船舶冷却水系统的研究与设计(初稿12)

船舶冷却水系统的研究与设计(初稿12)
分类号密
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U D C 单位
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船舶冷却水系统的研究与设计
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指导教师职称教授
学位授予单位大连海事大学
申请学位级别硕士学科与专业轮机工程
论文完成日期2017年4月5日论文答辩日期2017年4月20日
保密□，在年解密后适用本授权书。

本学位论文属于：保密□
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论文作者签名：导师签名：
日期：年月日
摘要
众所周知，船舶中央冷却系统作为保障船舶主机稳定运行重要辅助系统之一，对于船舶的整体性能起着不可替代的作用。

船舶中央冷却系统主要是通过低温冷却水的温度循环，从而在此基础之上带走一部分主机散发出来的的热量，从而避免了因大量热量的积累而造成的金属疲劳脆化和润滑油的失效。

所以可以说主机冷却系统性能将会直接影响到船舶主机的工作性能，当然想要充分发挥船舶主机冷却水系统的性能，就需要了解它在工作时的热力水力动态过程，并且根据其冷却的机制来设计新的更加高效的中央冷却系统。

在本文中正是基于此，从理论层面上，研究出了一种新的冷却系统，这款新的中央冷却系统与以往的冷却系统不同的是，这种冷却系统不仅可以提供其冷却效率，还可以实现船舶能源的利用的最大化，在此基础之上从而进一步实现尽可能大的能源的最大利用效益，从而在能源的可持续发展理论指导下，使得船舶的能源消耗降到最低。

并且本文最后利用计算机仿真系统对该款中央冷却系统进行了系统仿真测试，测试结果进一步显示，本设计可以有效达到一般中央冷却系统设计基本要求，并且可以在经过进一步研究之后正式投入实际生产运用。

本文的研究主要是以实习船的主机中央冷却水系统作为研究的模型参照基础，通过对各换热器和柴油机主机换热的热力分析，在此基础之上再得到主机冷却水系统的热力数学模型，以此实现对于中央冷却系统的综合的了解。

在此基础之上，本文开发出新的中央冷却系统，使得船舶能源可以实现循环使用，将传统的中央冷却系统与船舶的发动系统进行一定程度的挂钩，实现多能源协调发动，进一步在提高中央冷却系统性能同时也进一步提高船舶的能源利用效益。

本文的研究对于船舶中央冷却系统的设计具有一定的启发意义，有助于进一步提高中央冷却系统的工作性能，进而提高整个船舶的工作性能。

本文的研究充分运用计算机软件，对于新型的节能高效的中央冷却系统进行了理论层面的论证，并且经过仿真测试后，得出了这在原有基础上经过改进的中央冷却系统是符合设计预定要求的基本结论。

在本文的研究将中央冷却系统分为各个具体功能的子对象，经过分类封装后，使得其交互都可以通过外部接口来有效实现。

仿真实验结论显示，这款高性能的中央冷却系统在理论层面上达到预定
目标，可以在今后经过进一步的研究后，有望在将来的进一步的跟踪研究之后就正式投入实际使用当中。

关键词：船舶主机；中央冷却水系统；仿真测试；研究设计
Research and design of ship cooling water system
Abstract
As everyone knows, the ship central cooling system as to ensure the stable operation of the host important auxiliary system for the overall performance of the ship plays an irreplaceable role. The ship central cooling system is mainly through the low temperature cycle of cooling water, and on the basis of taking part host comes out of the heat, so as to avoid the failure caused by a lot of heat accumulation of the metal brittle fatigue and lubricating oil. So it can be said that the main engine cooling system performance will directly affect the performance of the main engine, of course, want to give full play to the performance of main engine cooling water system, there is a need to understand its thermal and hydraulic dynamic process at work, and according to the cooling mechanism design the central cooling system of new and more efficient. In this paper is based on this, from the theoretical level, developed a new cooling system, The new central cooling system and cooling system in the past, this cooling system can not only provide the maximum cooling efficiency, also can realize the use of a ship energy, to achieve maximum benefit by energy, resulting in the sustainable development theory of energy, so the energy consumption of the ship down to a minimum. And finally, using the computer simulation system to test the central cooling system, test results show that this design can meet the requirements of the general design of central cooling system, through further research can be put into practical use.
This study is mainly to host the central cooling water system training ship as the foundation, through the heat of the heat exchanger and main engine is analyzed, based on the obtained thermodynamic mathematical model of main engine cooling water system, in order to achieve the comprehensive understanding of the central cooling system. On this basis, this paper developed a central cooling
system, which can realize the ship energy recycling system, will launch the central cooling system and the conventional ship was linked to a certain extent, realize energy coordination launched further in the performance the high central cooling system also further improve the efficiency of ship energy utilization. This research has a certain significance for the design of marine central cooling system, help to further improve the performance of central cooling system, and improve the work of the whole ship Can.
The paper makes full use of computer software, the central cooling system of new energy saving and high efficiency are discussed in theory, and through the simulation test, and obtained a central cooling system improved on the original basis. In this study the central cooling system is divided into the specific function of the sub object, after classification and packaging, the interaction can be achieved effectively through the external interface. Simulation experimental results show that the high performance of the central cooling system reaches the predetermined target at the theoretical level, can in the future through further research and put into practical use.
Keywords: diesel engine; central cooling water system; simulation test; research design
目录
第1章绪论 0
1.1 研究课题背景 0
1.2 课题研究目的和意义 (2)
1.2.1 船舶冷却系统传统设计的特点 (2)
1.2.2船舶冷却系统现代设计所做的工作 (2)
1.2.3 课题研究的意义 (2)
1.3 国内外研究综述 (2)
1.4 本文主要研究内容....................................................... 错误!未定义书签。

