第六章冷卻系統(tǒng)

第六節(jié)冷卻系統(tǒng)在柴油機中燃油燃燒放出的熱量約有30～40％要經(jīng)過氣缸、氣缸蓋和活塞等部件散向外界。為了能散出這些熱量，需要有足數(shù)量的冷卻介質(zhì)強制連續(xù)流經(jīng)受熱部件，通過冷卻保證這些受熱部件的正常穩(wěn)定溫度。因而在多數(shù)柴油機中均設(shè)置冷卻系統(tǒng)，保證足夠而連續(xù)的冷卻介質(zhì)流量以及適當(dāng)?shù)睦鋮s介質(zhì)溫度。一、冷卻的作用和方式柴油機受熱部件過熱會導(dǎo)致:（1）材料的機械性能下降，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；（2）破壞運動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；（3）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升高，并影響進(jìn)氣量；（4）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。(5)冷卻不足,缸內(nèi)溫度高,易產(chǎn)生釩、鈉腐蝕。而冷卻過度，過冷：冷卻液所帶走的熱量過多致使柴油機熱效率和經(jīng)濟性下降；同時溫差過大致使熱應(yīng)力增大；此外，缸內(nèi)溫度低，易產(chǎn)生酸蝕。

為了保證柴油機可靠工作，必須對柴油機受熱機件，滑油及增壓后的空氣等進(jìn)行冷卻。然而從能量利用觀點來看，柴油機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。

柴油機冷卻有以下作用：首先，冷卻可以保持受熱件的工作溫度不超過材料所允許的限值，從而可保證在高溫狀態(tài)下受熱部件的足夠強度；其次，冷卻可以保證受熱件內(nèi)外壁面適當(dāng)?shù)臏夭?，減少受熱件的熱應(yīng)力；此外，冷卻還可以保證運動部件如活塞與缸套的適當(dāng)間隙、缸壁工作面滑油膜的正常工作狀態(tài)。

在管理中應(yīng)兼顧柴油機冷卻的兩方面要求．既不使柴油機因過分冷卻而過冷，也不使柴油機因缺乏冷卻而過熱。近代，從盡量減少冷卻損失以充分利用燃燒能量出發(fā)，國內(nèi)外正在進(jìn)行絕熱發(fā)動機的研究，相應(yīng)發(fā)展了一批耐高溫的材料，如陶瓷材料等。目前，柴油機的冷卻方式分強制液體冷卻和風(fēng)冷兩種。絕大多數(shù)柴油機使用前者。冷卻介質(zhì)在柴油機強制液體冷卻系統(tǒng)中的冷卻劑通常有淡水、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，因而它是目前使用廣泛的一種理想冷卻介質(zhì)。

柴油機對淡水水質(zhì)的要求一般為不含雜質(zhì)的淡水或蒸餾水。若為淡水要求其總硬度不超10(1德國度等于10mg/L的CaO，1法國度等于10mg/L的CaCO3)、pH值為6.5~8、氯化物含量不超過50x10-6。當(dāng)使用蒸餾水或離子交換器產(chǎn)生的完全脫離子水作為冷卻淡水時，必須特別注意對淡水進(jìn)行水處理，并定期化驗，確保水處理劑的濃度達(dá)到規(guī)定范圍。否則由濃度不夠而產(chǎn)生的腐蝕比使用一般硬水還嚴(yán)重(因無一般硬水所形成的石灰薄膜沉淀物保護(hù))。

海水的水質(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宜超過55℃，因而目前很少使用海水直接對柴油機進(jìn)行冷卻；滑油的比熱小，傳熱效果較差，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．因而適于作為活塞的冷卻介質(zhì)。二、冷卻系統(tǒng)的組成和設(shè)備一般柴油機冷卻系統(tǒng)是用淡水強制冷卻柴油機，然后用海水強制冷卻淡水和其他載熱流體（如滑油、增壓空氣等）。在系統(tǒng)布置上，前者屬閉式循環(huán)，后者屬開式系統(tǒng)，兩者組成的冷卻系統(tǒng)稱閉式冷卻系統(tǒng)。1．開式海水系統(tǒng)開式海水系統(tǒng)是用海水做為冷卻劑冷卻淡水、滑油、增壓空氣和空氣壓縮機等。系統(tǒng)的基本組成是海底閥和大排量海水泵，其系統(tǒng)如圖所示，使用過的海水排至舷外。在系統(tǒng)中裝設(shè)感溫元件6和自動溫度調(diào)節(jié)閥11，使部分使用過的海水回流至海水泵進(jìn)口，保證進(jìn)冷卻器的海水溫度不低于25℃。

一般設(shè)兩個以上海底閥，分高位和低位，分設(shè)在船舶的兩側(cè)舷旁。高位海底閥（門）位于空載水線下約300mm處，低位海底閥設(shè)在艙底（靠雙層底附近）。船舶進(jìn)港后，由于船底下泥沙污物較多，多用高位海底閥。而在海上航行時，為防止因風(fēng)浪造成空吸，多使用低位海底閥。當(dāng)船舶在碼頭停靠時，一般停止使用緊近碼頭一側(cè)的海底閥，而改用外側(cè)海底閥，以防污物阻塞。管系中的海水濾器用來攔阻雜物進(jìn)入管系，防止管系被堵塞。止回閥用來防止海水倒流，使停車時管路中能保持滿水，以保證泵能正常啟動。調(diào)壓閥用于保證管路中的壓頭，調(diào)溫閥用于調(diào)節(jié)進(jìn)水溫度，使柴油機在各種負(fù)荷和不同環(huán)境條件下，調(diào)節(jié)和控制進(jìn)水溫度，保證柴油機冷卻溫差和熱力狀態(tài)穩(wěn)定。三通旋塞用來控制流過滑油冷卻器的水流量，以控制滑油溫度。開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點是裝置簡單、維護(hù)方便，水源充裕，但存在如下缺點：（1）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，否則將會導(dǎo)致柴油機冷卻水腔結(jié)垢嚴(yán)重，傳熱效果降低，零件的熱應(yīng)力增加。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當(dāng)中。

