船舶主机缸套冷却水系统的建模与动态仿真.doc

船舶主机缸套冷却水系统的建模与动态仿真第26卷第4期计算机仿真2009年4月文章编号:10069348(2009)o4010504船舶主机缸套冷却水系统的建模与动态仿真马量,韩雪峰,严峻(重庆交通大学航海学院,重庆400074)摘要:船舶主机冷却水系统是保障船舶主机正常稳定运行的重要辅助系统,为了优化和充分发挥船舶主机冷却水系统的性能,需要了解它在工作时的热力动态过程.利用传热学的相关理论,对船舶主机缸套冷却水系统的传热进行了分析,给出了系统的热力动态数学模型.并且考虑了水温的变化对主机缸套水冷却器传热系数的影响,提高了模型的精确度.然后利用SIMULINK工具对系统进行了仿真,对仿真结果的分析表明,仿真结果基本符合系统实际工作情况,从而表明模型是正确的.为下一步的控制研究打下了坚实的基础.关键词:船舶主机;缸套冷却水系统;传热;模型;动态仿真中图分类号:U664.81+4文献标识码:BModelingandDynamicSimulationofCylinderJacketWaterCoolingSystemforMainMarineDieselEngineMALiang,HANXuefeng,YANJun(MarineCollege,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)ABSTRACT:Themainennecoolingwatersystemisanimportantauxiliarysystemtoensurestableoperationofmainengine.Inordertooptimizeandgivefullplaytothemainenginecoolingwatersystemperformance,thereisaneedtounderstanditsthermaldynamicprocessatwork.Amathematicmodelhasbeenestablishedbyanalyzingtheheattransfermechanisminthejacketwatercoolingsystemformainmarinedieselengineusingthetransfertheory.Andthetemperatureinfluenceonthejacketwatercoolerstransferenceofheatiscomsidered.Sotheprecisionofthemodelisimproved.AndthenSIMULINKisusedforsimulatingthesystem,theanalysisofsimulationresultsshowthatcurvesobtainedthroughsimulationwiththemodelestablishedaccordwitllrealrunningstates.SOthemodeliscorrect.Andthismodelhassetupafirmbaseforthenextresearchofcontrolling.KEYWORD$:Mainmarinedieselengine;Cylinderjacketwatercoolingsystem;Heattransfer;Model;Dynamicsimulation1引言船舶主机冷却水系统是保障船舶主机正常稳定运行的重要辅助系统.它通过冷却水的循环带走了主机运转过程中散发出来没有转化为机械能的热量,从而避免了因大量热量的积累而造成的金属疲劳脆化和润滑油的失效.船舶主机工作时,燃料燃烧放出大量的热能,气缸内温度高达18002000.C,其中只有4o%左右被转变为机械能,而20%一30%的热能被冷却水带走.因此,船舶主机缸套冷却水系统对主机缸套的合理冷却,将减轻主机缸套的磨损,精确的温度控制能有效地控制柴油机缸套地高温腐蚀和收稿日期:20080307修回13期:20081106低温腐蚀以及热应力,保证主机在合适的温度中工作.所以,船舶主机缸套冷却水系统性能的优劣直接影响到船舶主机的工作性能.为优化和充分发挥船舶主机缸套冷却水系统的性能,就需要了解它在工作时的热力动态过程.本文以大连海事大学校实习船为例,利用传热学的相关理论,对船舶主机缸套冷却水系统的传热进行了分析,给出了系统的热力动态数学模型.并且考虑了水温的变化对主机缸套水冷却器传热系数的影响,提高了模型的精确度,并利用该模型进行了实例验算.2系统简介在本系统中,主机冷却方式采用的是中央冷却.即高温淡水冷却主机,被加热的高温淡水在主机缸套水冷却器中被l05低温淡水冷却.系统简图如图l所示.图1主机缸套冷却水系统简图如图1所示,设t为高温淡水进主机的温度,t为高温淡水出主机温度,为高温淡水出缸套水冷却器温度,tti为低温淡水进缸套水冷却器温度,t为低温淡水出缸套水冷却器温度,m为缸套冷却水系统中高温淡水总流量,m为流经缸套水冷却器的高温淡水流量,m:为高温淡水旁通流量,ni为低温淡水流经缸套水冷却器的流量,为三通阀开度.下面对各子系统建模.3主机缸套冷却模型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部分冷却,对气缸盖的冷却以及对排气阀的冷却.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.由此可见,如果对每一个换热过程进行建模,势必极大的增加工作量和难度,而且对整个中央冷却水系统的仿真而言,没有必要深入研究主机缸套的换热过程.因此,在对主机缸套冷却建模的过程中,作了适当的简化,即把主机缸套作为一个热源,缸套水对其进行冷却.简图如图2所示.三团土图2主机缸套冷却热量传递关系简图图2中q(t)为单位时间内由于燃油的燃烧加给冷却水的热量.