鄭春兵

海軍駐青島造船廠軍事代表室，山東青島 266002

0 引 言

船用燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)崞魍ǔＪ且环N間壁式換熱器，其功能是回收動(dòng)力渦輪出口燃?xì)獾牟糠譄崃?，預(yù)熱壓氣機(jī)出口的空氣，從而提高燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率。與船用燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)要求相同，人們總是希望設(shè)計(jì)的回?zé)崞髟跐M足主要熱力性能指標(biāo)的前提下質(zhì)量盡可能輕、結(jié)構(gòu)盡可能緊湊和換熱效果盡可能佳［1-6］。以往開展該項(xiàng)研究時(shí)，往往側(cè)重于單純的回?zé)崞髟O(shè)計(jì)，沒有考慮回?zé)崞鲹Q熱器兩側(cè)氣體（一側(cè)為空氣，一側(cè)為燃?xì)猓┑牟煌瑹崃π再|(zhì)，且氣體在回?zé)崞魍ǖ乐辛鲃?dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓力損失通常也被視為定值，這些簡(jiǎn)化計(jì)算措施明顯會(huì)造成計(jì)算結(jié)果的誤差，并不能完全反映工程實(shí)際。本文將回?zé)崞髯鳛榇萌細(xì)廨啓C(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部件，在考慮回?zé)崞骼錈醿蓚?cè)的實(shí)際工質(zhì)熱力性質(zhì)和氣體在回?zé)崞魍ǖ乐械膲毫p失變化的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了船用回?zé)崞鞯脑O(shè)計(jì)并分析了其對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響。

1 回?zé)崞鞯倪x型

回?zé)崞髦饕?種設(shè)計(jì)方案［7］：固定管板式、螺旋板式和板翅式。通常，采用傳熱效率、流體阻力、結(jié)構(gòu)緊湊程度以及制造成本等特征量指標(biāo)來描述回?zé)崞髟O(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣程度。每個(gè)設(shè)計(jì)方案中特征值的權(quán)重（權(quán)重表示在評(píng)價(jià)過程中是被評(píng)價(jià)對(duì)象的不同側(cè)面的重要程度的定量分配，對(duì)各評(píng)價(jià)因子在總體評(píng)價(jià)中的作用進(jìn)行區(qū)別對(duì)待）和隸屬度（每個(gè)方案的所有指標(biāo)分別隸屬于優(yōu)等方案中的程度，即隸屬度，在區(qū)間［0，1］內(nèi)）如表1所示。

表1 回?zé)崞髟O(shè)計(jì)方案中特征值的權(quán)重和隸屬度Tab.1 The weight and membership degree of the eigenvalues in the design project of the regenerator

由表1可知，板翅式回?zé)崞鞯男首罡摺ｈb于船用燃?xì)廨啓C(jī)中工質(zhì)（空氣和燃?xì)猓┙Y(jié)垢性不強(qiáng)、腐蝕性不大的特點(diǎn)，回?zé)崞鞑捎冒宄崾皆O(shè)計(jì)方案是最佳選擇。

板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)形式很多，但其結(jié)構(gòu)元體基本相同，通道的排列有單疊式、復(fù)疊式2種，如圖1所示。圖中，L，L1和L2分別為各對(duì)應(yīng)通道的翅片尺寸。

圖1 回?zé)崞魍ǖ繤ig.1 The regenerator’s channels

由于單疊布置的翅片效率高于復(fù)疊布置，且對(duì)于多股流體的板翅式回?zé)崞鞫?，?dāng)通道排列偏離理想位置時(shí)，局部的熱負(fù)荷將引起很大的不平衡，加劇溫差傳熱損失，降低回?zé)崞餍?，因此，在設(shè)計(jì)船用燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)崞鲿r(shí)選擇單疊式排列方式。

若對(duì)各個(gè)通道進(jìn)行不同方式的疊置和排列，釬焊成整體，可得到最常用的逆流、并流、錯(cuò)流、錯(cuò)逆流板翅式換熱器板束。相關(guān)資料表明，在同樣的條件下，逆流時(shí)的平均溫差總是大于并流時(shí)的平均溫差，而平均溫差相同時(shí)逆流所需換熱面積最小。所以，船用燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)崞髟O(shè)計(jì)成逆流式時(shí)體積最小。

