主機海、淡水冷卻系統(tǒng)詳細設計實驗.doc

實驗二 主機海、淡水冷卻系統(tǒng)詳細設計實驗實驗學時：8實驗類型：綜合實驗要求：輪機先進設計制造方向必修一、實驗目的 1.熟悉與掌握海淡水冷卻系統(tǒng)的設備組成 2.熟悉輪機系統(tǒng)設計手冊與相關(guān)的規(guī)范，掌握冷卻系統(tǒng)工作原理、工作要求，會初步完成系統(tǒng)設計計算； 3.掌握海水冷卻系統(tǒng)中相關(guān)設備、附件、管徑、壁厚的設計計算方法及選型； 4.運用CAD軟件繪制燃油日用系統(tǒng)原理圖，掌握繪圖的方法及格式。二、實驗內(nèi)容根據(jù)6500噸散貨輪的設計要求，完成冷卻系統(tǒng)的設計計算，相關(guān)附件設備的選型，繪制對應的原理圖（附件清單、閥件清單、設計要求，系統(tǒng)走向圖等）。三、實驗原理、方法和手段 通過管路設計基礎(chǔ)課程的學習，熟悉6500噸散貨輪設計要求（船體，輪機、電氣規(guī)格書），結(jié)合船舶設計手冊輪機分冊、入級規(guī)范等，完成上述內(nèi)容。四、實驗組織運行要求根據(jù)本實驗的特點、要求和具體條件，采用集中授課形式，分組開放運行形式。五、實驗條件1. 微機 2. 詳細設計軟件AUTOCAD 3. 6500噸散貨輪相關(guān)資料 4. 附件、閥件標準手冊5. 船舶設計手冊-輪機分冊、入級規(guī)范六、實驗步驟預備知識（一）、冷卻水系統(tǒng)的作用柴油機動力裝置中一些機械設備在正常運行中不斷產(chǎn)生熱量，這些熱量必須及時散發(fā)，否則發(fā)熱件溫度將繼續(xù)上升，以致超過容許的限度而破壞機械設備的工作可靠性。如柴油機氣缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的熱量除了對外作功外，其中一部分熱量將傳到機器的部件上，若不給予適當?shù)睦鋮s，這些部件將因溫度過高而不能繼續(xù)工作。為了及時而有效地散發(fā)這些熱量，通常就要讓一定量的液體連續(xù)流經(jīng)受熱部件，把這些熱量帶出設備。冷卻系統(tǒng)一般采用淡水或海水（或江河水）作為冷卻介質(zhì)。冷卻系統(tǒng)帶走的熱量有很大一部分是燃料燃燒做功后所剩余的熱量，一般約占燃燒熱量的20%30%。由于柴油機是一種熱機，是依靠燃料燃燒的熱量來作功的，所以冷卻系統(tǒng)帶走的熱量是一種損失。很顯然，冷卻越強烈，這部分的損失越大，就越明顯地降低柴油機的經(jīng)濟性。另一方面，由于受熱部件的溫度很高，如氣缸內(nèi)壁的平均溫度可達200300，與冷卻水接觸的表面溫度又較低，因此在這樣的溫差下易產(chǎn)生熱應力。溫差過大，部件就會產(chǎn)生裂紋。由此可知，柴油機對冷卻過程是有嚴格要求的。冷卻系統(tǒng)的作用就是對柴油機進行強制冷卻，將各受熱部件的溫度控制在允許范圍內(nèi)；另一方面又要保持恰當?shù)睦鋮s水溫度和采用合適的冷卻介質(zhì)，以保證其正?？煽康毓ぷ?。在決定冷卻水溫度時要充分考慮到冷卻不足或冷卻過度所帶來的后果。如冷卻不足將使部件受熱過度，導致材料機械性能下降，產(chǎn)生熱應力與變形，破壞工作面的正常間隙，造成過度的磨耗甚至咬死而損壞；冷卻不足還將會使滑油溫度過高，縮短滑油使用壽命引起滑油變質(zhì)和結(jié)焦，破壞油膜而失去潤滑作用。相反，如冷卻過度將使冷卻液帶走的熱量過多，而使柴油機經(jīng)濟性下降；使用含硫量較高的油料時，冷卻過度會使氣缸內(nèi)形成硫酸而腐蝕缸壁及活塞。