船舶中央冷却系统淡水侧水力计算分析.pdf
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1、第45卷第2 4期2023年12 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.24Dec.,2023船舶中央冷却系统淡水侧水力计算分析王斌1-2,吴昌脉12,刘媛慧1.2(1.中国船舶科学研究中心船舶振动噪声重点实验室,江苏无锡2 140 8 2;2.深海技术科学太湖实验室,江苏无锡2 140 8 2)摘要:针对船舶中央冷却系统淡水侧向各冷却支管输送淡水时,实际流量与设计流量会有较大差别的问题,以4台冷却设备为例构建淡水侧计算模型,从简单管路的流量、阻抗等特性出发,提出阻抗平衡计算方法,采用实际算例对计算步骤进行演示,并利用Flowmaster软件对算例
2、进行仿真,仿真结果与理论计算结果吻合良好,验证了阻抗平衡法计算的正确性,最后采用阻抗平衡法反向计算出了设计流量下的各支管阻抗以及局部阻力系数。结论表明,阻抗平衡法能准确进行管路水力计算,在船舶中央冷却系统设计过程中可进行实际应用。关键词:中央冷却系统;串并联;水力计算;阻抗平衡中图分类号:U662.2文章编号:16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 4-0 0 7 4-0 6Hydraulic calculation and analysis of the fresh water side of the ship central cooling system(1.Key Laborat
3、ory of Ship Vibration and Noise,China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China;Abstract:In view of the problem that the actual flow and the design flow will be greatly different when the centralcooling system delivers fresh water to each cooling branch,taking four cooling equipments as exam
4、ples,the calculation mod-el of fresh water side is constructed.Based on the flow,impedance and other characteristics of the simple pipeline,the im-pedance balance calculation method is proposed,and the calculation steps are demonstrated with an actual example.The ex-ample is simulated with Flowmaste
5、r.The simulation results are in good agreement with the theoretical calculation results,which verifies the correctness of the impedance balance calculation method.Finally,impedance balance method is used tocalculatetheimpedanceandlocalresistancecoefficientofeachbranchpipeunderthedesignflow.Theconclu
6、sionshowsthattheimpedancebalance method can accurately calculate the pipeline hydraulics,and can be applied in the design of ship central cooling system.Key words:central cooling system;series parallel connection;hydraulic calculation;impedance balance0引言船舶中央冷却系统仅中央冷却器使用海水冷却,具有腐蚀性的海水不直接接触和冷却各种散热设备,可
7、有效提高各设备的可靠性和寿命,已成为各型船舶冷却系统设计的首要选择。作为全船冷却系统,在实际应用过程中,因淡水侧各支路流量分配不均导致设备不能得到有效冷却的现象经常出现。因此,有必要对船舶中央冷却系统水力特征进行分析。刘方等2 以传统的管路流量计算为基础,提出多分枝管路流量分配送代补偿计算方法。宋振国3以图收稿日期:2 0 2 2-11-16作者简介:王斌(19 9 3),男,硕士,工程师,研究方向为舰船轮机设计。文献标识码:AWANG Bin2,WU Chang-mai2,LIU Yuan-huil-?2.Taihu Laboratory of Deepsea Technological S
8、cience,Wuxi 214082,China)doi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.24.013论为抓手,建立了船舶管网水力计算的数学模型,并通过实船试验,验证了数学模型的正确性。贾志强等4将SIMPLE算法应用到水力管网进行动态模拟,实现了瞬态计算。陆蕾5 分析了钻井平台冷却水系统达到流量平衡的关键技术,并使用标准矩阵求解技术等方法对冷却系统进行优化。多数研究在对中央冷却系统计算过程中进行简化,并且需要代人特定模型进行求解,为实际工程应用带来了不便。本文对中央冷却系统进行介绍,从简单管路的特性出发,提出基于阻抗平衡法的管路特性及流量分配计算方法,对冷却水管路