第一章船舶的冷却水系统设计综述............................................. 错误!未定义书签。

2.1 船舶冷却系统简介....................................................... 错误!未定义书签。

2.2 船舶主机冷却水系统的发展 (5)
2.3 船舶冷却系统的基本形式........................................... 错误!未定义书签。

2.4 船舶冷却系统的组成................................................... 错误!未定义书签。

2.4.1 高温淡水冷却系统.................................................... 错误!未定义书签。

2.4.2 低温淡水冷却系统.................................................... 错误!未定义书签。

2.4.3 海水冷却系统............................................................ 错误!未定义书签。

第三章本文设计方法探讨................................................ 错误!未定义书签。

3.1 优化设计方法研究....................................................... 错误!未定义书签。

3.1.1 优化设计的概念及特点............................................ 错误!未定义书签。

3.1.2 优化设计的发展及其应用........................................ 错误!未定义书签。

3.1.3优化设计的数学模型................................................. 错误!未定义书签。

3.2优化设计的求解途径.................................................... 错误!未定义书签。

3.2.1数值迭代法的迭代格式............................................. 错误!未定义书签。

3.2.2迭代计算的终止原则................................................. 错误!未定义书签。

3.3约束多维问题的最优化方法的选取............................ 错误!未定义书签。

3.3.1最优化设计方法选取的重要性与必要性 ................ 错误!未定义书签。

3.3.2应用于船舶冷却系统设计的优化方法的选取 ........ 错误!未定义书签。

第四章船舶冷却水系统仿真............................................ 错误!未定义书签。

4.1仿真平台介绍工具........................................................ 错误!未定义书签。

4.1.1 JFlow工具 ................................................................. 错误!未定义书签。

4.1.2 仿真执行工具SimExec ............................................ 错误!未定义书签。

4.1.3系统仿真实现............................................................. 错误!未定义书签。

4.2 主要仿真界面实现 (7)
4.3 海水冷却系统仿真界面 (7)
4.3.1 主机中央冷却水系统的组成 (8)
4.3.2 低温淡水冷却系统仿真界面 (8)
4.4 稳态仿真结果 (10)
4.5 系统优化与创新点分析 (10)
第5章结论与展望 (12)
5.1 研究结论....................................................................... 错误!未定义书签。

5.2 工作展望....................................................................... 错误!未定义书签。

参考文献 ........................................................................................... 错误!未定义书签。

攻读硕士学位期间公开发表论文情况 (45)
致谢 (45)
研究生履历 (45)
第1章绪论
船舶主机中央冷却系统在诸多方面较其他主机冷却系统更具优势，所以在当前新一代制造的船舶大多安装了这种系统。

主机中央冷却系统是成为当代船舶冷却装置的发展过程中一个比较有效的改进，从而可以进一步提高船舶主机的温度调控效率。

该主机冷却系统主要和主要以柴油机为主要的动力来源的船舶相互匹配，主要提高以降低柴油机为动力装置主体的运营效率。

本文的相关创新研究主要是基于所在学校所提供的实习船舶作为模型，以此为基础进一步有效研究并且尝试利用改进后的中央冷却系统来实现有效改善该船舶的性能，本文研究主要围绕中央冷却系统的理论研究与实际计算机仿真作为研究的主要组成部分，且本文的研究新一代改进的中央冷却系统方式，不仅在原有的结构功能部件基础上实现利用舷外海水来进行主机的温度调控，还可以在此基础之上通过新的更加高效的低温冷却系统来对主机的温度进行有效的冷却处理，使得其不至于因为温度迅速增加而使得其周围的零部件受到重大的损伤。