因而冷卻水系統(tǒng)的熱平衡計算是十分重要的。在采用柴油機動力裝置的船舶上，需要散熱冷卻的機械設備主要有： 主、輔柴油機。包括氣缸、活塞、噴油器及增壓器等。 主、輔柴油機的滑油冷卻器、淡水冷卻器等熱交換器。 軸系的軸承等。 空壓機、冷凝器等設備。 其它機械設備或熱交換器。例如空調(diào)、冷藏機組、甲板機械的液壓系統(tǒng)等。在這些機械設備中，以主機散熱的量為最多。所以船舶冷卻系統(tǒng)中往往以主機的冷卻管路為中心，并與其他機械設備的冷卻管路，各種冷卻附屬設備共同構(gòu)成冷卻系統(tǒng)。（二）、冷卻水系統(tǒng)的基本形式冷卻水系統(tǒng)的基本形式見圖1。 開式冷卻水系統(tǒng) 冷卻水系統(tǒng) 常規(guī)冷卻水系統(tǒng) 混流式中央冷卻水系統(tǒng) 閉式冷卻水系統(tǒng) 中央冷卻水系統(tǒng) 獨立式中央冷卻水系統(tǒng) 混合式冷卻水系統(tǒng) 自流式中央冷卻水系統(tǒng) 圖1 冷卻水系統(tǒng)的基本形式1. 開式冷卻水系統(tǒng)所謂開式冷卻水系統(tǒng)是指柴油機本身直接用舷外水（海水或江河水）進行冷卻。開式系統(tǒng)的優(yōu)點是裝置簡單，管理維修方便。缺點是舷外水水質(zhì)差，河水含有雜質(zhì)，海水含有各種氯化鹽，會堵塞冷卻空間或?qū)Σ考a(chǎn)生腐蝕及發(fā)生沉淀產(chǎn)生水垢，降低熱效率。為防鹽類析出，海水溫度應5055以下，高溫部件不能用，由于柴油機的冷卻水溫度一般要求在60以上，高速機應達8090。因此現(xiàn)今除江河小船外，基本上已不采用開式系統(tǒng)。2. 閉式冷卻水系統(tǒng)與開式系統(tǒng)相對應，是指柴油機本身用淡水冷卻，而淡水再經(jīng)熱交換器用舷外水冷卻。也就是淡水在系統(tǒng)中作封閉循環(huán)，而封閉循環(huán)的冷卻淡水再由另一個開式冷卻系統(tǒng)（不是指柴油機本身）來冷卻。因而它具有很多優(yōu)點： 循環(huán)于機內(nèi)的是清潔的淡水，不易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。 清潔水不易發(fā)生積垢現(xiàn)象，保證良好的傳熱效果及延長部件的使用壽命。 不受海水中析出鹽分的溫度限制，可采用較高的冷卻水溫，提高熱效率。 縮短暖缸時間，提高機動性。（暖缸時，淡水不經(jīng)過冷卻器或關(guān)閉海水泵）3. 中央冷卻水系統(tǒng)為使主機以外的其它機械設備也均用淡水，且用一個系統(tǒng)進行冷卻便形成了中央冷卻水系統(tǒng)。若有部分設備單獨用海水冷卻則稱為混合式冷卻系統(tǒng)。在柴油機淡水冷卻系統(tǒng)中，有高溫水回路和低溫水回路，如采用高低溫水的混合來調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，則屬混流式中央冷卻系統(tǒng)；如高低溫回路各自分開，則為獨立式中央冷卻系統(tǒng)。在獨立式中央冷卻系統(tǒng)中，如高溫水熱交換器用低溫水（淡水）來冷卻，稱為獨立型，如果用海水來冷卻高溫水，則稱為獨立型。在某些航速較高的船舶上，如集裝箱船、艦艇等，它的中央冷卻器（低溫淡水冷卻器，亦稱為戽式冷卻器）亦可設計為利用船舶航行的速度所獲得的自流海水來冷卻，稱為自流式中央冷卻系統(tǒng)，它是獨立型的特殊形式。