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摘 要：中小型船舶的主机大多使用四冲程柴油机，采用的是水冷系。而冷却水量取决于主机在运行过程中被冷却的部件需要带走的热量，本文应用热力学第一定律，结合58 m 锚处理/锚供应拖轮的设计及建造实例，针对船舶主机冷却水系统，提出一种估算冷却水量的方法。
关键词：船舶主机；冷却水系统；水量估算
Estimation of Cooling Water Volume for Ship Main Engine
ZHENG YiMing, HE LingFeng, PAN Deng
( Hin Lee (Zhuhai) Shipyard Co., Ltd. Zhuhui 519185 )
Abstract: For most small and medium sized vessels the four-stroke diesel engine with water cooling system is used. With the 58m anchor handling/anchor supply tug as design and construction example, this paper presents a method for estimating cooling water volume of ship main engine according to the first law of thermodynamics.
Key words: Ship main engine; Cooling water system; Estimation of water flow
1 前言
船舶在设计时，需要结合船舶参数以及船东的特殊要求来考虑设备正常运行的各种条件，例如主机冷却水量是否足够，油温是否会超标等，只有满足了这些条件，才能确保船舶主机能够正常使用。本文应用热力学第一定律，结合58 m 锚处理/锚供应拖轮的设计及建造实例，提出一种估算船舶主机冷却水量的方法。
2 主机冷却系统
中小型船舶的主机大多采用四冲程柴油机，采用的是水冷系，水冷系的主要功用是把柴油机受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。冷却水量取决于主机在运行过程中被冷却的部件需要带走的热量，如何估算这部分热量就是本文要解决的问题。
3 热学定律应用及估算原理
能量守恒定律指出：能量可以从一种形式转化为另一种形式,从一个系统传递给另一个系统，但在转换和传递时，能量既不可能被创造，也不可能被消灭。作者热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热力系统中的具体应用。当系统与外界发生能量传递与转换时，热力学第一定律可表述如下：
进入系统的能量=系统中内能的增加+离开系统的能量。
对柴油机进行热分析，持续运行的柴油机的热系统是一个稳态的开口系统，处在动态的平衡中。柴油机燃烧柴油，把柴油的化学能转化为热能，这些热能的主要有以下四个去向：
①转化为机械能输出，即功率输出；
②以辐射的形式被空气带走；
③由排出的废气带走；
④由冷却水带走。
所以不管柴油机内部的冷却系多复杂，把燃烧柴油产生的热能，以及①、②、③的能量估算出来，就能得出④，即冷却水带走的热量，从而知道所需的冷却水量。
4 58 m锚处理/供应系列拖轮冷却水量估算实例
本系列拖轮为我司成熟船型之一（已建造多艘且目前使用良好），可全回转，拖力大，性能优越，是比较典型的海洋平台供应船，能在阿拉伯海湾的任何海域及任何条件下进行作业,成品已获得船东的一致认可。该系列拖轮安装两台主机，主要参数：
主机Niigata 6L28HX
功率1 838 kW（2 500 hp）
转速750 r/min
燃油消耗率0.194 kg / kW·h
排气温度330℃
燃油消耗量：357 kg / h
4.1 柴油燃烧产生的热能
柴油机的燃油消耗率是在ISO3046-1:2002E规定的基准条件下，即空气温度为25 ℃，大气压力1 000 Mbar,燃油的低热值为42 700 kJ/kg下的燃油消耗，所以柴油燃烧产生的热能：
E1 = 42 700·P·g/3600 （1）
式中 E1—— 柴油燃烧产生的热能 （kW）
P —— 柴油机的最大持续功率（kW）
g —— 柴油机在P时的燃油消耗率（kg / kW·h）
代入参数得 E1 = 42 700×1838×0.194/3 600 = 4 229 kW
4.2 柴油机的热辐射热量
四冲程柴油机的热辐射热量为：
E2 = 0.396·P0.76 （2）
式中 E2—— 柴油机的热辐射热量 （kW）
P —— 柴油机的最大持续功率（kW）
代入参数得 E2 = 0.396×18 650.76 = 120 kW
4.3 柴油机排气带走的热量
