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課題六 冷卻系統(tǒng) 第一節(jié) 冷卻系統(tǒng)的功用、組成和布置 一、冷卻系統(tǒng)的功用 ?。?）材料的機(jī)械性能下降，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力與變形，導(dǎo)致產(chǎn)生疲勞裂紋或塑性變形； ?。?）破壞運(yùn)動(dòng)部件之間的正常間隙，引起過度磨損，甚至發(fā)生相互咬死或損壞事故； ?。?）燃燒室周圍部件溫度過高，使進(jìn)氣溫度升高，密度降低，從而減少進(jìn)氣量；增壓后的空氣溫度也會(huì)升高，并影響進(jìn)氣量； ?。?）潤滑油的溫度也逐漸升高，粘度下降，不利于摩擦表面油膜的形成，甚至失去潤滑作用。 為了保證柴油機(jī)可靠工作，必須對(duì)柴油機(jī)受熱機(jī)件，滑油及增壓后的空氣等進(jìn)行冷卻。然而從能量利用觀點(diǎn)來看，柴油機(jī)的冷卻是一種能量損失。冷卻系統(tǒng)的主要任務(wù)應(yīng)是保證柴油機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作，達(dá)到既能避免零件的損壞和減小其磨損，又能充分發(fā)出它的有效功率。 目前，柴油機(jī)的冷卻方式分為強(qiáng)制液體冷卻和風(fēng)冷兩種，絕大多數(shù)柴油機(jī)使用前者。而液體冷卻的介質(zhì)通常有淡水、海水、滑油等三種。淡水的水質(zhì)穩(wěn)定，傳熱效果好并可采用水處理解決其腐蝕和結(jié)垢的缺陷，因而它是目前使用最廣泛的一種理想冷卻介質(zhì)；海水的水源充裕但水質(zhì)難以控制且其腐蝕和結(jié)垢問題比較突出，為減少腐蝕和結(jié)垢應(yīng)限制海水的出口溫度不應(yīng)超過55?C；滑油的比熱小，傳熱效果較差，在高溫狀態(tài)易在冷卻腔內(nèi)產(chǎn)生結(jié)焦，但它不存在因漏泄而污染曲軸箱油的危險(xiǎn)，因而適于作為活塞的冷卻介質(zhì)。 柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)一般是用海水強(qiáng)制冷卻淡水和其它載熱流體（如滑油、增壓空氣等）。在系統(tǒng)布置上，海水系統(tǒng)屬開式循環(huán)，淡水及滑油等屬于閉式循環(huán)，兩者組成的冷卻系統(tǒng)稱“閉式冷卻系統(tǒng)”。 1．開式循環(huán)冷卻系統(tǒng) 開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)是直接利用舷外水（海水或河水）冷卻各受熱部件，然后再排至舷外。 圖6-1為135系列柴油機(jī)的開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)。淡水泵將舷外水泵經(jīng)滑油冷卻器冷卻滑油后，一路由機(jī)體進(jìn)水管進(jìn)機(jī)，冷卻氣缸套和氣缸蓋；另一路去冷卻增壓器。冷卻過柴油機(jī)和增壓器的冷卻水，經(jīng)出水管排至舷外。為了控制冷卻水進(jìn)機(jī)溫度，缸蓋出水管末端內(nèi)裝有調(diào)溫器用以旁通已升溫的淡水，使它從回水管至淡水泵進(jìn)口。 開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是裝置簡單、維護(hù)方便，水源充裕，但存在如下缺點(diǎn)： ?。?）水中含有較多的雜質(zhì)和鹽分，容易生成水垢。 （2）出水溫度不得超過55?C，否則將會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)冷卻水腔結(jié)垢嚴(yán)重，傳熱效果降低，零件的熱應(yīng)力增加。 所以，開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)僅用于技術(shù)指標(biāo)不高的中、小型柴油機(jī)中。隨著船用柴油機(jī)強(qiáng)化程度的不斷提高，很少再采用開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)。 2．閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng) 在閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)中用經(jīng)過處理的淡水冷卻柴油機(jī)受熱部件，并在冷卻系統(tǒng)內(nèi)形成封閉循環(huán)線路。作封閉循環(huán)的冷卻淡水再由一個(gè)開式循環(huán)的舷外水通過淡水冷卻器進(jìn)行冷卻。 圖6-3為6NVD36型柴油機(jī)的閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)。