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20第三节冷却管系一、冷却管系的任务及组成内燃动力装置中有许多机械设备，在正常运行过程中不断地散发出热量，这些热量如不及时散发，机械设备的温度就不断上升以至超过容许界限而不能继续工作，造成严重事故，冷却系统的主要使命就是要解决这些机械设备的散热问题，从而保证各种机械设备正常工作。在舰船上需要散热的机械设备有：①主、辅柴油机，包括气缸盖、气缸壁、活塞、增压器等。②主、辅机的滑油冷却器、淡水冷却器、及增压空气中间冷却器等热交换器。③轴系的轴承、尾轴管和传动设备。④空气压缩机等。另外，压缩机等排出的气体以及废汽和凝结水等也都需要给以冷却，以适应工作过程的需要。由于在上述机械设备中，以主机散发出的热量为最多，冷却管路规模也最大。为了保证气缸工作容积壁部不受高温的影响，并保持气缸工作表面上润滑油膜，需要在其受热的壁部施行有效的冷却。此外，由于运动部件摩擦所产生的热量，必须从它的产生处，直接地与间接地通过润滑油将热量传递到冷却剂中，否则这些部分将大量积聚热量而引起损坏。发动机的单位功率提得愈高时，冷却则更加重要。不良的冷却将使气缸与燃料室的壁部有过高的温度，其后果将造成润滑油碳化、活塞环胶结，活塞过度磨蚀与咬合和排气阀过热等害处。二、冷却管系设计的一般要求钢质海船的冷却管系的设计要求见有关规定及本书有关章节介绍，而军用舰艇冷却管系的设计与布置应满足如下要求：（1）每台主机应有独立的冷却管系及循环水管系。（2）辅机一般应有独立的冷却水管系。若几台辅机共用一台海水冷却泵时，应设有备用泵或代用泵。（3）采用自流式冷却及循环水管系，除应满足主机各种正车工况外，还必须满足主机空车和倒车工况的要求。（4）登陆舰艇应考虑登滩前后一段时间内的主、辅机海水冷却。若采用压载水舱作为海水冷却循环水舱时，该舱的容量应满足上述时间内的主、辅机的冷却需要，并应有和舷外海水的转换装置。（5）滑油冷却器中的冷却水压力应低于滑油压力。（6）采用自流式循环水系统的主汽轮机组，必须设有一台循环水泵以满足主汽轮组最大倒车功率及舰船备航和低速航行时的需要。21（7）采用泵流式循环水系统的主汽轮机组，其主循环水泵应有代用泵，代用泵的排量应满足巡航功率时的需要。若主循环水泵系由二台独立动力泵组成时，则可免设代用泵。（8）循环水管路进、排水管与主机冷凝器的连接应有膨胀接头。（9）循环水管路一般应设有可调节海水流量的挡板装置。（10）辅冷凝器应有独立的循环水管系。管系中应有一台独立的循环水泵，并应有代用泵。（11）主汽轮机组滑油冷却器所需的冷却水一般应由主循环系统供给。若采用独立的海水泵供给时，则应设有备用泵或应急补水管路。（12）柴油机应采用闭式冷却水管系。（13）标准排水量在1000t以上的柴油机舰船，每一主机舱中至少应设有主机备用冷却的电动海、淡水泵各一台，其排量应满足一台主机最大功率时的需要。（14）柴油机的淡水冷却管系应设置能自动调节淡水进机温度的恒温器，并应设有手控装置。（15）柴油机的淡水冷却管系一般应设置高温警报装置。（16）柴油机的淡水冷却管系应有单独的淡水膨胀箱。采用封闭压力式的淡水膨胀箱应装设安全阀。（17）柴油机的淡水冷却管系中采用乳化防锈油作为淡水添加剂时，淡水管系内的橡胶件应采用耐油橡胶。（18）主柴油机的淡水冷却管系应备有海水应急接管，且有避免平时淡、海水相混的可靠措施。三、冷却管系的冷却方式由于所用冷却剂的不同而有不同的冷却方式，在舰船内燃动力装置中主、辅机最常用的，大致有水冷却和油冷却二种。1.水冷却方式采用水作为冷却剂，在内燃机上占很大比重，一般有开式冷却与闭式冷却二种。（1）开式冷却方式采用舷外水直接进行冷却，这种形式比较简单，海水泵自海底门经过通海阀，滤器吸入海水。从海水泵排出的海水则经过滑油冷却器，吸收滑油从柴油机带来的热量，然后进入发动机，经过气缸水套及气缸盖，排气管后，带走了它们的热量，最后汇集于总管推开单向阀而排至舷外去。