船舶双层底舱设置热交换器的设计①

李碧桃

(福建船政交通职业学院,福建 福州350007)

0 引 言

船舶冷却管路系统是保证主机正常运行的动力管路系统,钢质海船的主机冷却系统目前普遍采用闭式冷却系统或中央冷却系统。在进行冷却管路系统设计时,冷却设备一般都选用管壳式或板式热交换器,在热交换器内由舷外海水对船舶主机的润滑油及冷却淡水进行冷却,这种系统结构所选用的热交换器尺寸一般都比较大,机舱的设备布置拥挤,比较复杂,设备较多,投资成本较高。由此在船舶双层底舱设置热交换器的设计,即冷却系统中的热交换器设备设计在船舶双层底舱结构内,这种设计可使冷却系统的管路结构及布置更加简单,有利于机舱其它设备的布置,便于设备的操作管理与维护,提高船舶营运的效益。

1 常用的船舶主机冷却管路系统(闭式系统)的原理

常用的船舶主机冷却管路系统(闭式系统)的组成及工作原理如图1所示。图1中虚线表示海水管路,实线(船壳线除外)表示淡水管路。该冷却水系统工作时,海水由海水冷却泵4输送,海水由舷外经海底门6、通海阀5、海水冷却泵4、滑油冷却器7、淡水冷却器8和止回阀排出舷外;在滑油冷却器7、淡水冷却器8内海水分别对润滑油和主机冷却淡水进行冷却并带走其热量。系统的冷却淡水由淡水冷却泵1输送,淡水经由淡水冷却泵1、主机3、淡水冷却器8构成一个封闭式循环,系统中设置了膨胀水箱2作为淡水的受热膨胀空间、空气的逸出及补水作用。[1][2]

2 船舶双层底舱设置热交换器设计的原理

船舶双层底舱设置冷却系统热交换器设计的原理,就是将常用的船舶主机冷却水管路系统(闭式管路系统)中的润滑油冷却器和淡水冷却器(如图1中的润滑油冷却器7、淡水冷却器8)设计在船舶双层底舱结构内,由船舶的双层底舱结构替代润滑油冷却器和淡水冷却器,冷却系统中的润滑油和冷却淡水在船舶的双层底舱内与海水的流道设计成互相间隔交替流动,如图2所示,且润滑油和冷却淡水的流动方向与海水的流动方向相反,即类似于板式热交换器的结构及其工作原理,船舶双层底舱结构设计热交换器的冷却系统原理如图3所示。

图1 闭式冷却管路系统原理图

图2 海、淡水(滑油)流道示意图

图3 中虚线表示海水管路,实线表示淡水管路。该冷却系统的特点是将润滑油冷却器和淡水冷却器设置在船舶双层底舱结构内。该冷却管路系统工作时,主机的冷却淡水从双层底舱的淡水冷却器3由淡水冷却泵4输送至主机1,冷却主机后的淡水经温度调节阀2再回到双层底舱的淡水冷却器3,构成一个封闭的循环系统。海水由海水冷却泵7输送,海水从海底门9经通海阀8、海水冷却泵7、温度调节阀6、双层底舱滑油冷却器5、双层底舱淡水冷却器3排出船外,带走冷却淡水和润滑油的热量。同时船舶底部的舷外海水通过船底板也可与船舶的双层底舱内的润滑油和冷却淡水进行部分热交换,实现对主机润滑油和冷却淡水的部分冷却。

图3 双层底舱冷却水系统原理图

船舶双层底舱内冷却淡水的流道结构可设计成“S”型,以便增加冷却淡水在双层底舱内的流动行程,增加海淡水的热交换时间,这样,可在保证换热量的前提下减小换热面积,使双层底舱热交换器结构更加紧凑。

因为船舶的航区和季节气候不同的影响,海水的温度在船舶航行中处于变化状态,所以在系统的管路上安装有三通温度调节阀,对主机的冷却淡水温度、润滑油温度进行自动调节。

3 双层底舱热交换器所需的冷却面积估算

3.1 单位时间内冷却水应该带走的热量

式(1)中:Q为-单位时间内冷却水应该带走的热量,单位w。C为淡水的比热容,单位J/kg K。t1为主机进口冷却水温度,单位K。t2为主机出口冷却水温度,单位K。q为经过主机的冷却水流量,单位m3/h。ρ为冷却淡水的密度,kg/m3。

3.2 换热面积估算

由于船舶双层底舱内热交换器的结构设计,类似于板式热交换器的结构,所以双层底舱热交换器的换热面积估算参照板式热交换器换热面积的计算方法(平均温差法):

根据传热的基本方程式,换热面积的计算公式为[3]:

式(2)中:F传热面积,单位㎡。Q为-热流量(海水所带走的热量),单位w。K为传热系数,淡水取K=4.60548 x 107W/(㎡.K),润滑油取K=1.46538x 107W/(㎡.K),Δt-对数平均温差,单位℃。

式(3)中:t1为冷却器海水进口温度,单位℃。t2为冷却器海水出口温度,单位℃。t3为冷却器淡水进口温度,单位℃。t4为冷却器淡水出 口温度,单位℃。

4 结 语

船舶双层底舱结构设置冷却系统热交换器的设计,对各类船舶均可适用,如果船舶双层底舱结构设置冷却热交换器的设计有困难,也可考虑水线以下的边深舱设计冷却系统热交换器。只是舱内的结构与双层底舱的结构稍有不同。

船舶双层底舱结构设置冷却系统热交换器的设计,可进一步简化机舱的管路结构,减少机舱设备的重量,有利于机舱内设备的规划与布置,减少设备的投资及船舶营运、维修成本,船舶所有人的效益得到提高。