热面积可达4 0 - 1 5 0 m 2 ，且拆装、清洗方便，故适用于含有结垢物的流体的换热。组成冷却液或者待冷却液的各个空间之间的关系为并联关系，可以根据具体的情况选择板片数目来调整换热能力。低温淡水冷却器内流经的流体为海水和淡水，低温海水吸收热量温度升高，低温淡水释放热量温度降低。低温淡水冷却器是系统中唯一有海水流经的冷却器。( 4 ) 主机空气冷却器主机空气冷却器属于肋管式换热器，与上述管壳式换热器不同，这种换热器在管外加装了肋片，从而使管外的热阻减小，传热得到增强。空气冷却器的作用是对增压后的新鲜空气进行冷却，通常空气的入口温度为5 5 c 左右，出口温度为3 5 左右，空气从肋片间流过释放热量。用于冷却增压空气的冷却水从管子内流过，不断吸收空气的热量使温度上升。( 5 ) 其他冷却设备除了以上所提到的几个主要冷却设备以外，还有尾轴管滑油冷却器、空压机、冰机冷凝器和空调冷凝器等淡水冷却设备均采用低温淡水进行冷却。2 3 3 高温淡水系统高温淡水系统也就是缸套水冷却系统，它主要的功能是冷却主机燃烧室部件，使燃烧室部件不至于过热或过冷，以保持主机机械处于正常的工作状态。在主机出口温度调节阀的作用，从主机出来的冷却水温度保持在7 0 左右。然后进入除气柜，除去水中的空气，到达造水机。造水机主要是利用高温淡水中的热能蒸发海水以制取淡水，从而提高主机余热的利用效率。接下来是高温淡水在缸套水冷却器中经过低温淡水的冷却，降低到合适的温度后，再次进入主机对主机燃烧室部件进行冷却，进而循环下去。高温淡水回路主要换热设备有主机缸套、高温淡水系统三通阀和造水机。( 1 ) 主机缸套冷却主机缸套冷却主要是指冷却水对缸套上部燃烧室附近的缸套、气缸盖以及排气阀的冷却。冷却水从缸套中部进入冷却水套，对缸套的外圆表面进行冷却，然后上行至气缸盖的冷却水套，并通过气缸盖内的冷却水通道进入排气阀阀座对这些高温部件进行冷却，冷却水从主机出来以后，进入除气柜。船舶冷却水系统的研究与设计( 2 ) 高温淡水系统三通阀高温淡水系统三通阀通过调节进入缸套水冷却器的高温淡水量，可以控制高温淡水进入主机时的温度。若高温淡水进主机温度偏高，则增大高温淡水进缸套水冷却器的流量；若高温淡水进主机温度偏低，则减少高温淡水进缸套水冷却器的流量。( 3 ) 造水机如图2 3 所示，造水机利用高温淡水的热量对海水进行加热，在造水机内部真空的条件下，海水在较低的温度沸腾蒸发，由于水蒸气不含盐分，因此，海水中的淡水和盐分实现了分离。水蒸气经过过滤以后进入上部的另外一个热交换器，由海水对其进行冷却凝结成淡水。冷凝后的淡水由水泵送至淡水储存柜，而蒸发后的海水则在喷射泵的作用下排出造水机。弓= = ；攀d b t 卑一图2 3 造水机工作原理图f i g 2 3t h es k e t c hm a po ff r e s hw a t e rg e n e r a t o r第3 章船舶冷却水系统的数学模型第3 章船舶冷却水系统的数学模型船舶冷却水系统的作用是主机在整个工作范围内，系统能对主机进行适度、可靠的冷却，特别是保证主机缸套冷却水出口温度稳定，防止主机缸套过冷或过热【15 j 计适合工作要求的主机缸套水冷却系统。为了达到这种要求，就需要对系统中各点的流量、压力等参数进行数值计算。所以，就必须对系统管路进行水力分析。而对于采用的是离心泵的船舶中央冷却水系统而言，就要分别分析管路特性曲线和离心泵的特性曲线【1 6 】【1 7 1 。3 1 建模的基本方法建立系统的数学模型的方法有很多种，常用的如理论分析模型、经验模型、混合模型等。理论分析模型即理论解析法，它是根据基本的科学定律，从物理系统的内部工作过程的机理出发，经过数学推导，为系统和过程建立起数学模型。这种模型具有严格的科学依据，可用于各种工作条件。由于理论推导难免要进行一些理想化的假设，而实际系统运行时并不完全符合这些假设条件，因此理论解析模型一般精度不高，但定性结论却比较合理，可以用来分析系统结构对运行特性的影响，从而提出改进设计的途径，因此理论分析模型对系统设计有重要意义。经验模型是不考虑系统或过程的工作机理，完全根据系统的输入输出数据采用回归方法建立的模型，称为经验归纳法或黑箱法。这种方法只适用于已经建成并投入运行的设备和系统。采用该方法建模，需要采集大量的系统运行数据，数据量过少将造成模型误差大，甚至导致模型失真。