水温调节阀根据离开发动机的海水温度自动调节回流管的热水流量，以保持发动机不致过热或过冷。油温调节阀则根据油温度的变化，自动调节流过滑油冷却水流量，以保持滑油温度基本不变。22这种冷却方式所需设备最简单，一般应用于小功率的舰船上。但这种海水直接冷却有很大的缺点：由于从舷外引进的海水中所质和盐含有的杂份将增加机件的腐蚀。沉积污垢后更减低传热功能，影响发动机运转。污垢的沉积与冷却水温度的提高有关，当海水温度高过50℃后，盐垢的沉图1-7开式冷却管系原理图积将迅速增长。由于季节或航区变化等原因，而过分降低海水温度时，缸壁等处内外温差大而且又不利于发动机的燃烧和润滑性能，大大降低柴油机的经济性。当海水温度高达50~55℃时，水垢就大量析出而积附在高温的传热表面上，比如，气缸盖、气缸套的冷却壁面上，而在局部死角、转弯等处也易形成积垢，这种积垢是不良热导体，妨碍了热量向海水的传导，工作时间越长，积垢就越厚，传热阻力就越大，引起局部过热，以致使气缸套壁内表面温度过高而发生破裂，因而开式冷却的海水温度被限制在55℃以下。对于中、大功率柴油机，要求气缸套等高温部件本身温度分布均匀，即温差要小，以保持高负荷时部件工作的安全可靠以及能有较高的热效率。所以通常都不采用这种开式冷却方式，只有在一些冷却温度较低的部件，如轴承空压机等采用此种方法。（2）闭式冷却方式由淡水去冷却发动机的高温部件后带走热量，然后再有海水去冷却淡水。也就是由舷外水冷却发动机的闭式淡水循环冷却系统。闭式冷却的优点是：①循环在主机内的水是清洁的淡水，因此不易产生水垢而发生管道堵塞的现象。②淡水不会产生积盐现象，因而能保证良好的传热效果，同时冷却水温可以不受盐分自海水中析出的温度限制，可以达到65~85℃，甚至在某些船上可高达95~110℃，这样高温件热表面与冷却水之间温差减小，被冷却水带走热量就减少，有利于提高热效率和热负荷。③暖机时关上舷外水，便能很快用图1-8闭式冷却管系原理图淡水加热循环滑油。闭式冷却系统的缺点就在于设备和管路比开式冷却系统复杂多了。23闭式冷却系统是由二套独立的管路组成：海水和淡水管路。①海水管路海水泵自舷外经过海底门吸入海水后先经过滑油冷却器，再经过淡水冷却器后排出舷外。②淡水管路淡水泵把淡水送入柴油机吸收热量后进入淡水冷却器，又把热量传给海水，降低了温度后的淡水又由淡水泵送入柴油机，从而在淡水管中不断循环。淡水温度调节器则根据柴油机淡水出口温度的高低来调节流过淡水冷却器的流量，从而实现调节进入柴油机的淡水温度。在淡水管路中设置了一个膨胀水箱，它的作用是：淡水在封闭管路中循环，它的体积会随着温度的变化而热胀冷缩，当淡水在管路中受热膨胀时，体积增加，管路中多出的淡水则贮存在膨胀水箱中。当淡水在管路中受冷收缩时，体积减小，膨胀水箱中的水补入管路。淡水受热温度升高时，其中有气体分离出来，这气体必须及时从管路中排出，否则会影响管路的正常工作，因此，为了排除这些气体，在进出发动机的淡水管路最高点引出管子与膨胀水箱上部相通，这样气体可通过膨胀水箱而逸入大气。膨胀水箱与淡水泵的入口有管路相通，运转中管路中损失的淡水可经此管补充，而膨胀水箱中淡水一般由淡水舱进行补充。同时，由于淡水温度较高，为了使淡水泵吸入口维持一定的压力，防止吸入时水产生汽化现象，以保证水泵的正常工作，因此膨胀水箱应设在柴油机气缸头以上高度，如布置有困难时可充入低压空气以使在整个管路中保持较高的水压，而避免产生汽化现象。有时为了缩短暖机时间，膨胀水箱内接入蒸汽管，供起动时用。四、冷却水带走热量的一般估计柴油机的冷却，其冷却水所带走的热量范围较大，各种不同类型的发动机的冷却水带走的热量，占发动机油耗总热值的百分数见表1-3。