2．閉式淡水冷卻系統(tǒng)在閉式淡水系統(tǒng)中，淡水流動路線可以有兩種方案。兩者的區(qū)別在于淡水泵供應(yīng)的淡水在（a）方案中先進(jìn)主機，然后再去淡水冷卻器?？煞乐垢滋籽ㄎg和冷卻水的汽化；而在（b）方案中則先去淡水冷卻器，然后再去主機。

由于受熱部件工作條件不同，所要求的冷卻液溫度、壓力和系統(tǒng)的基本組成也各不相同。因而各受熱部件的冷卻系統(tǒng)通常由幾個單獨的系統(tǒng)組成。一般分為缸套和氣缸蓋、活塞、噴油器三個閉式冷卻系統(tǒng)。缸套和氣缸蓋用淡水冷卻，活塞和噴油器則有用淡水冷卻的，也有用滑油冷卻活塞，用柴油冷卻噴油器的系統(tǒng)。為了控制淡水溫度，設(shè)有自動調(diào)溫器，可使淡水溫度自動控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，柴油機進(jìn)機最高溫度為76

℃.出口最高溫度為86

℃.為了保證工作可靠，設(shè)有備用淡水泵和備用海水泵。保證柴油機的冷卻設(shè)有應(yīng)急冷卻管路當(dāng)?shù)狈蛘叩霉收蠒r，通過轉(zhuǎn)動三通旋塞改變水流路線，使海水流過滑油冷卻器后改道，直接進(jìn)入柴油機去冷卻缸套和缸頭，再從備用排出閥排到舷外。應(yīng)急的冷卻管路是開式的。閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：（1）淡水中所含雜質(zhì)和鹽分較少，腐蝕和結(jié)垢不嚴(yán)重，能保持機件良好的散熱。（2）出水溫度可提高到75oC～90oC，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調(diào)節(jié)，使進(jìn)出口溫差較小，因此機件所受熱應(yīng)力不致過大。（3）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。缺點是整個系統(tǒng)較為復(fù)雜。大型低速柴油機的冷卻系統(tǒng)一般是由幾個獨立的管系組成，分別輸送介質(zhì)去冷卻氣缸套和氣缸蓋、活塞、噴油器、增壓器、增壓后的管路等等。其中活塞可以用淡水也可以用滑油來冷卻。噴油器可以用淡水也可以用柴油去冷卻。

3．中央冷卻系統(tǒng)這種冷卻系統(tǒng)的基本特點是使用不同工作溫度的兩個單獨的淡水循環(huán)系統(tǒng)：高溫的熱淡水（約80℃～85℃）和低溫的溫淡水（約30℃～40℃）閉式系統(tǒng)。前者用于冷卻主機，后者用于冷卻熱淡水和各種冷卻器。受熱后的溫淡水再在一個中央冷卻器中由開式的海水系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。由此，可只使用一個用海水作為冷卻液的冷卻器。

中央冷卻系統(tǒng)較前述傳統(tǒng)的冷卻水系統(tǒng)有以下明顯優(yōu)點：（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，因而使柴油機始終在最佳冷卻狀態(tài)下運轉(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)同時也存在以下缺點：增加了中央冷卻器及其輔助設(shè)備與管系，因而投資費用較高；由于附加管系的阻力損失，使泵送耗功也有所增加。冷卻設(shè)備系統(tǒng)1、海水泵一般設(shè)兩臺，一臺備用。有些船上把備用泵兼作備用淡水泵。海水泵排量很大，通常在吸入管接一應(yīng)急艙底吸口，以備機艙進(jìn)水時應(yīng)急排水之用。海水泵一般均采用大排量離心泵。缺點是吸頭低，揚程小。2、膨脹水箱

缸套冷卻水系統(tǒng)中均設(shè)高置膨脹水箱。其作用有：

膨脹，使系統(tǒng)中的淡水受熱后有膨脹的余地；補水，補充系統(tǒng)中因蒸發(fā)和漏泄而損失的水量；保證淡水泵有足夠的吸入壓頭；排放系統(tǒng)中的空氣；投藥，可在此投化學(xué)藥劑以對冷卻水進(jìn)行化學(xué)處理；加熱，可對冷卻水加熱以暖缸（如在其中設(shè)置加熱裝置）。3、冷卻器即熱交換器，淡水冷卻器用海水去冷卻淡水；滑油冷卻器是用水去冷卻滑油；空氣冷卻器是用水去冷卻增壓后溫度升高的空氣。4、

調(diào)溫器調(diào)溫器是柴油機冷卻系統(tǒng)中的溫度自動調(diào)節(jié)設(shè)備。柴油機運轉(zhuǎn)時，要求冷卻水溫能維持在一定范圍。冷卻水的循環(huán)路線和流量由自動調(diào)溫器來控制：當(dāng)水溫較低時，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，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)，使冷卻水匯合時得到適宜的進(jìn)水溫度。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，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，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。波紋管調(diào)溫器原理

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℃熔化成液體時體積膨脹特別大，通過膠管6推動推桿4，控制與推