表1是常規(guī)冷卻水系統(tǒng)與中央冷卻水系統(tǒng)的優(yōu)缺點對照表。表1 常規(guī)冷卻水系統(tǒng)與中央冷卻水系統(tǒng)的優(yōu)缺常規(guī)冷卻水系統(tǒng)中央冷卻水系統(tǒng)優(yōu)點1、主機僅須設置兩套冷卻水泵：海水冷卻泵和缸套水冷卻泵；2、管路系統(tǒng)簡單；3、初投資低。1、用海水冷卻的冷卻器僅需1套（1只或2只）；2、其它冷卻器均用淡水冷卻，材料要求低，價格便宜；3、需耐腐蝕的海水冷卻管路短；4、冷卻器維修量小，傳熱效果好。缺點1、所有冷卻器均用海水冷卻，因而維修量大；2、需配其它機械設備用的海水冷卻泵；3、需耐腐蝕的海水管路長1、有三個冷卻回路，因而須設3套冷卻水泵：海水冷卻泵、低溫水冷卻泵和高溫水冷卻泵；2、初投資高。（三）、冷卻水系統(tǒng)原理冷卻水系統(tǒng)可以劃分為海水冷卻系統(tǒng)、淡水冷卻系統(tǒng)，淡水冷卻系統(tǒng)又可分低溫水冷卻系統(tǒng)和高溫水冷卻水系統(tǒng)（也稱缸套水冷卻系統(tǒng)）。但從表5.1.1可以看出對于使用低速柴油機的船舶，采用中央冷卻水系統(tǒng)是受到航運公司所歡迎的一種形式。大型船舶上也大多采用中央冷卻水系統(tǒng)，所以該系統(tǒng)也可以合在一起稱為冷卻水系統(tǒng)。下面我們對常規(guī)的海水冷卻系統(tǒng)和獨立式中央冷卻水系統(tǒng)作介紹。1. 常規(guī)的海水冷卻系統(tǒng)圖5.3.2所示為常規(guī)的海水冷卻系統(tǒng)圖，它主要由兩臺海水冷卻泵、滑油冷卻器、缸套水冷卻器、溫控閥和回流管路等組成。其工作原理是：海水泵從海水門及海水總管中吸入海水，然后分二路，一路將海水送到主機的空冷器中。另一路將海水送入滑油冷卻器，再經(jīng)過淡水冷卻器后與主機空冷器的排出水合為一路，通過三通調(diào)溫閥直接排舷外或回流至海水泵的吸入口。由于受季節(jié)或航行地區(qū)的影響，海水溫度一直在變化之中，所以在海水排出的管路上安裝有三通調(diào)溫閥，當海水溫度低于設定溫度時，使海水回流至海水泵的吸入口，以提高海水進水的溫度。三通調(diào)溫閥的開閉受安裝在海水泵出口管路上的溫度傳感器控制。船舶上一般至少設有二只海水門，布置于兩舷，且盡可能低。也可以一只為高位海水門，一只為低位海水門，在淺水航道航行時可使用高位海水門，以防止泥沙的吸入。但大型船舶為了安全起見，都設三只海水門，其中一個高位海水門、二個低位海水門。海水應先對滑油進行冷卻，然后再進淡水冷卻器對淡水進行冷卻。這是由于滑油溫度低于淡水，且粘度高，熱交換性能比淡水差。2. 獨立式中央冷卻水系統(tǒng)（型）圖5.3.3為獨立型中央冷卻水系統(tǒng)圖。也就是主機的高溫水由低溫水來冷卻。它的工作原理是：該系統(tǒng)由三個相互獨立的回路組成，即海水回路、高溫淡水回路和低溫淡水回路。 海水回路海水回路相當簡單，兩臺海水泵從海水總管吸入海水后送入中央冷卻器，冷卻低溫淡水后直接排至舷外。 高溫淡水回路高溫淡水回路即主機缸套水冷卻系統(tǒng)，它是一個閉式循環(huán)系統(tǒng)，兩臺高溫淡水泵將高溫淡水送入主機對氣缸、活塞和噴油器等進行冷卻，然后從主機的最高點排出，經(jīng)三通調(diào)溫閥、高溫淡水冷卻器或旁通管、除氣柜后回到高溫淡水泵的吸入口。在主機淡水排出管路上，并聯(lián)安裝有一臺造水機（或稱制淡裝置），可利用高溫淡水的余熱將海水制成淡水，作為船上淡水補充之用。