前言虽然航运业的形式很多,船舶运输还是在其中占有很大的比重。
随着海运业的不断发展,各式各样的特种船舶广泛的应用。
因此,对船舶系统的研究需不断地提高和优化,为船舶动力装置的发展做出努力。
船舶的冷却系统是一个具有复杂形式的系统,合理地选择一种冷却系统对整个船舶航运的经济性,维修性是非常重要的,这与造船成本和船东的使用成本都具有很大的影响。
中央冷却系统作为船舶冷却系统的一种冷却形式在现代船舶上的运用越来越广泛,对其的研究及优化是一个重要的课题。
在我国的船舶行业中,对中央冷却系统的介绍和研究还不是很多,然而在现行的船舶中,船东特别是大公司的船东越来越倾向于中央冷却系统。
中央冷却系统对于船厂来说提高了制造成本,对于船东来说提高了设备的可靠性,降低了维修费用,因此,对中央冷却系统的进一步研究有利于船厂降低成本,提高中央冷却系统的运用深度有很大帮助。
在韩国和日本等造船强国,中央冷却系统的设计有着很详细的设计基准,他们通过众多的船舶设计人员在实际设计和使用后总结出一整套设计标准,按照这种标准,使得他们船舶的设计既符合各方面的要求，又降低了设计成本。
在我国,大部分船厂都没有中央冷却系统的设计的标准,而韩国日本等造船强国又对我们进行技术封锁,我们以前很多船舶系统的设计中,只是部分采用了中央冷却系统的原理,并没有达到完整,经常会出现各种问题,引起在实际制造中大量的返工,造成人力物力的浪费,同时在设计过程中,为了保证各种设备能正常工作,对中央冷却系统设置了大量的余量,增加了设计成本。
本文通过了对中央冷却系统的各种形式的介绍和以往的中央冷却系统所产生问题的分析,使中央冷却系统的理论系统化,完善化,以供设计人员及其他相关人员参考。
第一章船舶中央冷却系统的概述1.1 船舶冷却水系统的发展为了使柴油机和其他辅助设备受高温和摩擦作用的部件保持正常稳定的工作性能，必须对这些部件进行冷却。
冷却系统的作用就是把冷却介质送到受热部件，将其多余的热量带走。
船舶冷却系统作为船舶动力系统的重要组成部分之一，随着材料、工艺以及控制技术的突飞猛进，发展过程大致经过以下三个阶段:1）开式冷却系统，利用舷外海水直接冷却主机与辅机设备。
由海水泵将舷外水吸入系统管路中，通过空气冷却器、主机缸套和滑油冷却器等设备换热后，经出海阀排出舷外。
开式冷却系统是船上应用最早的冷却方式，其优点有冷却水来源丰富、需要安装的设备和管路少、维护管理方便。
缺点是冷却介质使用舷外水，由于水质较差和水温变化较大，容易导致设备冷却水腔积垢堵塞，使受热零部件得不到充分冷却而产生过大的热应力。
开式冷却系统主要应用于小型船舶柴油机的冷却。
2）半封闭式冷却系统，特点是使用淡水冷却柴油机高温部件，在冷却器中高温淡水被舷外水冷却后循环使用，把主机燃烧室零部件的热量带走。
其它低温设备仍使用海水冷却。
半封闭式冷却系统的优点是主机使用淡水作为冷却介质，减弱了对被冷却的零部件的腐蚀性，有利于保护被冷却部件。
由于水质较好，通常可以将主机进口水温与出口水温分别提高到 60℃～75℃与 70℃～85℃。
这将有效降低主机燃烧室零件的热应力，提高热效率。
缺点是半封闭式冷却系统包括淡水冷却系统和海水冷却系统，使整个冷却系统变得复杂，增加了维护管理工作。
而且，由于其它设备仍由海水直接冷却，还是存在着管路与辅助设备的腐蚀、结垢等问题。
3）中央冷却系统，由海水系统、低温淡水回路系统和高温淡水回路系统组成。
工作原理是利用海水泵输送舷外水进入中央冷却器来冷却低温淡水回路，由低温淡水冷却设备低温部件（包括辅柴油机、空调、冷藏装置、空压机、大气冷凝器等）以及高温淡水回路，高温淡水用来冷却主机汽缸套与汽缸盖等部件。