9、进行定量分析,并采用Flow-第45卷王斌,等:船舶中央冷却系统淡水侧水力计算分析75.中央冷却器锅炉循环泵中间轴承集控式空调制辅辅冷机机中央冷却器机调12组其油他空冷却器因气冷凝器一冷却海水一冷却淡水图1某PLG船中央冷却系统原理图Fig.1 Schematic diagram of central cooling system of a PLG shipmaster软件对计算方法进行验证,最后利用阻抗平衡法反向计算了设计流量状态下的各支管阻抗以及局部阻力系数,可在实际工程中进行应用。1船舶中央冷却系统介绍船舶中央冷却系统属于闭式冷却水系统的一种,利用海水冷却泵从海水门中抽取海水并送至中央冷
10、却器,对中央冷却器的淡水回路进行冷却,海水升温后流出舫外,完成海水侧循环。经中央冷却器冷却后的低温淡水,经淡水冷却泵加压后沿各冷却支管流至主机、空调等设备的冷却器,带走舱内各设备产生的热量,随后经冷却总管汇集至中央冷却器,完成淡水侧循环。中央冷却水系统使用海水冷却的冷却器仅1套,材料要求低;需耐腐蚀的管路也较短;同时舱内管路不直接承压,提高了管路及其附件的安全性。船舶中央冷却系统可分为混流式中央冷却水系统、独立式中央冷却水系统、自流式中央冷却水系统6 。图1为某PLG船中央冷却系统原理图7 。2冷却管路水力及流量分配计算如图1所示,中央冷却系统海水侧管路形式单一,不存在流量分配不均问题。淡水侧
11、由淡水冷却泵统一向各冷却用户输送冷却水,由于各冷却支管通径、长度以及所使用的管路附件不同,在阻抗平衡的原则下,管内实际流量与设计流量会有较大差别,必须进行支管阻力匹配计算和设计。中央冷却系统淡水侧为闭式循环,流体的位能与压力能、速度能互相转化,因此在计算过程中可不考虑各管路空间走向,视为平面系统进行计算。2.1物理模型以4台冷却设备为例,将中央冷却系统淡水侧计算模型简化,如图2 所示。各冷却设备的流量分别为Q1Q4,总流量为Q,分析可得:(Qb2bi=Qa1a2=Q1,Qb3b2=Qa2a3=Q1+Q2,Qb4b3=Qa3a4.=Q1+Q2+Q3,(Q=Q1+Q2+Q3+Q4。a3Q4Q中央冷
12、邦冷冷冷冷却却却淡水海水侧侧器淡水冷却泵b4图2 中央冷却系统淡水侧计算模型图Fig.2 Calculation model of fresh water side of centralcoolingsystem冷却管路在船舱内多沿航侧布置,a1a2、a 2 a 3、a3a4等管段距离普遍较长,存在较多数量的弯头、阀门、滤器等管路附件,阻抗不同并且流量不同,其也不符合并联管路定义特征,因此图2 不可使用各冷却支路简单并联的计算方法。黏性流体管道计算的伯努利方程为:Z.1+P128式中:z1、z 2 为管道内1-1与2-2 截面中心至基准水平(1)a4a2设设设设备备备备43b3b2P22+Hw
13、2gai却21bi(2)76面的垂直距离,m;P1、P2 为1-1与2-2 截面上的流体压力,Pa;u 1、u 2 为1-1与2-2 截面上的流体平均速度,m/s;为管路内流体的重度,N/m;H w 为管路内流体在1-1与2-2 截面间的压头损失,m。压头损失可分为沿程压力损失和局部阻力损失,对于简单管路计算如下:Hw=入=+ZXd28式中:为沿程阻力系数;L为管路长度,m;d 为管路内径,m;u 为管路内流体平均速度,m/s;为局部阻力系数。将u=%代入式(3),有d44Hw定义管路阻抗8:S=元?d4g在冷却系统实际应用中,由于管路附件的布置、管路腐蚀等原因,管路内流体基本处于完全湍流区,
14、雷诺数对阻力影响很小,此时可视为局部阻力系数入与Re无关,只是绝对粗糙度 与管径d的函数。在管路系统型号规格确定情况下,采用尼古拉兹公式,即可计算出相应管段的入,即1入=(1.74+21g 2)d2。依据式(5)及式(6)可计算出各分支管路的阻抗,结合式(4),则有:Hw=SQ?。船舶冷却管路为简单管路经过串联和并联组成的管网。由不同管径或不同粗糙度的简单管路头尾相连组成串联管路,如图3所示,其各管段中流量相同,总压头损失等于串联各管段压头损失之和,总阻抗为串联各管段阻抗之和,即(Q=Q1+Q2+Q3,Hw=Hw1+Hw2+Hw3,(S=S1+S2+S3。由2 个或2 个以上简单管路入口与人口
15、相连接、出口与出口相连接组成并联管路,如图4所示。可舰船科学技术Fig.3 Schematic diagram of tandem pipeline知,其总流量等于各分支管段流量之和,总压头损失等于各分支管段压头损失,总阻抗的平方根倒数等于L(3)2gd8(L十d元d4g第45卷图3串联管路示意图各分支管段阻抗的平方根倒数之和,即2g(Q=Qi+Q2+Q3,Hw=Hw1=Hw2=Hw3,1111VSVST+VS2VS3(4)图4并联管路示意图Fig.4 Schematic diagram of parallel pipeline由式(9)可进一步推导出,并联各分支管段流量之比等于阻抗的平方根倒
16、数之比,即(5)1Q1:Q2:Q3=VS2VS32.2求解过程在冷却管路已设计完成的情况下,利用阻抗平衡法对淡水侧进行水力计算,参考图2,计算步骤如下:步骤1首先计算biai、b 2 a 2、b 2 b 1、a i a 2 等各分支管段的阻抗;步骤2 计算管段b2b1a1a2阻抗,根据串联管路规律,可得:(6)Sbabiaia2=Sb2bi+Sbiai+Saia2步骤3将管段b2bia1a2与管段b2a2并联,计算并联后的阻抗S1,2:1(7)VS1.2S b2biaia2经过上述步骤后,冷却系统计算模型可简化为图5所示。步骤4参考图5,计算管段b3b2a2a3阻抗,根据串联管路规律,可得:S
17、b3b2a2a3=Sb3b2+S1,2+Sa2a3o步骤5将管段b3b2a2a3与管段b3a3并联,计算并(8)联后的阻抗S1,2,3:1VS1,2.3(9)1111b2a211Sb3b2a2a3Sb3a3(10)(11)(12)(13)(14)局部阻力第45卷海淡水冷水侧却侧器淡水冷却泵b4图5计算步骤分析图Fig.5 Analysis of calculation steps 经过上述步骤后,冷却系统计算模型可简化为图6所示。Q中海央淡水冷水侧却侧器淡水冷却泵图6 计算步骤分析图Fig.6Analysis of calculation steps?步骤6 参考图6,计算管段b4b3a3a4
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