船舶主機(jī)冷卻水量的估算方法

摘 要：中小型船舶的主機(jī)大多使用四沖程柴油機(jī)，采用的是水冷系。而冷卻水量取決于主機(jī)在運(yùn)行過程中被冷卻的部件需要帶走的熱量，本文應(yīng)用熱力學(xué)第一定律，結(jié)合58 m 錨處理/錨供應(yīng)拖輪的設(shè)計(jì)及建造實(shí)例，針對船舶主機(jī)冷卻水系統(tǒng)，提出一種估算冷卻水量的方法。

關(guān)鍵詞：船舶主機(jī)；冷卻水系統(tǒng)；水量估算

Estimation of Cooling Water Volume for Ship Main Engine

ZHENG YiMing， HE LingFeng， PAN Deng

( Hin Lee (Zhuhai) Shipyard Co.， Ltd. Zhuhui 519185 )

Abstract: For most small and medium sized vessels the four-stroke diesel engine with water cooling system is used. With the 58m anchor handling/anchor supply tug as design and construction example， this paper presents a method for estimating cooling water volume of ship main engine according to the first law of thermodynamics.

Key words: Ship main engine; Cooling water system; Estimation of water flow

1 前言

船舶在設(shè)計(jì)時，需要結(jié)合船舶參數(shù)以及船東的特殊要求來考慮設(shè)備正常運(yùn)行的各種條件，例如主機(jī)冷卻水量是否足夠，油溫是否會超標(biāo)等，只有滿足了這些條件，才能確保船舶主機(jī)能夠正常使用。本文應(yīng)用熱力學(xué)第一定律，結(jié)合58 m 錨處理/錨供應(yīng)拖輪的設(shè)計(jì)及建造實(shí)例，提出一種估算船舶主機(jī)冷卻水量的方法。

2 主機(jī)冷卻系統(tǒng)

中小型船舶的主機(jī)大多采用四沖程柴油機(jī)，采用的是水冷系，水冷系的主要功用是把柴油機(jī)受熱零件吸收的部分熱量及時散發(fā)出去，保證發(fā)動機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。冷卻水量取決于主機(jī)在運(yùn)行過程中被冷卻的部件需要帶走的熱量，如何估算這部分熱量就是本文要解決的問題。

3 熱學(xué)定律應(yīng)用及估算原理

能量守恒定律指出：能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從一個系統(tǒng)傳遞給另一個系統(tǒng)，但在轉(zhuǎn)換和傳遞時，能量既不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅。作者熱力學(xué)第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱力系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。當(dāng)系統(tǒng)與外界發(fā)生能量傳遞與轉(zhuǎn)換時，熱力學(xué)第一定律可表述如下：

進(jìn)入系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)中內(nèi)能的增加+離開系統(tǒng)的能量。

對柴油機(jī)進(jìn)行熱分析，持續(xù)運(yùn)行的柴油機(jī)的熱系統(tǒng)是一個穩(wěn)態(tài)的開口系統(tǒng)，處在動態(tài)的平衡中。柴油機(jī)燃燒柴油，把柴油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能的主要有以下四個去向：

①轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出，即功率輸出；

②以輻射的形式被空氣帶走；

③由排出的廢氣帶走；

④由冷卻水帶走。

所以不管柴油機(jī)內(nèi)部的冷卻系多復(fù)雜，把燃燒柴油產(chǎn)生的熱能，以及①、②、③的能量估算出來，就能得出④，即冷卻水帶走的熱量，從而知道所需的冷卻水量。

4 58 m錨處理/供應(yīng)系列拖輪冷卻水量估算實(shí)例

本系列拖輪為我司成熟船型之一（已建造多艘且目前使用良好），可全回轉(zhuǎn)，拖力大，性能優(yōu)越，是比較典型的海洋平臺供應(yīng)船，能在阿拉伯海灣的任何海域及任何條件下進(jìn)行作業(yè)，成品已獲得船東的一致認(rèn)可。該系列拖輪安裝兩臺主機(jī)，主要參數(shù)：

主機(jī)Niigata 6L28HX

功率1 838 kW（2 500 hp）

轉(zhuǎn)速750 r/min

燃油消耗率0.194 kg / kW·h

排氣溫度330℃

燃油消耗量：357 kg / h

4.1 柴油燃燒產(chǎn)生的熱能

柴油機(jī)的燃油消耗率是在ISO3046-1:2002E規(guī)定的基準(zhǔn)條件下，即空氣溫度為25 ℃，大氣壓力1 000 Mbar，燃油的低熱值為42 700 kJ/kg下的燃油消耗，所以柴油燃燒產(chǎn)生的熱能：