翅片式、板翅式回?zé)崞鳛樽罨镜脑?，傳熱主要通過翅片來實(shí)現(xiàn)，其余過程直接通過隔板完成。翅片與隔板的聯(lián)結(jié)均為完善的釬焊，因此，大部分熱量經(jīng)翅片通過隔板傳到了冷流體。翅片除承擔(dān)主要的傳熱任務(wù)外，還承擔(dān)著兩隔板之間的加強(qiáng)作用。翅片的型式主要有平直式、鋸齒式、多孔型和波紋型等3種。因?yàn)榛責(zé)崞魅細(xì)鈧?cè)熱容量大，傳熱系數(shù)較高，有一定的污染性，因此燃?xì)鈧?cè)采用平直型翅片?；?zé)崞骺諝鈧?cè)由于空氣較為干凈，壓力較高，相對(duì)壓損小，傳熱系數(shù)較低，因此應(yīng)在空氣側(cè)進(jìn)行強(qiáng)化傳熱措施，提高空氣側(cè)的傳熱系數(shù)，從而提高整個(gè)回?zé)崞鞯膫鳠嵝Ч?。同時(shí)，艦船生命力方面的要求對(duì)噪音和振動(dòng)有所限制，所以空氣側(cè)采用鋸齒型翅片。

綜上所述，船用燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)崞鞯脑O(shè)計(jì)應(yīng)為逆流板翅式，其通道采用單疊式排列，燃?xì)鈧?cè)為平直型翅片，空氣側(cè)為鋸齒型翅片，翅片材料必須適應(yīng)海洋工作環(huán)境。

2 回?zé)崞鞯脑O(shè)計(jì)

2.1 工質(zhì)熱力參數(shù)的確定

在回?zé)崞鞯脑O(shè)計(jì)中，需要利用空氣和燃?xì)獾臒崃π再|(zhì)數(shù)據(jù)。當(dāng)燃?xì)鉁囟炔怀^1 500℃時(shí)，氣體的裂解現(xiàn)象一般可以忽略?？諝夂腿?xì)獾臓顟B(tài)參數(shù)，如焓、比熱、相對(duì)壓力、普朗特?cái)?shù)、密度、導(dǎo)熱系數(shù)及粘度等都可視為溫度的函數(shù)，而與壓力無關(guān)。由于空氣和燃?xì)馐?種成分不同的工質(zhì)，其熱力參數(shù)迥異，在以往計(jì)算中，并沒有著重區(qū)分這一點(diǎn)。顯然，這會(huì)帶來一定程度的誤差。為了進(jìn)一步提高運(yùn)算精度，使得計(jì)算結(jié)果在工程應(yīng)用上更有價(jià)值，在計(jì)算這些參數(shù)的過程中，采用了吳仲華教授給出的熱力性質(zhì)表［8］。為便于計(jì)算機(jī)計(jì)算，采用數(shù)學(xué)公式表示工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)。

燃?xì)廨啓C(jī)所用的燃料是C8H16，它與空氣的化學(xué)反應(yīng)式為：

式中，X為空氣中非氮、非氧成分。由該反應(yīng)式可知，1 mol的 C8H16和 57.17 mol的空氣完全燃燒后生成61.17 mol的燃?xì)?。?duì)純?nèi)細(xì)猓剂舷禂?shù)β=1；對(duì)空氣，β=0；對(duì)一般燃?xì)猓陆橛?與1之間。因此，βmol的燃料與57.17 mol空氣的反應(yīng)可表示為：

由式（2）可知，在燃料系數(shù)為 β的燃?xì)庵校諝獾哪柍煞?A=57.17(1-β)/(57.17+4β)；純?nèi)細(xì)獾哪柍煞?B=61.17β/(57.17+4β)。因此，燃料系數(shù)為 β的燃?xì)鉄崃π再|(zhì)，如焓、比熱、相對(duì)壓力等可分別為：

為避免繁瑣的查表計(jì)算，可以采用最小二乘法［9］將燃?xì)鉄崃π再|(zhì)表中有關(guān)的曲線和圖表擬合成多項(xiàng)式的形式，即：

式中，ai，bi和ci分別為系數(shù)。

在回?zé)崞髟O(shè)計(jì)過程中，還涉及一些原始曲線的讀取，如雷諾數(shù)Re隨傳熱因子 j和摩擦因子 f的變化特性圖，收縮阻力系數(shù)Kc和擴(kuò)大阻力系數(shù)Ke隨板束通道截面積與集氣管最大截面積之比σ的變化特性圖。同樣都采用最小二乘法將曲線和圖表擬合成多項(xiàng)式，并編制成方便調(diào)用的子程序。

2.2 回?zé)崞鞯脑O(shè)計(jì)步驟

已知某船用三軸簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)：低壓壓氣機(jī)進(jìn)口空氣流率Ga=85 kg/s；進(jìn)入回?zé)崞骺諝夂腿細(xì)獾臏囟萒ai=251.8℃，Tgi=515.6℃；空氣側(cè)允許壓降為1%，燃?xì)鈧?cè)允許壓降為3%；排氣口直徑為2.430 m。

在設(shè)計(jì)回?zé)崞鞯倪^程中，先初步選定回?zé)崞鞯目傮w尺寸，再通過迭代法來進(jìn)行回?zé)崞髟O(shè)計(jì)。本文計(jì)算編程（借助通用工程軟件Matlab7.0）的具體步驟如下：