对于较复杂的系统或过程，理论分析模型的精度一般不高，而经验归纳模型又局限于某个特殊对象。为提高模型精度，同时使模型具有一定的通用性，通常采用理论分析和经验归纳相结合的方法建立混合数学模型，这种模型的总体结构上仍然具有较明确的物理意义，从而保留了解析模型的基本优点并具有较高的精度。船舶冷却水系统模型的建立涉及到热力计算、水动力计算等，其模型主要由热力热量平衡、质量平衡、传热方程以及一些经验数据和公式获得，因此船舶冷却水系统系统模型实际上是一种混合模型。船舶冷却水系统的研究与设计3 2 船舶冷却水系统管路计算原理由于缸套冷却水泵采用离心泵，这类泵的排量与管路的水力特性以及泵本身的特性有关，只有在泵的排出压力与管路在当前流量下的总压降相等时，泵才能在这个流量下稳定工作，其中水泵的特性曲线可以从说明书中计算得到，因此，只要计算出管路特性曲线即可，也就是要得到冷却水流过某管路时压头日和流量q 间的函数关系。3 3 船舶冷却系统管路水力数学模型计算流体在管道内流动时，由于流体分子间及其管壁问的摩擦，就要损失能量，这称为沿程损失( 沿程摩擦阻力) ：而当流体通过管道的一些附件时，如阀门、弯头等，由于流体流动的方向或速度的改变，产生局部漩涡和撞击，也要产生能量损失，这称为局部损失( 局部阻力) 。管路中两点间的总水头损失就是沿程损失和局部损失之和【1 9 1 。3 3 1 冷却水系统沿程损失的计算由流体力学的知识知道，管道内粘性摩擦沿程损失的计算公式一般为： ，= 五三d1 2 9 = 罢g zdq 2( 3 1 )j25 。其中，允为沿程阻力系数；z 为管长，坍；d 为管道直径，m ；y 为管道内流体流速，m s ；q 为管道内流体流量，m 3 d 、时；g 为重力加速度，m s 2 。管道内流动摩擦损失不仅取决于粗糙突出部分的大小和形状，还与它们的分布与间距有关。工业用管道粗糙度还无法进行科学的测量和确定。1 9 3 3 年德国工程师尼古拉斯用筛选砂粒粘附在光滑的管道壁面上得到了人工粗糙管并进行了试验。将砂粒直径e 定义为绝对粗糙度，e d 定义为相对粗糙度。人工粗糙管的粗糙度是均匀的，但是工业管道的粗糙度其大小和分布都是不规则的。因此定义工业管道的当量粗糙度为：高雷诺数下，如果工业管道和人工管道具有相同的兄值，则将人工管道的粗糙度8 作为工业管道的当量粗糙度。对于主机缸套水冷却系统而言，取水在7 5 ( 2 时的运动粘度作为缸套冷却水管内冷却水的平均运动粘度，水在7 5 。c 时的运动粘度为0 0 0 3 8 0m 2 s 。而且缸1 4 第3 章船舶冷却水系统的数学模型套冷却水管路中冷却水的设计流动速度一般为卜3m s ，本系统的主淡水管路的直径为8 0 m a ，则雷诺数：r e = 一v d ：一垒竺善：6 2 3 1 0 4 4 0 0 070 0 0 3 8 x 1 0 可见，主机缸套冷却水管路中冷却水的流动状态处于旺盛的紊流。在整个紊流区，沿程阻力系数的确定可采用下面统一的公式计算：万1 = - 1 8 l o g 百e d ) 1 1 l + ( 3 2 )上式中的e 即为管道的当量粗糙度，可查表3 1 得到。表3 1 当量粗糙度t a b 3 1e q u i v a l e n tr o u g h n e s s3 3 。2 冷却水系统局部损失的计算局部损失指流体通过管道的一些附件时，如阀门、弯头等，由于流体流动的方向或速度的改变，产生局部漩涡和撞击，将要产生的能量损失。局部损失与局部构件的形状有关，随构件对流动扰动的增加而增加。局部构件使流体流动的平均速度在大小或者方向上发生了改变，产生了大的旋涡和涡流船舶冷却水系统的研究与设计从而导致能量损失。在长管道系统中，局部损失与管道内沿程损失相比通常不是主要的。但是，当管道比较短时，局部损失通常成为主要损失。如在水泵吸入管道中，进口处，特别是滤网和底阀产生的损失远比较短的入水管的摩擦损失大。虽然局部损失通常只发生在局部非常短的长度上，但是其影响可能在下游比较长的范围内仍然存在。因此，工程计算中需要考虑局部损失。局部损失的表达式为：一= 善善( 3 3 )上式中 是与局部构件形状有关的局部阻力系数。局部阻力系数f 的值一般通过查表和实验方法得到2 2 1 。