船舶淡水冷卻系統(tǒng)流量分配的探析

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(1.無錫交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無錫 214151；2.上海外高橋造船廠，上海 200032)

由于管路分支帶來的流量分配不均導(dǎo)致設(shè)備不能得到有效冷卻的現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，所以設(shè)計(jì)初期對(duì)其進(jìn)行預(yù)算是一項(xiàng)非常重要的工作。本文從常規(guī)的管路流量分配計(jì)算方法著手，提出船舶淡水冷卻系統(tǒng)流量分配的流量補(bǔ)償計(jì)算法。

1 分支管路的流量分配

對(duì)于分支管路來說，管道的長度、通徑、管路形態(tài)及其背壓等都或多或少地影響著流量的分配。分析此類問題的基本原則是：主管的總流量等于各支管的流量之和，且在同一流線分岔處的壓力是確定不變的[1]，見圖1。

圖1 分支管路示意

根據(jù)上述原則，求解下列方程組，就能夠算出各個(gè)管道中的流速以及流量分配情況。

(1)

式中：l——管道長度；

d——管道內(nèi)徑；

ξ——局部損失系數(shù)；

v2/(2g)——單位重量流體的動(dòng)壓頭(速度水頭)；

z——位置水頭；

p/(ρg)——壓強(qiáng)水頭；

λ——沿程損失系數(shù)。

λ為關(guān)于雷諾數(shù)和相對(duì)粗糙度的函數(shù)，雷諾數(shù)是關(guān)于運(yùn)動(dòng)粘度、流速和管道內(nèi)徑有關(guān)的函數(shù)，因此精確計(jì)算流量分配難度很大，計(jì)算過程相當(dāng)繁冗。一般通過反復(fù)地運(yùn)算各個(gè)支管中的情況，通過壓力平衡來預(yù)估其流量分配，使用流量分配來匹配實(shí)際流量，接著再使用匹配流量驗(yàn)算壓力平衡條件。如此往復(fù)，直至結(jié)果在誤差范圍內(nèi)為止。對(duì)于n根支管的計(jì)算，可用下面的變形公式。

(2)

可見，并聯(lián)管路系統(tǒng)中，每增加一根管路就要使計(jì)算增加一個(gè)維度，想要詳盡地分析出并聯(lián)管路的流量情況，計(jì)算很麻煩。

2 船舶淡水冷卻系統(tǒng)

現(xiàn)代船舶幾乎都采用了中央冷卻系統(tǒng)，這種冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：循環(huán)在主機(jī)等機(jī)械內(nèi)的水是清潔的淡水，因此不易產(chǎn)生水垢而發(fā)生管道堵塞的現(xiàn)象；淡水不會(huì)產(chǎn)生積鹽現(xiàn)象，因而能保證良好的傳熱效果，同時(shí)冷卻水溫可以不受鹽分自海水中析出的溫度限制，可以達(dá)到65～85 ℃，甚至在某些船上可高達(dá)95～110 ℃，這樣高溫部件熱表面與冷卻水之間溫差減小，被冷卻水帶走的熱量減少，有利于提高熱效率和熱負(fù)荷[2]。

中央冷卻系統(tǒng)由海水管路、高溫淡水管路、低溫淡水管路組成，涉及諸多并聯(lián)管路的流量分配，與設(shè)備的分布、管路的大小都有關(guān)系，是一個(gè)非常困擾設(shè)計(jì)者的難題，圖2為某船的冷卻水系統(tǒng)。

圖2 某船冷卻水系統(tǒng)的熱平衡圖

從圖2中看出該船有17個(gè)冷卻單元，也就是17根管路并聯(lián)，管路內(nèi)徑從25～125 mm不等，而且設(shè)備距離淡水冷卻水泵的距離或遠(yuǎn)或近，其繁冗程度可見一斑。

3 淡水冷卻系統(tǒng)的分析計(jì)算

計(jì)算前需要對(duì)上述問題進(jìn)行簡化。整個(gè)中央冷卻水系統(tǒng)為閉式并聯(lián)系統(tǒng)，所以系統(tǒng)中的位能和壓力能相互轉(zhuǎn)化，對(duì)整個(gè)計(jì)算產(chǎn)生的影響可以忽略，將整個(gè)系統(tǒng)視為一個(gè)平面內(nèi)的系統(tǒng)。