1）初選回?zé)崞鞯某叽纭?/p>

2）初步假定回?zé)崞鞯幕責(zé)岫圈?=0.85，算出回?zé)崞骺諝夂腿細(xì)獾某隹跍囟萒ao和Tgo：

3）計(jì)算流體空氣和燃?xì)獾睦字Z數(shù) Re［10］：

式中，G為質(zhì)量流率；D為直徑；μ為流體動(dòng)力的粘度；g為重力加速度。

4）計(jì)算空氣和燃?xì)獾膫鳠嵯禂?shù)αg,αa：

式中，j為摩擦系數(shù)，由所擬合曲線 j=f(Re)算出；St為斯坦登準(zhǔn)數(shù)。

5）計(jì)算總表面效率 ηg,ηa：

式中，λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)；δ為翅片的厚度；L為翅片的高度。

6）計(jì)算總傳熱系數(shù)K：

式中，F(xiàn)a為空氣側(cè)的總傳熱面積；Fg為燃?xì)鈧?cè)的總傳熱面積。

7）計(jì)算回?zé)崞鱾鳠釂卧獢?shù)NTU及有效度：

式中，cpa為空氣的比熱。

然后，通過所擬合的曲線方程ε=f(NTU)計(jì)算得到回?zé)崞饔行Ф圈?。如果?.001，則取 ε1=ε，然后回到2）重新開始計(jì)算直到| |ε- ε1＜0.001，最后取ε=ε1，并由此算出回?zé)崞髦锌諝夂腿細(xì)獾某隹跍囟取?/p>

8）回?zé)崞骺諝夂腿細(xì)鈧?cè)壓力損失的計(jì)算［11］：

如果σRa和σRg均不小于規(guī)定值，則需要重新選擇回?zé)崞鞯某叽?，再繼續(xù)重復(fù)上述過程進(jìn)行計(jì)算，直至σRa和σRg均小于規(guī)定值為止，即此時(shí)所選的回?zé)崞魇欠弦蟮?。在文獻(xiàn)［1-7］中，氣體在回?zé)崞魍ǖ乐械膲毫p失一般取為定值。實(shí)際上，壓力損失并不是固定的。

圖2所示為回?zé)岫圈烹S回?zé)崞鞲叨萮的變化關(guān)系。圖3所示為空氣和燃?xì)鈧?cè)的壓力損失ΔPa，ΔPg隨回?zé)崞鞲叨萮的變化關(guān)系。由圖可見，隨回?zé)崞鞲叨鹊脑龃?，回?zé)岫炔粩嘣龃螅諝夂腿細(xì)鈧?cè)的壓力損失也增大。圖4所示為循環(huán)效率隨回?zé)岫鹊淖兓Ｓ蓤D可見，隨回?zé)岫鹊脑龃螅适紫炔粩嘣龃?，但最后仍然呈略微下降趨?shì)，這是由于過大的回?zé)岫葘?dǎo)致了過大的回?zé)崞鲀蓚?cè)的壓力損失系數(shù)，造成效率降低的程度略微超過了回?zé)徇^程帶來的益處。

圖2 回?zé)岫圈烹S回?zé)崞鞲叨萮的變化關(guān)系Fig.2 Variation of the effectivenss of the regenerator εwith respect to the height of the regeneratorh

圖3 空氣和燃?xì)鈧?cè)壓力損失隨回?zé)崞鞲叨萮的變化關(guān)系Fig.3 Variation of the air-side and gas-side pressure loss with respect to the height of the regenerator h

圖4 效率η隨回?zé)岫圈诺淖兓P(guān)系Fig.4 Variation of the efficiency with respect to the effectivenss of the regeneratorε

3 結(jié) 論

本文以某船用簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)為母型進(jìn)行研究，與以往文獻(xiàn)不同的是，在考慮了回?zé)崞骼錈醿蓚?cè)空氣和燃?xì)獾臒崃π再|(zhì)不同以及氣體在回?zé)崞魍ǖ乐辛鲃?dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓力損失并不為常數(shù)的因素的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了回?zé)崞鞯脑O(shè)計(jì)并分析了其對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的性能的影響。計(jì)算結(jié)果表明：

1）隨著回?zé)崞骰責(zé)岫鹊脑龃螅細(xì)廨啓C(jī)的效率越來越高；但當(dāng)回?zé)岫瘸^一定值時(shí)，效率卻不再提高，反而有所降低。

2）優(yōu)化改裝后的回?zé)崞鲿?huì)使燃?xì)廨啓C(jī)具有更高的效率。效率的提高，意味著艦艇續(xù)航力的提高；加裝回?zé)崞?，回收了排氣中的部分熱量，降低排氣溫度，這就意味著降低了艦艇的紅外輻射強(qiáng)度，從而增強(qiáng)了艦艇的隱身能力，提高了其生命力。研究中，因無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，故沒有考慮回?zé)崞鲀?nèi)因溫度分布不均勻而產(chǎn)生的熱消耗。

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