它是一種節(jié)能裝置，后文將作詳細介紹。安裝在高溫淡水冷卻器進出口旁通管路上的三通調(diào)溫閥用來控制主機淡水出口的溫度，一般要求主機淡水出口溫度控制在80左右。主機淡水溫度的調(diào)節(jié)可以采用三種不同的方法來達到。如圖所示調(diào)節(jié)進入冷卻器的高溫淡水量。調(diào)節(jié)進入主機的淡水量。調(diào)節(jié)進入高溫淡水冷卻器的低溫淡水（或海水）的量。這三種方法雖然均可以調(diào)節(jié)淡水的溫度，但實際上后二種方法由于會造成主機進出水溫差太大或響應太慢，在船舶上很少使用。另外三通調(diào)溫閥可以設在冷卻器的進口管路上，也可以設在出口管路上，兩種方法均可以。系統(tǒng)中還設有一只高溫水膨脹水箱，它的作用是： 讓在閉式循環(huán)管路中流動的淡水，因溫度變化而引起體積變化時有脹縮的余地； 管路中因局部受熱而汽化產(chǎn)生的氣體能通過它排到系統(tǒng)之外。因而在主機淡水出口最高處一般都接有一根透氣管，與膨脹水箱相通。 可利用膨脹水箱中水的靜壓頭，使吸入管路始終保持較高的水壓，避免管路中的水產(chǎn)生低壓汽化現(xiàn)象，保持壓力穩(wěn)定； 可利用膨脹水箱補充淡水的損耗； 是對水質(zhì)進行處理的投藥場所。高溫淡水泵吸入管路上安裝的除氣柜，其作用是去除管路中的空氣和從膨脹水箱來的補充水的接入口，也就是說補充水管必須連接到淡水泵的吸入口。 低溫淡水回路低溫淡水回路也是一個閉式循環(huán)系統(tǒng)。按圖所示兩臺低溫淡水泵將低溫水送入中央冷卻器進行冷卻，再經(jīng)過三通調(diào)溫閥后分為二路，一路去主機的空冷器；另一路到滑油冷卻器和高溫淡水冷卻器，最后兩路匯成一路回到泵的吸入口。整個回路的作用與常規(guī)的海水冷卻系統(tǒng)相同，只不過它本身還必須由海水來冷卻。在實際船舶上，低溫水還分好幾路，分別對柴油發(fā)電機的空冷器、空壓機、空調(diào)、冷藏、大氣冷凝器等進行冷卻，系統(tǒng)要復雜得多。此回路中的三通調(diào)溫閥就安裝在中央冷卻器的出口，作用同高溫回路中的三通調(diào)溫閥。低溫淡水冷卻器的出口溫度一般控制在36。它也設有專門的低溫水膨脹水箱。系統(tǒng)中凡是設在兩臺泵時，其中一臺泵均為備用，并要求能自動起動并轉(zhuǎn)換。獨立型中央冷卻水系統(tǒng)與型的區(qū)別僅在于，中央冷卻器稱為低溫淡水冷卻器，它與高溫淡水冷卻器均由海水來進行冷卻，其它的工作原理和系統(tǒng)都基本一樣。另外，閉式循環(huán)系統(tǒng)中冷卻泵與冷卻器的位置可以有兩種不同的布置方法，如圖5.3.4所示。二種布置形式的主要差別在于淡水泵是直接接在主機淡水進口管路上還是出口的管路上。圖5.3.4（a）所示為，淡水從冷卻泵出來首先進入主機進口，這可以使冷卻水在主機中保持較高的壓力，因而冷卻水在氣缸冷卻腔中不易汽化，可保證柴油機的良好冷卻效果，所以在船舶上應用較多。這種布置的缺點在于從主機出來的冷卻水進入 冷卻器時壓力已經(jīng)降低，當冷卻器管板處發(fā)生泄漏時，海水可能漏入淡水中。圖5.3.4(b)所示為，淡水經(jīng)冷卻泵出來后，先進入淡水冷卻器，然后到主機的各部件進行冷卻，最后回到冷卻泵的吸入口。這種布置的優(yōu)缺點正好與上面的形式相反。設計要求： 1. 熟悉6500噸散貨輪相關(guān)資料，包括機艙布置圖，總布置圖，船體結(jié)構(gòu)圖，研究輪機規(guī)格書、主機、輔機技術(shù)規(guī)格書等。 