在其海水系統(tǒng)中：海水由海水泵經(jīng)通海閥和濾器吸入，并壓送至滑油冷卻器冷卻滑油，然后又進(jìn)入淡水冷卻器冷卻淡水，最后經(jīng)排出閥排出舷外。海水泵排出管路接出一支管去冷卻壓氣機(jī)。 閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)： ?。?）淡水中所含雜質(zhì)和鹽分較少，腐蝕和結(jié)垢不嚴(yán)重，能保持機(jī)件良好的散熱。 ?。?）出水溫度可提高到75?C～90?C，進(jìn)水溫度也不受自然環(huán)境的影響，而且溫度還可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，使進(jìn)出口溫差較小，因此機(jī)件所受熱應(yīng)力不致過大。 ?。?）燃?xì)馀c冷卻水之間的溫度降減小，減小了傳給冷卻水的熱損失，可以提高工作循環(huán)的熱效率。 缺點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)較為復(fù)雜。 大型低速柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)一般是由幾個(gè)獨(dú)立的管系組成，分別輸送冷卻介質(zhì)去冷卻氣缸套和氣缸蓋、活塞、噴油器、增壓器、增壓后的空氣等。9ESDZ58/100型柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)有如下四個(gè)獨(dú)立冷卻管系： （1）空氣冷卻器管系（圖6-4）：增壓后的空氣經(jīng)過空氣冷卻器由海水進(jìn)行冷卻，海水泵將海水從舷外吸入經(jīng)進(jìn)水總管及支管通入空氣冷卻器，然后從出水支管匯于出水總管排出。在進(jìn)、出支管上均設(shè)有截止閥，以便調(diào)節(jié)或切斷進(jìn)入各空氣冷卻器的海水量。 （2）氣缸、氣缸蓋及增壓器冷卻管系（圖6-5）：淡水由淡水泵打入主機(jī)的進(jìn)水總管，由此分別進(jìn)入各氣缸水套空間下部，沿導(dǎo)向槽往上流動(dòng)，經(jīng)氣缸套上部隔圈從旁通彎管引入氣缸蓋，再由氣缸蓋進(jìn)入出水總管，然后一部分直接流回到循環(huán)水柜，一部分經(jīng)管路引到增壓器，冷卻廢氣和排氣蝸殼，兩部分的水量分配可以調(diào)節(jié)，以利于冷卻增壓器。通過閥門的關(guān)和開，可把對(duì)增壓器和對(duì)氣缸的冷卻改為并聯(lián)式。 ?。?）活塞冷卻管系：由淡水泵來的冷卻水經(jīng)進(jìn)水總管到各支管，再由伸縮管引入活塞頭部，冷卻活塞頭部后的冷卻水經(jīng)旁孔回到伸縮管的外部空間，經(jīng)出口流回到活塞冷卻水循環(huán)柜。 ?。?）噴油器冷卻管系：該機(jī)噴油器也用水冷卻，為了避免柴油混入整個(gè)冷卻水中，噴油器采用獨(dú)立冷卻系統(tǒng)。由淡水泵來的淡水經(jīng)總管、各支管進(jìn)入噴油器冷卻水腔，冷卻后的淡水匯集到排水總管回到循環(huán)水柜。 3．中央冷卻系統(tǒng) 這種冷卻系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是使用不同工作溫度的兩個(gè)單獨(dú)的淡水循環(huán)系統(tǒng)：高溫的熱淡水（約80?C～85?C）和低溫的溫淡水（約30℃～40℃）閉式系統(tǒng)。前者用于冷卻主機(jī)，后者用于冷卻熱淡水和各種冷卻器。受熱后的溫淡水在一個(gè)中央冷卻器中由開式的海水系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。因此，可保證只使用一個(gè)用海水作為冷卻液的冷卻器。 下圖所示為MAN/B＆W LMC/MCE型柴油機(jī)使用的中央冷卻系統(tǒng)。主機(jī)缸套冷卻水為熱淡水循環(huán)系統(tǒng)，發(fā)電副機(jī)缸套水為溫淡水系統(tǒng)。其主、副機(jī)缸套水循環(huán)系統(tǒng)主機(jī)活塞采用滑油冷卻，噴油器為非冷卻式。溫淡水由中央冷卻水泵3泵出分別冷卻主機(jī)滑油冷卻器4、空氣冷卻器5、主機(jī)缸套水冷卻器8，其回水經(jīng)總管匯集后流至中央冷卻泵3（共三臺(tái)）入口處。此溫淡水同時(shí)兼作發(fā)電副機(jī)缸套水，其出口水在航行時(shí)（閥A開啟，閥B關(guān)閉）流至單設(shè)的中央冷卻泵3入口處。在港泊期間（閥A關(guān)閉，閥B開啟），發(fā)電副機(jī)缸套冷卻水可用來給主機(jī)暖機(jī)。受熱后的溫淡水可在中央冷卻器2中由主海水泵1泵出的海水進(jìn)行冷卻。由此，簡化了船舶海水管系，使海水管系最短。此外在系統(tǒng)中裝有多個(gè)溫度傳感器10以及相應(yīng)的熱力控制閥9，可根據(jù)水溫的變化調(diào)節(jié)旁通水量大小。 LMC/MCE型柴油機(jī)使用的中央冷卻系統(tǒng) 中央冷卻系統(tǒng)有以下明顯優(yōu)點(diǎn)： （1）海水管系及中央冷卻器的維修工作減至最低限度； （2）氣缸冷卻水溫度穩(wěn)定，不受工況變化的影響，因而使柴油機(jī)始終在最佳冷卻狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)； （3）淡水循環(huán)可多年保持清潔，維修工作量極少。 