船舶主機冷卻水量的估算方法

摘 要：中小型船舶的主機大多使用四沖程柴油機，采用的是水冷系。而冷卻水量取決于主機在運行過程中被冷卻的部件需要帶走的熱量，本文應用熱力學第一定律，結合58 m 錨處理/錨供應拖輪的設計及建造實例，針對船舶主機冷卻水系統，提出一種估算冷卻水量的方法。

關鍵詞：船舶主機；冷卻水系統；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

船舶在設計時，需要結合船舶參數以及船東的特殊要求來考慮設備正常運行的各種條件，例如主機冷卻水量是否足夠，油溫是否會超標等，只有滿足了這些條件，才能確保船舶主機能夠正常使用。本文應用熱力學第一定律，結合58 m 錨處理/錨供應拖輪的設計及建造實例，提出一種估算船舶主機冷卻水量的方法。

2 主機冷卻系統

中小型船舶的主機大多采用四沖程柴油機，采用的是水冷系，水冷系的主要功用是把柴油機受熱零件吸收的部分熱量及時散發出去，保證發動機在最適宜的溫度狀態下工作。冷卻水量取決于主機在運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 熱學定律應用及估算原理

能量守恒定律指出：能量可以從一種形式轉化為另一種形式，從一個系統傳遞給另一個系統，但在轉換和傳遞時，能量既不可能被創造，也不可能被消滅。作者熱力學第一定律是能量守恒與轉換定律在熱力系統中的具體應用。當系統與外界發生能量傳遞與轉換時，熱力學第一定律可表述如下：

進入系統的能量=系統中內能的增加+離開系統的能量。

對柴油機進行熱分析，持續運行的柴油機的熱系統是一個穩態的開口系統，處在動態的平衡中。柴油機燃燒柴油，把柴油的化學能轉化為熱能，這些熱能的主要有以下四個去向：

①轉化為機械能輸出，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。

所以不管柴油機內部的冷卻系多復雜，把燃燒柴油產生的熱能，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/供應系列拖輪冷卻水量估算實例

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，拖力大，性能優越，是比較典型的海洋平臺供應船，能在阿拉伯海灣的任何海域及任何條件下進行作業，成品已獲得船東的一致認可。該系列拖輪安裝兩臺主機，主要參數：

主機Niigata 6L28HX

功率1 838 kW（2 500 hp）

轉速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 柴油燃燒產生的熱能

柴油機的燃油消耗率是在ISO3046-1:2002E規定的基準條件下，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，所以柴油燃燒產生的熱能：

E1 = 42 700·P·g/3600 （1）

式中 E1—— 柴油燃燒產生的熱能 （kW）

P —— 柴油機的最大持續功率（kW）

g —— 柴油機在P時的燃油消耗率（kg / kW·h）

代入參數得 E1 = 42 700×1838×0.194/3 600 = 4 229 kW

4.2 柴油機的熱輻射熱量

四沖程柴油機的熱輻射熱量為：

E2 = 0.396·P0.76 （2）

式中 E2—— 柴油機的熱輻射熱量 （kW）

P —— 柴油機的最大持續功率（kW）

代入參數得 E2 = 0.396×18 650.76 = 120 kW

4.3 柴油機排氣帶走的熱量

柴油機的排氣量一般在技術規格書中列出，如缺乏數據，可用下面公式進行估算：

q = α·L0·β + β （3）

式中 q —— 柴油機的排氣量 （kg / h）

α—— 空氣裕度系數，四沖程柴油機為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，代入參數得 q = 2.35·14.3·357 + 357 = 12353 kg / h

柴油機排氣帶走的熱量可用下式估算：

E3 = c·q·( T - 25 ) / 3 600 （4）

式中 E3 —— 柴油機排氣帶走的熱量 （kg / h）

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

q —— 柴油機的排氣量；

T —— 柴油機的排氣溫度，四沖程柴油機為320 ℃～360 ℃ 。

則代入參數得 E3 = 1.055×12 353×（330-25）/ 3600 = 1 104 kW

4.4 需要冷卻水帶走的熱量

根據熱能轉化，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 —— 柴油機的最大持續功率 （kW）。

代入以上計算結果得 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 —— 冷卻水進機溫度；

t2 —— 冷卻水出機溫度；

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

代入參數得 Q = 3 600×1 167/(4.186 8×(60-40)) /1000 = 50 m3/h

5 結論

上述結果一般比柴油機實際運行時需要的冷卻水量略小，原因是以上用的是柴油機在不帶任何機帶泵時的燃油消耗率，而該型號的主機都帶有機帶燃油泵，機帶滑油泵等，實際油耗要比計算的值大。根據主機廠家Niigata提供的冷卻泵的流量為60 m3/h，比計算結果大了約20%。結合經驗，通常最后取值為計算結果的1.2倍即滿足使用。

參考文獻

［1］國家科委和國際新聞出版總署聯合批準出版[J].船舶(5).2005

［2］中國船舶工業總公司編.船舶設計使用手冊， 輪機分冊[M]. 北京：國防工業出版社.1999