船舶中央冷却水系统设计改进及发动机高温水温控方案探讨

96.0°C
高温水出机流量
Qo
21.3m3/h
温控旁通流量
Qi
53.7m3/h
温控阀的开度
λ
28.3%
85% 96.0°C 18.1m3/h 56.9m3/h 24.1%
75% 96.0°C 15.9m3/h 59.1m3/h 21.3%
50% 96.0°C 10.6m3/h 64.4m3/h 14.2%
中央冷却水系统设计改进及发动机高温水温控方案探讨 中央冷却水系统简介
典型的船舶中央冷却水系统如下图 1 所示，船舶发动机和船用设备均并联布置，即发动机的高、低 温水泵以及辅助冷却水泵从中央冷却器的出口抽取低温淡水然后输送至发动机以及各种船用设备进 行冷却，最后回水汇集在一起流入中央冷却器和海水系统发生热交换，冷却后再次进入冷却水泵的 吸口。淡水系统为闭式循环系统，而海水为开式循环系统。
SW
SW
SW 循环泵
Ma x. 3 8 ⁰C
船用设备 （如空调， 空压机等）
辅助淡水 FW 循环泵
海水 滤器
海水箱
图 3 中央冷却器水系统（带外部高温温控阀） 图 3 温控阀外部高温温控阀为分流式（mixing）方式，将两路不同温度的水进行混合从而控制水 温，管路接法见下图 4。
图 4 温控阀混流式（mixing）管路接法示意
燃油 冷却器
2#柴油机 发动机
高温 温控阀
滑油 冷却器
Nom. 91⁰C
高温 中冷器
燃油 温控阀
滑油 冷却器
Nom. 91⁰C
高温 中冷器
低温水 高温水
低温 中冷器
缸套
LT
HT
低温 中冷器
缸套
LT
HT
海水
SW
SW
SW 循环泵
中央 冷却器
Max. 38⁰C
船用设备 （如空调， 空压机等）
燃油 冷却器
2 #柴 油机 发动机
滑油 冷却器
高温 温控阀
No m. 9 1 ⁰C
高温 中冷器
燃油 冷却器
低温水 高温水
1#柴油机 发动机
高温 温控阀
滑油 冷却器
No m. 9 1 ⁰C
高温 中冷器
外部高温 Nom. 温控阀 75⁰C
低温 中冷器
缸套
LT
HT
低温 中冷器
缸套
LT
HT
中央 冷却器
海水
辅助淡水 FW 循环泵
海水 滤器
海水箱
图 1 中央冷却器水系统（无外部高温温控阀）
冷却水流量和热平衡计算
为了确定系统的设计参数，需要对系统各个回路的冷却水流量分布、温度进行计算。对于发动机来 讲，特定的发动机在一定的负荷下换热量要去可以从主机资料获取，但由于系统设计千差万别，以 及系统温控阀的调节作用，这也会对系统的流量分布产生很大影响。我们需要考虑温控阀对系统流 量和温度的影响。发动机内置的高温温控阀采用分流式（diverting）方式，将高温水出机温度控制在 91°C-96°C，温控阀在管路接法见下图 2。
中央冷却水系统的改进
为了克服图 1 中央冷却水系统的缺点，可以通过在外部系统设置温控阀来提高进机的高温水温度 至，原理见图 3。该外部高温温控阀对来自发动机的低温淡水（~55°C）和高温淡水（~96°C）进行 混合（mixing）后再接入发动机高温水入口，从而可将机水温度提升到（75~85°C）。通常采用直 接作用式温控阀，管路接法示意见图 4。也可采用电动温控阀，可以更加灵活的设定高温水进机温 度。最佳温度设定点需要考虑热回收设备的要求，同时也可考虑发动机自身特点进行选择。
25% 96.0°C 5.3m3/h 69.7m3/h 7.1%
可以看出发动机负荷越大，高温水出机流量越大，在低负荷时温控阀开度和高温水出机流量很小， 不利于热回收设备的优化选型，同时开度较小意味着阀芯长期处于不利位置，对阀的寿命也有影 响，甚至会因为外部因素的扰动导致温控阀频繁动作，导致高温水温度大幅波动。
发动机高温水最佳进机温度的选择
图 5 为直接作用式温控阀的内部机械结构，红色箭头为温控阀是冷却水在阀内部的分配和流向。为 了保持良好的温控效果，希望温控阀在正常工作时滑阀阀芯位置中间位置，此时对外界各种扰动更 容易及时反应，同时从长期运行的效果来说也可以保证温控阀的长期寿命。
图 5 分流式温控阀工作原理示意 实际上从图 5 温控元件的机械特性考虑，其工作温度范围约 10°C，在最小温度时温控阀是关闭的 （阀芯和阀座是闭合的），在最大温度时阀芯全开，阀芯的最大行程 10mm，工作行程 8mm。表 1 在计算高温水流量和阀的开度时假设温控阀的控制温度是固定值，只是一种近似计算，更精确的计 算应该建立更细致的温控阀和管路的阻力数学模型，这个将在另外的文章详细分析。
图 2 温控阀分流式（diverting）管路接法示意
这里介绍下发动机设置的分流式温控阀的流量计算原理，采用图 1 中央冷却水系统的布置型式可知 进入发动机的高、低温水入口处水温约 35-38°C，若已知高温水换热量可以很容易计算从发动机出 来的高温水流量ܳ௢。
ܳ௢
ൌ
3.6ߔு 4.15ሺܶ௢ െ
解答这个问题我们需要做一些假设，假设温控阀总是可精确的控制出水温度，而且发动机高温水散
热量和发动机的负荷呈线性关系，则可估算出在发动机不同负荷时的温控阀旁通流量ܳ௜，温控阀的 开度 λ 和发动机出口的流量成正比关系，据此可制作出下表：
表1 高温温控阀工作状态估算
发动机负荷
ߟ
100%
高温水出机温度
To
ܶ௖ ሻ
ሺ1ሻ
这里
ߔு 缸套和高温中冷器散热量，kW ܶ௢ 高温水出机温度，°C ܶ௖ 来自中央冷却器的低温水温度，°C 进一步可计算出温控阀旁通流量，即温控阀回流到高温水泵流量为
ܳ௜ ൌ ܳு െ ܳ௢
ሺ2ሻ
根据以上分析，我们可对发动机的温控阀状态以及高温水出机流量做出一定估算。如某发动机机带 高温水泵额定流量为 75m3/h，高温水额定功率（100%MCR）时的散热量为 1421kW，机带高温温 控阀设定点 96°C，低温水温度 38°C，请计算高温出机流量和温控阀开度状态。
图 6 温控元件的机械特性
当温控阀阀芯处于中间位置式，温控阀 C 口回流至机带泵的流量 和从阀 B 口流的出流量 相 等。根据热平衡和守恒原理，可以列出如下方程：
3.6
4.15
3
1
2
这里Φ 为高温侧散热量，Q 为高温水泵流量，T 为高温水出水温度，T 为 4V02 的温度设定点。根 据上面的方程组（3）可以解出外部高温温控阀的设定点T