E1 = 42 700·P·g/3600 （1）

式中 E1—— 柴油燃燒產(chǎn)生的熱能 （kW）

P —— 柴油機(jī)的最大持續(xù)功率（kW）

g —— 柴油機(jī)在P時的燃油消耗率（kg / kW·h）

代入?yún)?shù)得 E1 = 42 700×1838×0.194/3 600 = 4 229 kW

4.2 柴油機(jī)的熱輻射熱量

四沖程柴油機(jī)的熱輻射熱量為：

E2 = 0.396·P0.76 （2）

式中 E2—— 柴油機(jī)的熱輻射熱量 （kW）

P —— 柴油機(jī)的最大持續(xù)功率（kW）

代入?yún)?shù)得 E2 = 0.396×18 650.76 = 120 kW

4.3 柴油機(jī)排氣帶走的熱量

柴油機(jī)的排氣量一般在技術(shù)規(guī)格書中列出，如缺乏數(shù)據(jù)，可用下面公式進(jìn)行估算：

q = α·L0·β + β （3）

式中 q —— 柴油機(jī)的排氣量 （kg / h）

α—— 空氣裕度系數(shù)，四沖程柴油機(jī)為2.1～2.6 ；

L0 —— 燃燒1 kg燃油所需的理論空氣量，一般為14.3（ kg）；

β—— 燃油消耗量（kg / h）。

取α=2.35，代入?yún)?shù)得 q = 2.35·14.3·357 + 357 = 12353 kg / h

柴油機(jī)排氣帶走的熱量可用下式估算：

E3 = c·q·( T - 25 ) / 3 600 （4）

式中 E3 —— 柴油機(jī)排氣帶走的熱量 （kg / h）

c —— 柴油機(jī)排氣的質(zhì)量熱容，為1.055 （kJ / (kg·K)） ；

q —— 柴油機(jī)的排氣量；

T —— 柴油機(jī)的排氣溫度，四沖程柴油機(jī)為320 ℃～360 ℃ 。

則代入?yún)?shù)得 E3 = 1.055×12 353×（330-25）/ 3600 = 1 104 kW

4.4 需要冷卻水帶走的熱量

根據(jù)熱能轉(zhuǎn)化，由式（1）、式（2）、式（4）可得由冷卻水帶走的熱量為：

E4 = E1 - E2 - E3 - P （5）

式中 P —— 柴油機(jī)的最大持續(xù)功率 （kW）。

代入以上計(jì)算結(jié)果得 E4 = 4 229-120-1 104-1 838 = 1 167 kW

4.5 需要冷卻水量

要帶走如上的熱量，需要的冷卻水量可用下式估算：

Q = 3 600·E4 / (C·(t2-t1)) / ρ （6）

式中 Q —— 需要的冷卻水量 （m3 / h）

E4 —— 由冷卻水帶走的熱量 (kW) ；

C —— 冷卻介質(zhì)的比熱，

海水為3.935 6（kJ / (kg·K)），淡水為4.1868（kJ / (kg·K)）；

t1 —— 冷卻水進(jìn)機(jī)溫度；

t2 —— 冷卻水出機(jī)溫度；

ρ—— 冷卻介質(zhì)密度，海水為1 025 kg/m3，淡水為1 000 kg/m3。

代入?yún)?shù)得 Q = 3 600×1 167/(4.186 8×(60-40)) /1000 = 50 m3/h

5 結(jié)論

上述結(jié)果一般比柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行時需要的冷卻水量略小，原因是以上用的是柴油機(jī)在不帶任何機(jī)帶泵時的燃油消耗率，而該型號的主機(jī)都帶有機(jī)帶燃油泵，機(jī)帶滑油泵等，實(shí)際油耗要比計(jì)算的值大。根據(jù)主機(jī)廠家Niigata提供的冷卻泵的流量為60 m3/h，比計(jì)算結(jié)果大了約20%。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，通常最后取值為計(jì)算結(jié)果的1.2倍即滿足使用。

參考文獻(xiàn)

［1］國家科委和國際新聞出版總署聯(lián)合批準(zhǔn)出版[J].船舶(5).2005

［2］中國船舶工業(yè)總公司編.船舶設(shè)計(jì)使用手冊， 輪機(jī)分冊[M]. 北京：國防工業(yè)出版社.1999