根据热量平衡关系:单位时间内缸套内的冷却水和缸套的蓄热量变化=单位时间内由于柴油机燃烧传给缸套的热量一单位时间内冷却水带走的热量,由此,可得下列关系式:dthi=Q(z)一mC(f)(1)(1)式中,为缸套内的冷却水和缸套的总热容量,=.106.MC+MC,其中J】If和M分别为缸套内的冷却水和缸套的质量,C和C分别为冷却水和缸套的比热.柴油机工作过程中,缸套内温度不断发生变化,要想准确找到Q(t)的关系式很难,同时对问题的分析意义不大.可粗略认为柴油机冷却水始终带走柴油机总发热量的某一固定比例,o根据实习船的具体情况,取_厂=18%.即冷却水吸收的热量为主机燃油燃烧发出总热量的18%,所以:nPbV一一上式中,P为主机功率,kW;b为燃油消耗率,kg/kWh;s为燃油的低发热值,kJ/kg;把Q(t)代人式(1),整理得:警一鲁”式(2)为简化的主机缸套冷却热力数学模型.4三通阀混流模型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主机温度.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;若高温淡水进主机温况,作如下假设:图3主机缸套水冷却器热量传递关系简图1)某一瞬时,冷,热流体在与流动方向垂直的某一截面上的温度相同,即把冷却器按集中参数处理,同时不计冷凝器壳体的散热.2)近似认为管壁的导热为稳定导热,金属管内,外管壁温度始终相等.3)冷凝管束的污垢程度相同.在以上假设的基础上就可以对主机缸套水冷却器的换热进行建模.根据缸套水冷却器高温冷却水侧的热量传递关系:单位时间内高温水侧蓄热量的变化=单位时间内缸套冷却水带来的热量一单位时间内传递给低温水侧的热量.于是可以得到下面的方程:鲁=一(6)式(6)中,为冷却器的平均温差,为高温水侧的热容量,Wl=Mhc+MC.其中:为缸套水冷却器中高温淡水的质量;Mb为铜管的质量;C为高温淡水比热;C为黄铜的比热.R为缸套水冷却器的传热热阻,R=1/KA,K为冷却器总的传热系数,为冷却面积,A=(N一2).,其中为冷却器的板片数,.为单个板片的有效换热面积,m.同理,根据缸套水冷却器低温冷却水侧的热量传递关系:单位时间内低温水侧蓄热量的变化=单位时间内高温水侧传递给低温水侧的热量一单位时问内低温冷却水带走的热量.因此,可以得到下面的方程:鲁=1百1一(7)式(7)中,为低温水侧的热容量,:M.C+MC,其中:为冷却器中低温淡水的质量;c为低温淡水的比热.平均温差取为对数平均温差:(8)ln一在式(6),(7)中,.和可以通过冷却器的尺寸计算得到.下面就详细计算一下总传热系数.5.1总传热系数K的计算对缸套淡水冷却器而言,在热量从高温淡水向低温淡水传递的过程中,其热阻包括:高温淡水侧的对流换热热阻,高温淡水侧的污垢热阻,低温淡水侧的对流换热热阻,低温淡水侧的污垢热阻,板片的导热热阻.所以,冷却器总的传热系数公式为J:-:,玄(9)其中:h为高温淡水侧的对流换热系数.r】为高温淡水侧的污垢热阻;/2为板片的导热热阻;r3为低温淡水侧的污垢热阻;为低温淡水侧的对流换热系数.下面对它们分别进行计算.5.1.1高温,低温淡水侧换热系数对于高温淡水侧,设水的导热系数为A;高,即:T=(t+t)/2由于高温淡水的温度大体在6o一90度之间变化,通过查水的热物理性质表,有表1.表1淡水热物理性质表对给定点进行拟合,可以得到PrT,一T,A一T的近似关系式:Pr=0.0004T一0.121T+7.495:=(0.000065一0.01475T+1.129)10;A=(一0.012+1.015T+37.4)10一;高温水侧的对流换热系数hNuA/D;同理可得低温水侧得换热系数,只是低温水侧各子系统的模型后,综合起来便得到整个系统的数学模型.查询相关产品的说明书,把系统相应的参数带人,利用SIMULINK工具就可以对其仿真ll0.6仿真结果及分析以大连海事大学实习船主机缸套冷却水系统为例,主机型号为6S35Mc,缸套水冷却器型号为BR0.12A一0.66一N.设t=0时主机启动,功率为3000kW,在t:200时三通阀-?-107?-开度由0.75突变到0.6,设低温淡水进冷却器温度为41.8.C,其它温度初始值也为41.8.C.现在利用该模型求t,t随时间变化的规律.仿真结果如图4所示.图4仿真曲线图从图4中可以看到,高温淡水和低温淡水出缸套水冷却器的温度均出现先下降后上升的趋势,这是符合实际情况的.因为三通阀的开度一旦减小,即流经缸套水冷却器的高温淡水流量立即减小,高温淡水进主机温度立即增加,此时由于热负荷不变,而且高温淡水出主机温度变化较慢,反应有延迟且迟钝,故高温淡水进出主机的温差减小,这段时间内高温淡水带走主机的热量相对减少了.缸套水冷却器的热负荷也相对减少了,从而导致在这段时间内,缸套水冷却器中的高温淡水出口温度以及低温淡水出口温度均呈现出下降的趋势.随着高温淡水出主机温度的不断增加,高温淡水带走的主机的热负荷逐渐增大并最终等于实际的热负荷,因此缸套水冷却器的高温淡水出口温度以及低温淡水出口温度都逐渐上升并最终稳定在某一温度上.可见,本文所建立的主机缸套冷却水系统的数学模型具有一定的可信度.7结束语本文利用传热学的有关理论,通过对主机缸套冷却水系统传热的分析,推导得出了船舶主机缸套水冷却系统的热力数学模型,并用SIMULINK工具该模型进行了实例动态仿真验算,并对仿真结果进行分析.从验算结果来看,该模型具有一定的可信度,为进一步的温度控制研究打下了基础.参考文献:1孙中庆.冷却水温度对柴油机工况的影响J.中国设备工程,2003,4:394O.2DrAMamoun.SimulationofwatercoolingsystemofamarinedieselplantJ.MafitimeResearchJourna1.March1986,12(2):115.3吴桂涛,孙培廷.船舶中央冷却系统的热力计算数学模型J.大连海事大学,2002,28(1):l315.4许晓彦.主柴油机冷却水系统高温部分的动态仿真J.上海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