2. 根據(jù)設計手冊，對主機海、淡水管系的一般要求如下：（1）每臺主機應有獨立的冷卻管系及循環(huán)水管系。（2）輔機一般應有獨立的冷卻水管系。若幾臺輔機共用一臺海水冷卻泵時，應設有備用泵或代用泵。（3）采用自流式冷卻及循環(huán)水管系，除應滿足主機各種正車工況外，還必須滿足主機空車和倒車工況的要求。（4）滑油冷卻器中的冷卻水壓力應低于滑油壓力。（5）循環(huán)水管路進、排水管與主機冷凝器的連接應有膨脹接頭。（6）循環(huán)水管路一般應設有可調(diào)節(jié)海水流量的擋板裝置。(7)柴油機應采用閉式冷卻水管系。（8）柴油機的淡水冷卻管系一般應設置高溫警報裝置。（9）柴油機的淡水冷卻管系應有單獨的淡水膨脹箱。采用封閉壓力式的淡水膨脹箱應裝設安全閥。（10）主柴油機的淡水冷卻管系應備有海水應急接管，且有避免平時淡、海水相混的可靠措施。3管系的設計壓力、等級、材料的確定。（1）、設計壓力參照管路壓力:(MPa) 設計壓力 車間試驗 船上試驗冷卻海水泵出口 0.25 0.375 0.375 冷卻淡水泵出口 0.2 0.3 0.3 （2）、管材等級參照 采用級管（3）、材料的確定采用C20碳鋼管系中的閥和附件的強度，應與它們所連管路的強度相一致，并在最高工作壓力下能有效地工作。4管子各項系數(shù)的計算（1）、管徑 管徑是根據(jù)流經(jīng)管內(nèi)流體的流量及流速而定。其關(guān)系如下：或 式中 管子內(nèi)徑（m）； 體積流量（）； 質(zhì)量流量（kg/h）； 流體密度（kg/）； V管內(nèi)流體流速（m/s）。各種管內(nèi)流體流速管子名稱壓力（MPa）流速（m/s）備注海、淡水管路0.16660.2940.51.5常取2鍋爐給水管路2.5燃油吸入管路0.11.0滑油吸入管路0.151.5滑油壓出管路0.252壓縮空氣管路2.452.941215管徑為15150mm蒸汽管路3.922040 （2）、管壁厚度的計算受內(nèi)壓的鋼管，其最小壁厚應不小于按下式計算之值：式中：基本計算壁厚 ，參見設計手冊； 彎曲附加余量，參見設計手冊； 腐蝕余量不同材料管子的腐蝕速度管子材料工作介質(zhì)管壁腐蝕程度（mm/年）碳鋼（10號、20號）滑油、燃油、空氣0.1不銹鋼滑油、淡水0雙金屬滑油、空氣0.1銅滑油、空氣、淡水0.1海水0.15銅鎳合金海水0.1（3）、外徑最小壁厚小于鋼管外徑與最小公稱壁厚表及不銹鋼管外徑與最小公稱壁厚表所列的數(shù)值時，則應采用表列相應的標準管的最小公稱壁厚。參見設計手冊。5. 冷卻管系的設備估算（1）淡水泵排量一般可按下式計算：（m3/h） （1-29）式中 冷卻水帶走熱量的百分率；燃料低發(fā)熱值（kcal/kg）；單位馬力燃料消耗率（kg/Hph）；發(fā)動機有效功率（Hp）；冷卻水出發(fā)動機溫度（）；冷卻水進發(fā)動機溫度（）；淡水密度（kg/m3）；淡水比熱（kcal/kg）；裕度系數(shù)，一般取1.21.3。冷卻水進出主機的溫度選擇，一般情況下取發(fā)動機說明書中要求即可。壓頭的大小按照發(fā)動機內(nèi)及管路內(nèi)的流阻來決定，根據(jù)現(xiàn)有設計資料一般采用2030mH2O。（2）海水泵排量一般可按下式計算：（m3/h） （1-30）式中 海水帶走的熱量（其中包括淡水及滑油二個部分）；海水進滑油冷卻器的溫度（當滑油冷卻器置于淡水冷卻器的前面時）（）；海水出淡水冷卻器的溫度（）；海