柴油机的排气量一般在技术规格书中列出，如缺乏数据，可用下面公式进行估算：
q = α·L0·β + β （3）
式中 q —— 柴油机的排气量 （kg / h）
α—— 空气裕度系数，四冲程柴油机为2.1～2.6 ；
L0 —— 燃烧1 kg燃油所需的理论空气量，一般为14.3（ kg）；
β—— 燃油消耗量（kg / h）。
取α=2.35，代入参数得 q = 2.35·14.3·357 + 357 = 12353 kg / h
柴油机排气带走的热量可用下式估算：
E3 = c·q·( T - 25 ) / 3 600 （4）
式中 E3 —— 柴油机排气带走的热量 （kg / h）
c —— 柴油机排气的质量热容，为1.055 （kJ / (kg·K)） ；
q —— 柴油机的排气量；
T —— 柴油机的排气温度，四冲程柴油机为320 ℃～360 ℃ 。
则代入参数得 E3 = 1.055×12 353×（330-25）/ 3600 = 1 104 kW
4.4 需要冷却水带走的热量
根据热能转化，由式（1）、式（2）、式（4）可得由冷却水带走的热量为：
E4 = E1 - E2 - E3 - P （5）
式中 P —— 柴油机的最大持续功率 （kW）。
代入以上计算结果得 E4 = 4 229-120-1 104-1 838 = 1 167 kW
4.5 需要冷却水量
要带走如上的热量，需要的冷却水量可用下式估算：
Q = 3 600·E4 / (C·(t2-t1)) / ρ （6）
式中 Q —— 需要的冷却水量 （m3 / h）
E4 —— 由冷却水带走的热量 (kW) ；
C —— 冷却介质的比热，
海水为3.935 6（kJ / (kg·K)），淡水为4.1868（kJ / (kg·K)）；
t1 —— 冷却水进机温度；
t2 —— 冷却水出机温度；
ρ—— 冷却介质密度，海水为1 025 kg/m3，淡水为1 000 kg/m3。
代入参数得 Q = 3 600×1 167/(4.186 8×(60-40)) /1000 = 50 m3/h
5 结论
上述结果一般比柴油机实际运行时需要的冷却水量略小，原因是以上用的是柴油机在不带任何机带泵时的燃油消耗率，而该型号的主机都带有机带燃油泵，机带滑油泵等，实际油耗要比计算的值大。根据主机厂家Niigata提供的冷却泵的流量为60 m3/h，比计算结果大了约20%。结合经验，通常最后取值为计算结果的1.2倍即满足使用。
参考文献
［1］国家科委和国际新闻出版总署联合批准出版[J].船舶(5).2005
［2］中国船舶工业总公司编.船舶设计使用手册, 轮机分册[M]. 北京：国防工业出版社.1999
关键词：船舶主机；冷却水系统；水量估算
Estimation of Cooling Water Volume for Ship Main Engine
ZHENG YiMing, HE LingFeng, PAN Deng
( Hin Lee (Zhuhai) Shipyard Co., Ltd. Zhuhui 519185 )
Abstract: For most small and medium sized vessels the four-stroke diesel engine with water cooling system is used. With the 58m anchor handling/anchor supply tug as design and construction example, this paper presents a method for estimating cooling water volume of ship main engine according to the first law of thermodynamics.
Key words: Ship main engine; Cooling water system; Estimation of water flow
1 前言
船舶在设计时，需要结合船舶参数以及船东的特殊要求来考虑设备正常运行的各种条件，例如主机冷却水量是否足够，油温是否会超标等，只有满足了这些条件，才能确保船舶主机能够正常使用。本文应用热力学第一定律，结合58 m 锚处理/锚供应拖轮的设计及建造实例，提出一种估算船舶主机冷却水量的方法。
2 主机冷却系统
中小型船舶的主机大多采用四冲程柴油机，采用的是水冷系，水冷系的主要功用是把柴油机受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。冷却水量取决于主机在运行过程中被冷却的部件需要带走的热量，如何估算这部分热量就是本文要解决的问题。
3 热学定律应用及估算原理
