汪 暉 第海祥 張丹峰

（揚(yáng)州恒旺熱交換器有限公司，揚(yáng)州 225008）

在船用大功率高速柴油機(jī)中，冷卻系統(tǒng)是其重要組成部分。冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理，關(guān)系到柴油機(jī)零部件的運(yùn)行效率[1]。隨著新材料和新技術(shù)的不斷發(fā)展，船用大功率高速柴油機(jī)在近年得到了較快發(fā)展。柴油機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)隨著不斷提高的強(qiáng)化程度和比重量日趨緊湊，使得如何保障柴油機(jī)主要零部件的可靠性等問題愈發(fā)突出，對(duì)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也提出了更高要求[2]。為進(jìn)一步提高船用大功率中高速柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，研究其主要影響參數(shù)十分必要。

1 高低溫淡水泵參數(shù)對(duì)冷卻系統(tǒng)的性能影響及優(yōu)化

1.1 高溫淡水泵參數(shù)影響分析及優(yōu)化

1.1.1 高溫淡水流量的影響

原機(jī)高溫淡水泵有約100 m3·h-1的額定流量。高溫水在額定工況下的出機(jī)溫度為79 ℃。原機(jī)在額定工況下的出機(jī)溫度為85 ℃，高溫水的出機(jī)溫度較小。高溫水進(jìn)出機(jī)時(shí)溫度差約為5.65 ℃，進(jìn)出中冷器時(shí)溫度差約為6.50 ℃。低溫水進(jìn)出中冷器時(shí)溫度差約為2.75 ℃，進(jìn)出滑油冷卻器時(shí)溫度差約為2.60 ℃，相比之下均較小[3]。高溫淡水進(jìn)出中冷器的流速約為4.58 m·s-1，低溫淡水進(jìn)出中冷器的流速約為4.6 m·s-1。將高溫淡水主要管路的流速控制在1.5～2.5 m·s-1較為合適。從上述分析可以知道，原機(jī)有較大的泵流量。

控制模型其他參數(shù)保持不變，研究高溫冷卻系統(tǒng)流量對(duì)各性能所產(chǎn)生的影響。分析高溫淡水流量對(duì)系統(tǒng)性能造成的影響時(shí)，因換熱器換熱效率受到淡水流量影響，應(yīng)考慮淡水流量持續(xù)改變時(shí)換熱器換熱效率難以維持的情況。在對(duì)冷卻系統(tǒng)性能參數(shù)與高溫淡水流量間的變化趨勢(shì)進(jìn)行研究時(shí)，固定各冷卻器換熱量保持不變，分析在954 kW的高溫淡水冷卻器換熱量、419 kW的低溫淡水冷卻器換熱量和397 kW的滑油冷卻器換熱量下的變化情況[4]。

通過分析可知，高溫淡水出機(jī)溫度在進(jìn)機(jī)流量從50 m3·h-1上升到120 m3·h-1時(shí)從88.50 ℃下降到79.60 ℃，進(jìn)出機(jī)溫差也從14.20 ℃降低到6.00 ℃，進(jìn)出中冷器溫差從16.50 ℃降低到7.03 ℃。此外，隨著流量的不斷上升，淡水進(jìn)機(jī)流速從1.76 m·s-1上升到4.50 m·s-1。

原機(jī)高溫淡水泵有100 m3·h-1的額定流量，出機(jī)溫度在額定工況下為78 ℃，進(jìn)出機(jī)溫差和進(jìn)出中冷器溫差分別為5.64 ℃和6.40 ℃，均較小。高溫淡水進(jìn)出中冷器的流速為4.58 m·s-1，可以看出原機(jī)帶泵流量偏大。

一般情況下，船用中速柴油機(jī)出機(jī)溫度在83 ℃左右，進(jìn)出機(jī)溫差在8 ℃左右，主要管路流速為1.5～3.0 m·s-1。為了確保柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)的可靠性和降低淡水泵驅(qū)動(dòng)時(shí)的額外消耗功率，應(yīng)以80 m3·h-1作為高溫淡水泵流量，此時(shí)淡水出機(jī)溫度為82 ℃，進(jìn)出機(jī)溫差為8.43 ℃，進(jìn)出中冷器溫差為11.30 ℃。

1.1.2 優(yōu)化分析

基于高溫回路的流阻特征，系統(tǒng)流阻在80 m3·h-1的流量下為150 kPa?？紤]余量的影響，將壓頭確定為30 m。優(yōu)化后，高溫淡水泵的額定流量和額定壓頭分別為80 m3·h-1和30 m。以泵相似設(shè)計(jì)理論估算可知，優(yōu)化后高溫淡水泵在額定流量和壓頭下有13 kW的驅(qū)動(dòng)功率，而額定工況下原機(jī)高溫淡水泵有21 kW的驅(qū)動(dòng)功率。機(jī)帶高溫淡水泵在優(yōu)化后所需消耗的功率減少約38 %，相比于原機(jī)選配的泵，高溫淡水泵在優(yōu)化后約節(jié)約0.38 g·kW-1·h-1的油耗。

1.2 低溫淡水泵參數(shù)影響分析及優(yōu)化

1.2.1 低溫淡水流量的影響

原機(jī)高溫淡水泵的額定流量為110 m3·h-1，實(shí)際流量在額定工況下大于130 m3·h-1，泵工作效率低。進(jìn)出中冷器的溫差約為2.7 ℃。基于統(tǒng)計(jì)的同類型相近功率的機(jī)型數(shù)據(jù)可知，適宜以5 ℃作為中冷器低溫溫差的控制值?？梢?，原機(jī)攜帶的淡水泵流量較大。