中央冷卻系統(tǒng)也存在以下缺點(diǎn)：增加了中央冷卻器及其輔助設(shè)備與管系，因而投資費(fèi)用較高；由于附加管系的阻力損失，使泵送耗功也有所增加。在近代建造的現(xiàn)代化船舶中，大多采用中央冷卻系統(tǒng)。 第二節(jié) 冷卻系統(tǒng)的設(shè)備 一、水泵 水泵的功用是使冷卻水有一定的壓力，加速循環(huán)流動(dòng)。離心式水泵因其結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、排量大、工作可靠、制造容易，以及當(dāng)水泵由于故障而停止工作時(shí)，冷卻水仍可進(jìn)行自然循環(huán)，防止柴油機(jī)因局部過熱而損壞等優(yōu)點(diǎn)，在冷卻系統(tǒng)中被廣泛采用。缺點(diǎn)是吸頭低、揚(yáng)程小。 二、膨脹水箱 膨脹水箱設(shè)置在淡水系統(tǒng)的高處，各冷卻水管系出口的最高處均有細(xì)管與膨脹水箱相通，水箱底部用管子與淡水泵的進(jìn)口相通。膨脹水箱是閉式淡水系統(tǒng)中的重要機(jī)件，它有如下功用：①當(dāng)系統(tǒng)中的淡水受熱后膨脹或冷卻后收縮時(shí)，能提供膨脹收縮的余地；②能及時(shí)排出系統(tǒng)中的氣體；③當(dāng)?shù)舭l(fā)或系統(tǒng)有漏泄時(shí)能及時(shí)給系統(tǒng)補(bǔ)水；④高置的膨脹水箱還保證了淡水泵具有一定的吸入壓力；⑤膨脹水箱還可作為水處理的投藥處；⑥暖缸時(shí)也可通過它對(duì)淡水進(jìn)行加溫。 三、冷卻器 淡水冷卻器是用海水來冷卻封閉循環(huán)的淡水；滑油冷卻器是用水來冷卻潤滑系統(tǒng)中溫度升高的滑油；空氣冷卻器是用水來冷卻增壓后溫度升高的空氣。從熱交換的角度來看，它們都是熱交換器。近年來出現(xiàn)了一些較新式的板式熱交換器，但目前船舶柴油機(jī)上使用較廣泛的仍是管式熱交換器。淡水冷卻器結(jié)構(gòu)原理與前述滑油冷卻器相近。 四、調(diào)溫器 調(diào)溫器是柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)中的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備。柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要求冷卻水溫能維持在一定范圍。冷卻水的循環(huán)路線和流量由自動(dòng)調(diào)溫器來控制：當(dāng)水溫較低時(shí)，使冷卻水不去淡水冷卻器冷卻，只進(jìn)行有利于提高進(jìn)水溫度的“小循環(huán)”；當(dāng)水溫升高到一定數(shù)值時(shí)，再使冷卻水全部通過淡水冷卻器，進(jìn)行有利于降低進(jìn)水溫度的“大循環(huán)”；或者是一部分冷卻水作大循環(huán)，另一部分作小循環(huán)，使冷卻水匯合時(shí)得到適宜的進(jìn)水溫度。 目前調(diào)溫器的型式較多，但較常用的是波紋管調(diào)溫器和蠟質(zhì)調(diào)溫器。 圖6-9是波紋管調(diào)溫器工作原理圖。在波紋型密封容器2內(nèi)裝有易于揮發(fā)的乙醇或乙醚與蒸餾水溶液（比例為l∶2）。波紋管浸在冷卻水的出水流中，感受著出水溫度的高低，并產(chǎn)生不同的伸長或收縮。當(dāng)水溫低于所要求的數(shù)值時(shí)，主閥6關(guān)小或關(guān)閉，旁通閥3打開，使得一部分或全部冷卻水直接流向循環(huán)冷卻水泵的入口，不通過冷卻器。如果水溫達(dá)最大值時(shí)，波紋管膨脹到使主閥全開，旁通閥全關(guān)，致使冷卻水全部流向冷卻器。經(jīng)冷卻后再流至循環(huán)水泵入口。波紋管型式調(diào)溫器結(jié)構(gòu)簡單，但是由薄金屬片做成的波紋管工作可靠性差，使用壽命也短。 圖6-l0是蠟質(zhì)調(diào)溫器的一種結(jié)構(gòu)型式。它的感溫元件是由感應(yīng)器體8及密封在其中的石蠟組成，為了提高導(dǎo)熱性能，常在石蠟中加入銅粉。石蠟在82.5℃～83℃熔化成液體時(shí)體積膨脹特別大，通過膠管6推動(dòng)推桿4，控制與推桿相連的主閥1和旁通閥2。當(dāng)水溫達(dá)到最高值時(shí)，主閥1全開，通往循環(huán)冷卻水泵入口的旁通閥關(guān)閉，冷卻水全部進(jìn)入冷卻器經(jīng)冷卻后至水泵入口。這種調(diào)溫器對(duì)冷卻系統(tǒng)中的工作壓力不敏感，工作可靠，使用壽命較長，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 |
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