具体到本章中的主机缸套冷却水系统，大多数通用元件( 如弯管接头、普通阀门等) 的局部阻力系数孝可以通过查流体力学相关手册得到。而较难确定的是柴油机内部的局部阻力系数、造水机内部的局部阻力系数、缸套水冷却器内的局部阻力系数以及三通调节阀调节过程中，三通阀在两个支路的局部阻力系数。其中，柴油机内部的局部阻力系数可以通过试验的方法得到。在主管路流量已知( 由流量计测出) 的情况下，测出进、出柴油机的冷却水压力，根据压力的变化值就可以计算出柴油机内部的局部阻力系数。而局部阻力系数一旦确定，便不再变化。同样的方法可以得到造水机内部的局部阻力系数。由于缸套水冷却器的局部阻力系数难以确定，因此可以考虑用经验公式直接求冷却水流经缸套水冷却器的压降，即：啊= c v 2 刀( 3 4 )其中，c 为待定系数，可以通过试验方法求得；y 为管道内流体流速，m s ；刀为冷却器的流程数。对于三通阀，本系统中采用的是理想特性为直线特性的对称三通阀，由参考文献【2 3 1 可知：对于可调比r = 3 0 的三通阀，设n f - j 开度为x ，则某一支路的阀门阻力系数【2 5 1 ：2 面0 3 3 - t - 赢09 6 蕊7 x ) 厶开( 3 5 ) 。( o 2 全开7第3 章船舶冷却水系统的数学模型另支路得阀门阻力系数：彰= 丽雨丽1开( 3 6 )式( 3 5 ) 和( 3 6 ) 中，厶开= 厶开，为当三通阀的某个支路全开时，该支路的三通阀的局部阻力系数。把管路中各局部损失代数相加，就可以得到整个管路的局部损失。沿程损失与局部损失之和就是管路的压头损失h s ：h s = h f + h j = 嘉( 警+ 舶2( 3 7 )在近似认为沿程阻力系数不变的情况下，有日，= c q 2 ，其中c = 嘉c 警均。显然，对于一个复杂的水力管路而言，其水力特性的确定主要取决于总的阻力系数c 确定，因此，下面研究串联和并联管路的等效阻力系数。3 3 3 冷却7 k 系统串联管路等效阻力系数qc 2图3 1 阻抗的串联f i 9 3 1s e r i e si m p e d a n c e如图3 1 所示，该管路由阻抗分别为c 。和c ：的两个阻抗串联而成，管路系统满足连续性方程和能量方程：q = q l = q ：( 3 8 )h = h l + 吃( 3 9 )船舶冷却水系统的研究与设计其中h 为管路总压头损失，j i i i 为第一个阻抗引起的水头损失，h 。= c l q l 2 ；h 2为第二个阻抗引起的水头损失，i j i ：= c ：q ：2 。管路总流量q 。为设此串联管路的等效阻力系数为c ，有：h = c q 2联立( 3 8 ) 、( 3 9 ) 、( 3 1 0 ) 三式有：c = c l + c 23 3 4 冷却水系统并联管路等效阻力系数c 2图3 2 阻抗的并联( 3 1 0 )( 3 1 1 )如图3 2 所示，该管路由阻抗分别为q 和c ：的两个阻抗并联而成，q l 和q 2 分别为两个支路的流量，q 为管路总流量。管路系统满足连续性方程和能量方程：q = q l 十q 2h = h l = 吃( 3 1 2 )( 3 1 3 )其中h 为管路总压头损失，7 l i 为第一个阻抗引起的水头损失，h 。= c l q 。2 ；h 2为第二个阻抗引起的水头损失， ：= c ：q ：2 。设此并联管路的等效阻力系数为c ，有：h = c q 2( 3 1 4 )联立( 3 1 2 ) 、( 3 1 3 ) 、( 3 1 4 ) 解得：c ： 鱼一( 3 1 5 )c l + 2 c l c 2 + c 2第3 章船舶冷却水系统的数学模型整个主机缸套冷却水系统管路就可以看成多个分支管路串联、并联而成。通过上述方法可以确定整个管路的等效阻力系数，接下来便可以确定管路水力特性曲线。3 3 5 船舶冷却水系统的管路特性曲线液体流过某既定管路时所需的压头与流量间的函数关系曲线，称为管路特性曲线【2 0 1 。液体从吸入液面通过某一管路流至排出液面所需的压头包括两方面：一部分是因吸、排液面存在高度差和压力差所需增加的位置头z 和压力头一a p ，这p g部分与管路流量无关，称为管路的静压头，可以看成定值，用矾表示；另一部分用于克服管路阻力| l ，它与管路中液体流速的平方成正比，故也与流量的平方成正比，即h = 磁2 ，式中的比例系数k 随