在此基础之上，还通过进一步的设计构思将中央冷却系统与船舶的动力装置两者创新地结合在一起，使得中央冷却系统冷却下来的能源不仅可以用来作为船舱的暖气装置，还可以和温控发动机并联，从而实现多能源共存，使得能源的利用效益从理论层面达到最大。

本文设计的中央冷却系统的基本的设计特点是，在中央冷却器工作时候，舷外海水也就不再进一步去冷却各种换热器，并且在此基础之上再通过封闭的中央制冷系统与动力装置进一步有效实现并联，使得中央冷却系统取得的热能可以实现再利用。

但是在船舶中央冷却系统工作时候，还有很多细节方面没有得到足够的重视，使得中央冷却系统为主导的船舶受到损伤的几率也一直难以得到降低，所以有必要对船舶中央冷却系统展开进一步研究，相信本文的研究可以进一步促进船舶中央冷却系统的理论的进一步发展与完善。

1.1研究课题的背景
中央冷却系统的主要功能，主要是使得船舶主机温控机制更加锦上添花。

具体而言，它主要是通过冷却水的循环使得主机在运转过程中所产生的的热量得到及时的冷却，从而达到基本的散热调控的目的。

在船舶主机工作期间，无论主机
温度过高过冷都对主机的工作极为不利，过高损伤零部件，过冷环境则会进一步使得其工作期间的废气排放迅速增加，并且因为不完全燃烧使得热损失进一步变大，使得船舶的能耗升高、污染加大。

当然在这个过程中，主机缸套冷却系统对主柴油机缸套的合理冷却主要是有助于减轻主机缸套的进一步的磨损造成的损伤，也正是基于此，其实船舶主机缸套冷却水系统的性能高低其实会影响船舶主机工作的效率，而要想达到进一步改进船舶中央冷却系统的工作的基本的性能，就需要去进一步了解它在工作时的基本的动态反应流程，并且在此基础上再进行有效的性能改进，以此做到有效提高船舶基本的中央冷却系统基本的工作性能，这也使得船舶的主体的性能都可以因此而得到进一步的迅速提高，这是本文研究的重要的立足点，在此基础之上再进一步实现整体的质量的提升。

当代的该领域的研究中，更加倾向于运用计算机仿真来辅助研究，也就是先设计相应的系统，然后在此基础之上再结合计算机仿真技术，利用各种理论模型来对新一代中央冷却系统理论进行论证，这样的理论模型既包括数学模型，同时也可以是物理模型，利用这些模型对该系统进行比较充分理论论证后得出本文的研究结论。

利用计算机仿真技术完全可以在计算上就实现多次重复的试验运行，从而在试验中发现并且解决可能潜在的问题，并可以进一步验证方案的可行性。

国外计算机仿真技术在几十年前就早已经开始运用于船舶领域，从而这使得国外在该领域具有一定的研究积淀，在此基础之上经过充分完善论证的仿真理论还被进一步具体应用到船舶领域多个研究方向，甚至开始进一步在军工、能源材料、生物工程技术等的研究都开始使用到一定的仿真技术。

当然主要是随着计算机图形技术逐渐发展，从而使得通过运用计算机来辅助船舶技术的研究成为一个比较突出的研究方向，得到广大的研究者得欢迎。

而且在具体的仿真系统中，界面还可以在显示仿真状态时候，且可允许分析者与仿真系统进行实时的对话，并且及时发现修改系统参数，由此达到改变仿真状态的目的。

另一方面，随着计算机仿真技术的迅速的进步，使得船舶的技术仿真研究形成一边倒的趋势，也就是大多数的研究目前主要是基于计算机仿真实验来进行，这也可以进一步使得研究的成果达到最大同时，还可以使得研究的成本投入达到最低。

本文研究过程当中将建模工作进一步分散进行并且同时进行，以此做到缩短系统开发周期的基本目的。

在本文的研究中，主机中央冷却水系统的建模与仿真可以说是至关重要的一
环，因为除了理论层面的设计之外，这之后的研究工作大都基于计算机软件的时机演示来进行，并且在实时的演示状态中进一步发现并且解决这过程中所发现的部分较小问题。