高温淡水与低温淡水的冷却都是一个循环流动的过程，为闭式冷却。
海水系统用于冷却中央冷却器，由海水泵、阀件、过滤设备和长度有限的管路构成，为开式冷却。
在中央冷却系统中，舷外海水只在中央冷却器中进行热交换而不接触其它热交换器、辅机发电机以及主柴油机的冷却部件，尽量缩短并简化船舶海水冷却管系，有效地防止了由海水腐蚀引起的冷却器以及管路漏泄故障的发生，提高了设备的使用寿命和系统的安全可靠性。
所以，现代大型船舶柴油机动力装置的冷却普遍采用中央冷却系统1.2 中央冷却水系统的基本型式目前，受到最广泛应用的船舶中央冷却系统有以下三种基本的形式：1）独立式中央冷却系统独立式中央冷却系统简图如图 1.1 所示。
冷却辅机设备的低温淡水和冷却主机气缸套的高温淡水分为两个回路并均由海水冷却。
低温淡水在中央冷却器中和海水进行热交换，高温淡水在缸套水冷却器中和海水进行热交换。
因此，这种方案需要装备至少两台使用海水冷却的冷却器图1.1独立式中央冷却系统2）混流式中央冷却系统混流式中央冷却系统简图如图 1.2 所示。
高温淡水回路不再是独立系统，混流式系统取消了缸套水冷却器而采用三通阀根据高温淡水的温度要求控制低温淡水与高温淡水混合的流量。
高低温淡水需带走的热量全部在中央冷却器中与海水交换。
由于少了一个缸套水冷却器，采用高低温水混合对进出主柴油机与中央冷却器的水温控制的准确性难以保证图1.2混流式中央冷却系统3）标准中央冷却系统标准中央冷却系统如图 1.3 所示。
低温淡水在中央冷却器中与海水进行热交换。
高温淡水在缸套水冷却器中由低温淡水冷却。
因此，仅有中央冷却器使用海水冷却。
该系统相比混流式系统增加了一台冷却器，但可以提高冷却水温控制精度与系统的可靠性。
本文研究的某 57000 t 散货船即采用这种形式的中央冷却系统1.3 中央冷却水系统的基本组成如前文所述，船舶中央冷却系统主要由三大部分组成:海水系统、低温淡水系统和高温淡水系统。
下面分别介绍这几个系统1.3.1 海水冷却系统海水系统构成比较简单，主要设备有海水泵、过滤设备和中央冷却器。
海水从高位或低位海底门进入海水管路，通过两台主海水泵作用输送至中央冷却器海水侧入口，在中央冷却器内与低温淡水热量交换后从冷却器海水侧排出。
为避免冷却海水温度过低，在海水入口温度调节阀的作用下部分被加热的海水返回到海水泵入口与舷外海水混合，其余部分由海水管路排放至舷外。
图1.3标准中央冷却系统1.3.2 低温淡水冷却系统低温淡水回路中主要设备有低温淡水冷却器、主机空冷器、主机滑油冷却器、主机缸套水冷却器、辅机柴油机、中间轴承、主空压机、集控室空调器、厨房空调器、空调压缩机冷凝器、冷藏压缩机冷凝器、大气冷凝器、低温膨胀水箱等。
低温淡水在经过淡水管路系统支路上各换热设备对滑油、空气、缸套冷却水等冷却后，在干路上汇合，由中低温淡水泵将冷却水输送至中央冷却器淡水侧入口，在中央冷却器中与海水进行热交换降低冷却水温度。
为达到设定的换热设备进口温度，经三通调节阀作用分流一部分低温淡水不经过中央冷却器，另一部分低温淡水从中央冷却器淡水侧排出后再与未经冷却的低温淡水混合。
冷却水经换热设备吸热后回到中央冷却器进行冷却进入下一轮循环。
1.3.3 高温淡水冷却系统高温淡水回路的主要功能是冷却主机燃烧室部件，防止燃烧室部件过热或过冷，以保正主机机械处于正常稳定的工作状态。
高温淡水系统主要换热设备有主机缸套、高温淡水三通阀和造水机。