對(duì)于類似中央冷卻水系統(tǒng)的多支管的流量分配，采用流量補(bǔ)償?shù)牡椒?，?jì)算步驟如下。

1)首先按照管路的截面積的比例將冷卻水分配給各個(gè)分支管路。

5)將步驟4)中算出的扣除流量的總量再分配給管路損失小于平均值的管路，分配比例為流量不足的管路截面積的平方。

6)返回步驟2)，進(jìn)行運(yùn)算核實(shí)。

需要說明的是，步驟4)和步驟5)只能挑一個(gè)進(jìn)行運(yùn)算，在步驟4)中運(yùn)算過的管道在管道5)中不參與運(yùn)算。為了方便讀者理解，列出計(jì)算流程見圖3。

經(jīng)過圖3中的運(yùn)算，基本就能找到接近真實(shí)情況的流量分配。

下面舉一算例來演示。見圖4，由4根支管組成的并聯(lián)管路中，管道1～4的通徑分別為300、250、150、150 mm；各自的長度為20、40、50、80 m；各自管道內(nèi)的局部阻力損失系數(shù)為3、4、5、10；所有管路內(nèi)壁面的絕對(duì)粗糙度為0.1 mm，密度為1 000 m3/h，運(yùn)動(dòng)粘度為1×10-6m2/s，總流量為800 m3/h，求管路流量分配情況。

圖3 計(jì)算流程

圖4 并聯(lián)管路示意

其計(jì)算過程見表1。在第一次運(yùn)算初始分配階段，將800 m3/h的流量按截面積分配給各個(gè)支管，分別計(jì)算出各個(gè)支管的損失狀況，并計(jì)算出其平均值；管路3和4的壓損比平均值大，就意味著其流量分配過多，按照步驟4的算法扣除一定的量給管路1和2；而管路1和2的壓損小于平均壓損，這就意味著其流量分配不足，就將上一步中扣除的量匯總后按照面積比例分配給管路1和2，于是就產(chǎn)生了新的流量分配；接下來就進(jìn)入第2次循環(huán)運(yùn)算，對(duì)所有管路再重復(fù)計(jì)算分配一次。當(dāng)計(jì)算到第25次循環(huán)運(yùn)算時(shí)，4支管的水力損失趨于一致，不再產(chǎn)生新的流量分配，運(yùn)算截止，此刻的各支管的流量就已達(dá)到實(shí)際分配狀態(tài)。

以上的分析可見，管路口徑小且長度長的冷卻單元的冷卻水量往往很小，而粗短的管路其流量往往超出預(yù)期。在實(shí)際運(yùn)用中，可以使用支總管的形式來彌補(bǔ)不足，具體做法就是將某些冷卻水量需求較小的設(shè)備布置得相對(duì)集中，用一根總支管引至設(shè)備附近，進(jìn)行供水。

4 結(jié)論

該種流量補(bǔ)償?shù)姆磸?fù)迭代方法很適合閉式并聯(lián)管路流量分配的預(yù)測計(jì)算。在實(shí)踐中，閉式并聯(lián)管路系統(tǒng)(例如淡水冷卻水系統(tǒng))流量的分配應(yīng)細(xì)致考慮：對(duì)于遠(yuǎn)端設(shè)備，而且冷卻水接口較小的，可以通過增大冷卻水管路通徑以增加其冷卻水流量；對(duì)于管路粗短的設(shè)備，可以在不影響其工作的前提之下在其管道上增設(shè)節(jié)流孔板，調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的流量分配，保證系統(tǒng)中其它設(shè)備的正常冷卻。

表1 并聯(lián)管路流量分配計(jì)算的電子表格算例

[1] 孔 瓏.工程流體力學(xué)[M].北京：中國電力出版社,2007.

[2] 董愛國.船舶管舾裝設(shè)計(jì)工藝實(shí)用手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社,2009.