另一方面，船舶主机系统作为船舶的重要的组成系统，它对于中央冷却系统有着极大的依赖性，两者的共存性、互利性决定了提高这其中一个的性能，必定将会提高另外一者的性能。

本文所做的工作主要是基于理论层面上，将船舶的中央冷却系统进行有效的改进同时，还将其与船舶的动力装置实现互联，以此实现未来船舶高效益能源利用。

1.2 课题研究目的与意义
一方面因为一般而言船舶中央冷却系统的淡水侧温差通常显得比较低，而且其系统换热效率也较低，在此基础之上显然非常有必要对其设备的冷却设计进行比较深入的了解与充分的探讨，这之后再采用更先进的冷却设计系统，这使得新的设计的冷却系统可以实现能源的循环利用，从而最大范围的使得设计出来的中央冷却系统可以在最大范围内达到提高能源的利用效益的基本目的。

本文的研究通过对板式冷却器展开进一步的的研究，并且将其重点与处于封闭状态的温控动力装置并联在一起，从而进一步使得散发出的余下的热能可以实现再循环利用，从而进一步保证中央冷却系统在达到最合适的调控温度的同时，还可以实现节约能源基本目的，符合现代可持续发展思想。

在此基础之上本文还充分地分析总结较低海水环境温度和部分负荷率工况下的中央冷却器换热参数的计算方法，并且在此基础之上再加以改进并且与计算机软件系统实现结合，从而使得研究出来的结论以数学模型的方式进行论证，并且最后再进行仿真，经过仿真实验之后，才最终确认研究成果符合预定设计要求，达到系统标准指标。

本文研究通过改进其船舶的中央冷却系统的功能，并且使其与动力装置实现并联，以此进一步促进能源的利用效率，使得其性能得到促进同时，实现能源的可持续发展，从而进一步促进船舶的综合效益的提升。

1.3国内外研究综述
本文的研究的当然主要都是基于建立数学模型进行论证，这之后再利用计算机软件系统实现仿真研究，计算机仿真软件是在实验前期理论相关理论模型设计的实验系统，；利用该系统可以对本文研究的出的新一代中央冷却系统进行反复论证实验，在此过程中就可以做到对该设计系列进行验证与完善，仿真实验通过转换研究方式，运用计算机仿真实验研究方式来代替具体的实物实验，从而尽最大可能地降低研究的成本，并且做到最大的科研产出。

通常船舶中央冷却系统都采用淡水强制冷却主机的迅速受热的高温部件，在主机中央冷却系统的系统的布置上主要属于闭式循环，而与之相匹配的海水冷却系统则属于开式循环，外加高温冷却系统与循环控制核心系统，最终则组成本文所设计的中央冷却系统。

中央冷却系统主要是出现在近几年，在这之前很长一段时期的主机冷却系统主要由淡水冷却系统与海水冷却系统两部部分所共同组成，而在这类冷却系统的结构上却管路复杂，热交换器却显得众多，就挣个船舱而言显得布置较为困难，且体积总量太过于庞大，使得其检修也显得比较复杂，这些不足使得之前的一般冷却系统不能满足实际的工程船舶作业要求，因此被近几年新出现的中央冷却系统迅速取代，在结构上，中央冷却系统拥有诸多的一般冷却系统所不具备的有点，比如在结构上被清晰地分为三个主要的组成单元，也就是高温淡水冷却装置、低温淡水冷却装置、海水冷却装置所组成，不仅在管道铺设时更加简洁高效清晰使得主机中央冷却系统自身的维修更加简单容易，而且其在能源节约更加具有优势。

(1) 国外船舶中央冷却系统建模与仿真研究的动态
随着计算机的诞生及其仿真技术的进一步的发展，通过建模与仿真来开展科学研究开始成为科学研究的一个比较重要的手段，尤其是对于船舶中央冷却系统的研究更需要进一步借助于仿真系统来进行。

也正是因此，在国外从上世纪30年代开始，各行各业的科技研究都开始转向计算机仿真研究来代替以前的实物实验，从而尽最大可能的降低研究的成本，提高研究的科学性、准确性，在船舶的中央处理系统的研究上也正是在这段时间被迅速转向仿真研究方向，并且不可扭转的成为现当代研究的一个基本的思路。

到了1930年左右，美国、英国、法国等国家相继在武器研究，重要民生科技研究方面相继使用仿真研究来代替传统的实物实验，从而从根本意义上不仅做到了节约人力物力，还可以进一步使得研究的结果更加直观和科学化、专业化、直观化、便捷化。