在主机出口温度调节阀的作用下，冷却水经过主机出来的温度保持在 80℃。
然后经过除气箱与膨胀水柜来补充泄漏的水、除去系统中的空海水以制取淡水。
高温淡水在缸套水冷却器中由低温淡水冷却后，再次进入主机冷气，然后一部分高温水通过造水机。
造水机主要是利用主机缸套冷却水的热能汽化冷却主机燃烧室部件，进而循环利用。
1.4中央冷却系统性能分析1.4.1 中央冷却系统的优缺点分析与传统冷却系统相比较,中央冷却系统有效地解决用海水作为冷却介质引起的腐蚀结垢和堵塞问题。
中央冷却系统的主要优点有以下几方面。
首先，中央冷却系统大大缩短了海水管路，由海水腐蚀引起的维修工作仅限于中央冷却系统中的海水系统,使维修工作量及费用减至最低限度。
其次，淡水循环系统能够多年保持清洁, 只需进行例行的维护保养工作,可长期无需清理；最后，营运可靠性提高，主辅机不存在冷车启动的问题, 气缸冷却水温度易于通过自动控制保持稳定。
但是，中央冷却系统同样存在着缺点。
从热传递的角度来看,中央冷却系统为两次传递的冷却系统，热量传递过程的不可逆损失增加了。
从硬件的角度来看, 中央冷却系统增加了中央冷却器、淡水泵组与淡水进出口管系等附加设备。
中央冷却器采用了耐腐蚀但价格昂贵的钛合金板，这导致了中央冷却系统初始投资要比普通开式循环冷却系统高出许多。
系统对高、低温淡水回路温度的控制采用了大量控制设备，管路布置结构复杂。
因此，对维修技术的要求提高。
为克服附加管路与冷却器的阻力损失,其泵送能源的产生的运营成本也增加了。
在燃料成本快速增长的环境下,中央冷却系统存在的这些问题引起了造船界的重视。
为了解决中央冷却系统产生的系统费用较高的问题，提高船舶建造运营的经济性。
对中央冷却系统的优化主要可采取两方面的措施：中央冷却系统设计优化节能和运行优化节能。
前者主要通过设计选择最佳冷却淡水温度、流速、压力、流量以及冷却器的功率来实现；后者主要通过充分利用海水冷却能力，利用合适的控制理论优化海水流量来达到节省泵送能耗的目的。
1.4.2 中央冷却系统投资运营成本优化分析为了保证船舶全球航行的需要,中央冷却系统的设计工况为船舶在热带 32ºC水域全速航行。
但实际情况是,一方面船舶大部分时间是在低于 32ºC 的海域中航行，另一方面船舶又大多处于主机常用功率点下的经济航速。
因此,主海水泵长期在超出实际需要的功率下运行。
目前，典型船舶的中央冷却系统年总成本大致为:投资费用占20%-25%，泵能耗费用占 65%-70%，维护费用约占 10%。
因此，进行系统优化时应首先考虑减少占成本比重最大的泵送能源费用。
泵送能源费用由高温淡水泵、低温淡水泵和海水泵三部分组成，它们的费用比例依次为 20%-25%，30%-45%，35%-45%。
中央冷却系统的投资费用中以钛合金制成的板式换热器采购费用占的比例最大，在进行系统设计时也应考虑根据冷却器压力降与系统热负荷合理选择中央冷却器的尺寸。
高温淡水循环泵为主机缸套与造水机提供冷却水，流量较为稳定，该泵的能耗节省空间较小。
低温淡水回路的运行费用的减少可通过设计管内经济流速来实现，因为回路中的冷却介质为淡水，流速增加不会造成管路腐蚀，流速减小也不会产生堵塞。
海水管路运行费用的减少主要依靠优化系统运行时的海水流量。
当船舶的运行工况变化时，所需的冷却海水量随之变化。
具体来说，工况的变化一般是指主机负荷、环境温度或海水温度的变化。
为了达到节能的目标，应根据相关参数的变化，对冷却海水进行变流量控制。
1.5 本章小结本章首先简述了船舶冷却水系统发展的三个阶段，即开式冷却系统、半封闭式冷却系统和中央冷却系统。