表1-3冷却水带走的热量（%）型式无气喷射排气管冷却时所需加的数值直接喷射式预燃式单作用式四冲程活塞不冷却25~3625~40四冲程发动机：6~8活塞冷却气缸及气缸盖18~2225~3119~2426~33活塞7~97~9单作用式二冲程活塞不冷却24~3028~33活塞冷却气缸及气缸盖15~1819.5~2617~2220~29活塞4.5~85~7双作用式二冲程活塞冷却气缸及气缸盖16~1823~26二冲程发动机：5~6.5活塞7~8单作用式四冲程增压活塞不冷却20~25活塞冷却气缸及气缸盖15~1821~28活塞6~824从表1-3中可以得到柴油发动机装置中计算冷却水热量的大致的百分数。根据这些带走的热量值来看，对于小型发动机往往较大，因为它比同类大型发动机的传热表面积与冲程容积的比率大。高速发动机的冷却水带走热量亦往往低于低速发动机；长行程发动机则低于短行程发动机。船用发动机转速变化中，通常在转速增高时传给冷却水的热量减少，但也有例外，特别是在具有分割式燃烧容积的发动机上，由于燃烧的恶化，或由于燃烧容积中气流速度的增高，得到相反的情况。小型发动机的传热情况优于大型发动机，故小型发动机容许较高的冷却水流出温度，大型发动机要求较多的冷却水量与较低的冷却水温度。1.冷却管系的设备估算（1）淡水泵排量一般可按下式计算：CttKNQRDepHtt)/(12g（m3/h）（1-29）式中tR——冷却水带走热量的百分率；pHQ——燃料低发热值（kcal/kg）；g——单位马力燃料消耗率（kg/Hp·h）；eN——发动机有效功率（Hp）；2t——冷却水出发动机温度（℃）；1t——冷却水进发动机温度（℃）；——淡水密度（kg/m3）；C——淡水比热（kcal/kg·℃）；K——裕度系数，一般取1.2~1.3。冷却水进出主机的温度选择，一般情况下取发动机说明书中要求即可。通常情况下，温度愈高则发动机的气缸磨蚀愈小，气缸的热应力也较小，发动机的耗油率可降低。若采用过度的冷却，将使气缸壁温度大为降低，使气缸壁与活塞环由腐蚀而致增加磨蚀程度。同时使燃烧物中所含的水蒸汽凝积于冷的气缸壁上，由于冷凝水吸收燃烧中的有机和无机的酸，故腐蚀更增强，在活塞环的上止点位置附近处尤甚。柴油机采用舷外水直接冷却时，由于海水温度超过55℃后将水套内盐分的析出和积垢更加迅速，而影响冷却面的导热率，故一般取50℃以下。当柴油机采用封闭式淡水冷却时，其冷却温度可提高到90℃，因一般冷却水泵的压头在1.2~1.3kgf/cm2左右，其相应的饱和蒸汽温度为104~107℃。若继续提高冷却水温度，就将产生汽化现象，使气缸壁的传热效率显著降低而影响发动机的正常运转。柴油发动机中，冷却水进出温度差一般采用10~15℃，不应超过17℃。温度差采用过大，对气缸壁冷却不均匀有影响，产生热应力较大。但温度差采用过小，则必须增加冷却水量和25发动机的冷却通道，故目前国内柴油机采用10~15℃的温差比较多。压头的大小按照发动机内及管路内的流阻来决定，根据现有设计资料一般采用20~30mH2O。（2）海水泵排量一般可按下式计算：hhepHhhCttKNQRD)/(12g（m3/h）（1-30）式中hR——海水带走的热量（其中包括淡水及滑油二个部分）；1t——海水进滑油冷却器的温度（当滑油冷却器置于淡水冷却器的前面时）（℃）；2t——海水出淡水冷却器的温度（℃）；h——海水密度（kg/m3）；hC——海水比热（kcal/kg·℃）；K——裕度系数，一般取1.2~1.3；压头一般取15~25mH2O。（3）淡水膨胀箱淡水膨胀箱是用来避免淡水受热膨胀时有使水管破裂危险的一种保护装置。当循环淡水温度太高，它的体积膨胀，这增加的过剩体积，就推进膨胀水箱中；而当它的温度降低或管路漏泄时，膨胀水箱里的水就随时补充到系统中去。在膨胀水箱的顶部设有空气管和溢流管，以便把系统中的空气、蒸汽、过多的冷却水排出，这样可以保证冷却系统中的压力稳定，有利于正常有效地进行工作。膨胀水箱上接有淡水补给管，当系统中无水或因蒸发，泄漏等原因减少时，由补给管向膨胀水箱补充淡水。系统中的水与大气接触的自由液面有水汽损失，水汽损失的数量和自由液面面积及水的温度有关。为了减少膨胀水箱的水汽损失，就需要减少自由液面面积，并使水箱内的水温较低。