随着全球范围内，对于能源的有效利用被越来越重视，倾向于节能的中央冷却却系统被越来越受到重视，在国外的最新的中央冷却系统虽然相对于传统的冷却系统具有诸多的优势，但是在在该系统内部仍然存在着海水冷却系统功率过大，而且其运行的时间不够长，而且在海水冷却系统结构设计上主要还停留在人工控制的阶段等等一系列问题，这也进一步造成比较严重的能源浪费问题，这一问题一直都没有被国外相关领域的专家所解决，当然就目前而言该问题仍然是国外研究的主要方向，也就是进一步通过结构的改进以及系统的升级，从而使得中央冷却系统的能源的效率进一步提高。

在国外的中央冷却系统的设计当中，主要都是对之前出现的一般的冷却系统的进一步有效改进升级优化设计，也就是以FATEK 作为上位机监控台，并且在此基础之上，中央冷却系统的组成核心部件中主要包括Siemens1214C作为基本的下位机控制器，除此之外还包括ABBACS510作为驱动海水电机的变频器，并且还进一步综合了主机辅机运行功率，海水温度、淡水温度等等其他的配套的附带结构。

通过多方面因素来有效计算变频控制阀来自动调节海水的最低的最低的适应流量，在这之后再实现能源的进一步有效利用。

(2) 国内船舶中央冷却系统建模和仿真的研究动态
在我国，对于船舶的建模与仿真研究相对其起步显得比较晚，相对于国外来说其研究的历史相对更加短，但是在近几十年，我国的该方面的研究与运用获得了极大的发展。

就目前而言，我国的多个领域已经实现了仿真实验全覆盖的趋势，使得我国的科技研究显得更加效益化，尤其是在船舶中央处理系统研究开发方面更是如此。

直到到了上世纪六十年代，我国的主要目的还主要是停留在交通工具等比较重大的项目才会采用仿真实验方式辅助研究，到了七十年代，我国已经将仿真技术推广到了各个比较大的研究方面。

就当前而言，我国已经有大量的公司、高校和科研机构都在对主机冷却水系统的改进进行研究，而研究的主要手段之一就是充分借助于计算机软件实现全方位的仿真研究。

国内的中央冷却系统相对于国外而言要显得比较缓慢一些，国内中央冷却系统主要是在一般冷却系统的基础之上进行改进，这之后主要是对于中央冷却系统的一些局限性的改进，譬如对于主机中央冷却系统的耗油问题的解决，对于主机中央管道系统的复杂的优化设计，对于中央冷却系统的体积与重量的精简等等，
这些都促使国内的中央冷却系统研究更加关注降低能耗、提高能源的利用效率上的相关研究。

并且在这后通过自动变频控制海水转速的利用进一步针对传统的高能耗、低效率的缺点，在此基础之上对这些比较突出的缺陷进行优化改进，使得经过优化后的中央冷却系统可以综合主机辅机的多个因素来进行变频控制海水的最低的最低适应利用，以此来做到尽最大的努力使得能源的利用可以进一步最大化，并且在此基础之上再尽可能降低能源的损耗，使得可以使得能源的利用效率得到质的提升。

当代在我国的工程船舶研究设计制造过程中，对于中央冷却系统的系统渗入研究还不足，但是显然就目前而言国内大部分的造船工业整体上已经开始引入中央冷却系统的概念轮廓，尤其是国内比较大的船舶制造公司越来越注重设备的自身的可靠性、使用的持久年限，因为中央冷却系统自身建构比较简单，一般不容易有故障发生，但是在成本上，尤其是在不断地船舶的研究设计上的成本不断攀升的情况下，对于成本更加低廉的研究方法的研究方法也就自然而然更加容易的得到国内研究人员的青睐。

1.4本文主要研究内容
本文在第一章首先通过绪论的简洁概述来进一步引出下文，在此基础之上再主要对选题背景和选题的意义以及国内外的研究动态作了比较系统的阐述，这之后在第2章之后就开始对传播中央冷却系统进行理论概述，并且对其原理进行具体的深入的研究分析，在第二章当中，其实主要都是引入船舶中央冷却系统的相关的概念并且以一定的数学模型对其进行分析论证，在这之后再结合学校实习船的结构特征，进一步分析了与之相关的理论模型的相关原理，该部分研究其实所起的作用主要是为后文进一步研究探讨打下基础。

在该章之后，开始探讨研究的方法以及具体的研究使用的数学模型，并且对相关的方面进行理论上的进一步探讨。

这之后再利用相关理论模型对最后的新一代的中央冷却系统的系统可行性进行设计论证，以此得出最后的结论说明研究结论符合预定的要求标准。

并对所得到的。