能量守恒定律指出：能量可以从一种形式转化为另一种形式,从一个系统传递给另一个系统，但在转换和传递时，能量既不可能被创造，也不可能被消灭。作者热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热力系统中的具体应用。当系统与外界发生能量传递与转换时，热力学第一定律可表述如下：
进入系统的能量=系统中内能的增加+离开系统的能量。
对柴油机进行热分析，持续运行的柴油机的热系统是一个稳态的开口系统，处在动态的平衡中。柴油机燃烧柴油，把柴油的化学能转化为热能，这些热能的主要有以下四个去向：
①转化为机械能输出，即功率输出；
②以辐射的形式被空气带走；
③由排出的废气带走；
④由冷却水带走。
所以不管柴油机内部的冷却系多复杂，把燃烧柴油产生的热能，以及①、②、③的能量估算出来，就能得出④，即冷却水带走的热量，从而知道所需的冷却水量。
4 58 m锚处理/供应系列拖轮冷却水量估算实例
本系列拖轮为我司成熟船型之一（已建造多艘且目前使用良好），可全回转，拖力大，性能优越，是比较典型的海洋平台供应船，能在阿拉伯海湾的任何海域及任何条件下进行作业,成品已获得船东的一致认可。该系列拖轮安装两台主机，主要参数：
主机Niigata 6L28HX
功率1 838 kW（2 500 hp）
转速750 r/min
燃油消耗率0.194 kg / kW·h
排气温度330℃
燃油消耗量：357 kg / h
4.1 柴油燃烧产生的热能
柴油机的燃油消耗率是在ISO3046-1:2002E规定的基准条件下，即空气温度为25 ℃，大气压力1 000 Mbar,燃油的低热值为42 700 kJ/kg下的燃油消耗，所以柴油燃烧产生的热能：
E1 = 42 700·P·g/3600 （1）
式中 E1—— 柴油燃烧产生的热能 （kW）
P —— 柴油机的最大持续功率（kW）
g —— 柴油机在P时的燃油消耗率（kg / kW·h）
代入参数得 E1 = 42 700×1838×0.194/3 600 = 4 229 kW
4.2 柴油机的热辐射热量
四冲程柴油机的热辐射热量为：
E2 = 0.396·P0.76 （2）
式中 E2—— 柴油机的热辐射热量 （kW）
P —— 柴油机的最大持续功率（kW）
代入参数得 E2 = 0.396×18 650.76 = 120 kW
4.3 柴油机排气带走的热量
柴油机的排气量一般在技术规格书中列出，如缺乏数据，可用下面公式进行估算：
q = α·L0·β + β （3）
式中 q —— 柴油机的排气量 （kg / h）
α—— 空气裕度系数，四冲程柴油机为2.1～2.6 ；
L0 —— 燃烧1 kg燃油所需的理论空气量，一般为14.3（ kg）；
β—— 燃油消耗量（kg / h）。
取α=2.35，代入参数得 q = 2.35·14.3·357 + 357 = 12353 kg / h
柴油机排气带走的热量可用下式估算：
E3 = c·q·( T - 25 ) / 3 600 （4）
式中 E3 —— 柴油机排气带走的热量 （kg / h）
c —— 柴油机排气的质量热容，为1.055 （kJ / (kg·K)） ；
q —— 柴油机的排气量；
T —— 柴油机的排气温度，四冲程柴油机为320 ℃～360 ℃ 。
则代入参数得 E3 = 1.055×12 353×（330-25）/ 3600 = 1 104 kW
4.4 需要冷却水带走的热量
根据热能转化，由式（1）、式（2）、式（4）可得由冷却水带走的热量为：
E4 = E1 - E2 - E3 - P （5）
式中 P —— 柴油机的最大持续功率 （kW）。
代入以上计算结果得 E4 = 4 229-120-1 104-1 838 = 1 167 kW
4.5 需要冷却水量
要带走如上的热量，需要的冷却水量可用下式估算：
Q = 3 600·E4 / (C·(t2-t1)) / ρ （6）
式中 Q —— 需要的冷却水量 （m3 / h）
E4 —— 由冷却水带走的热量 (kW) ；
C —— 冷却介质的比热，
海水为3.935 6（kJ / (kg·K)），淡水为4.1868（kJ / (kg·K)）；
t1 —— 冷却水进机温度；
t2 —— 冷却水出机温度；
ρ—— 冷却介质密度，海水为1 025 kg/m3，淡水为1 000 kg/m3。
代入参数得 Q = 3 600×1 167/(4.186 8×(60-40)) /1000 = 50 m3/h
5 结论
上述结果一般比柴油机实际运行时需要的冷却水量略小，原因是以上用的是柴油机在不带任何机带泵时的燃油消耗率，而该型号的主机都带有机带燃油泵，机带滑油泵等，实际油耗要比计算的值大。根据主机厂家Niigata提供的冷却泵的流量为60 m3/h，比计算结果大了约20%。结合经验，通常最后取值为计算结果的1.2倍即满足使用。
参考文献
［1］国家科委和国际新闻出版总署联合批准出版[J].船舶(5).2005
［2］中国船舶工业总公司编.船舶设计使用手册, 轮机分册[M]. 北京：国防工业出版社.1999