為研究冷卻系統(tǒng)性能和低溫淡水流量間的關(guān)系，先優(yōu)化高溫淡水泵的有關(guān)參數(shù)，再調(diào)整高溫淡水回路流量，即以30 m作為高溫淡水泵的額定壓頭，以80 m3·h-1作為額定流量，再以優(yōu)化后的35 m作為低溫淡水泵壓頭，以60～120 m3·h-1作為流量的變化范圍?？刂破渌麉?shù)不變，研究低溫淡水流量產(chǎn)生的影響。

從結(jié)果看，在保持換熱量不變的情況下，隨著低溫淡水流量的不斷上升，進(jìn)出中冷器的溫差和滑油冷卻器的溫差均有所減小，而進(jìn)中冷器的流速相應(yīng)有所上升。從相同類型且相當(dāng)功率的機(jī)型統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，宜以5 ℃控制中冷器低溫溫差，以1.5～3.0 m·s-1的范圍控制流速。因此，綜合各方面條件，建議以90 m3·h-1作為低溫淡水泵流量。此時(shí)，中冷器增壓空氣溫度約為50 ℃，滿足要求。

1.2.2 低溫淡水泵壓頭優(yōu)化

從低溫回路流阻的角度考慮可知，系統(tǒng)在800 m3·h-1流量下有220 kPa的流阻。出于對(duì)余量壓頭的考慮，壓頭可以選擇設(shè)置為35 m。低溫淡水泵優(yōu)化后的流量為900 m3·h-1，壓頭為35 m。在額定工況下運(yùn)行時(shí)，實(shí)際功耗為15.8 kW。原機(jī)所攜帶的機(jī)帶有約23.3 kW的實(shí)際耗功，改進(jìn)后的機(jī)帶泵額外消耗功減小約32.4 %，相比于原機(jī)條件下節(jié)約0.4 g·kW-1·h-1的油耗，大大提高了經(jīng)濟(jì)性。

2 海水回路參數(shù)對(duì)冷卻系統(tǒng)性能的影響分析及優(yōu)化

從冷卻系統(tǒng)主要溫度參數(shù)的角度考慮可知，海水流量和溫度均會(huì)造成較大影響。過小的流量或過高的進(jìn)口溫度會(huì)使淡水冷卻不足而導(dǎo)致淡水出機(jī)溫度大于設(shè)計(jì)值，影響柴油機(jī)的安全運(yùn)行[5]。

2.1 海水泵技術(shù)參數(shù)影響及優(yōu)化

一般情況下，海水泵使用的是電動(dòng)泵，且不在柴油機(jī)上安裝。雖然工作時(shí)柴油機(jī)功率不會(huì)出現(xiàn)額外的消耗，但仍需要滿足其有效使用的條件，降低功率以節(jié)約資源。

原機(jī)試驗(yàn)臺(tái)配置有220 m3·h-1的海水泵額定流量、25 m的額定壓頭和30 kW的額定功率。海水在額定工況下進(jìn)出口溫度分別為32.0 ℃和41.3 ℃，進(jìn)出口溫度差為9.3 ℃，流量偏大。

為研究冷卻系統(tǒng)性能和海水泵流量間的聯(lián)系，以優(yōu)化后的參數(shù)設(shè)置高溫淡水泵和低溫淡水泵參數(shù)。模型中的泵流量為140～225 m3·h-1，保持其余參數(shù)不變，海水出口溫度隨流量變化的改變情況如圖1所示。

圖1 海水出口溫度隨海水流量變化情況

從結(jié)果上看，海水流量逐漸上升時(shí)，在高低溫淡水調(diào)溫閥的作用下，高溫和低溫淡水出機(jī)和進(jìn)機(jī)溫度基本不變。這表明對(duì)于高低溫回路溫度等參數(shù)而言，只要確保淡水得到的冷卻海水流量足夠，即可使其保持基本不變。因此，確定海水流量的關(guān)鍵參數(shù)是出水溫度。

海水流量不斷減小時(shí)，出口溫度不斷增加。海水在145 m3·h-1的流量下，出機(jī)溫度為52.14 ℃，無法符合要求。在150 m3·h-1的流量下，出機(jī)溫度為51.49 ℃，理論上符合要求。

海水泵的泵送能力隨著使用時(shí)間的增加不斷降低，使得流量有所減小。在結(jié)垢等因素的影響下，淡水冷卻器換熱效果不斷弱化。因此，應(yīng)確保選擇的海水泵有足夠的流量余量，即海水泵優(yōu)化后仍有180 m3·h-1的流量?？紤]海水回路流阻特性和流量余量的影響，建議壓頭取值為20 m。

優(yōu)化后，海水泵約有15.5 kW的功耗，相比于原機(jī)條件減少約16%。

2.2 海水溫度的影響分析

海水溫度直接影響淡水冷卻器換熱效果。為分析海水溫度變化造成的影響，采用變更海水進(jìn)口溫度的方法觀察系統(tǒng)各性能變化，結(jié)果如圖2所示。

圖2 海水進(jìn)機(jī)溫度對(duì)主要參數(shù)的影響

由圖2可知，當(dāng)海水溫度從5 ℃提高到40 ℃時(shí)，高溫淡水進(jìn)中冷器時(shí)的溫度上升約4.5 ℃，變化較??；高溫淡水出機(jī)的溫度上升約4 ℃，變化較??；低溫淡水進(jìn)空冷器的溫度上升約24.6 ℃，變化明顯；中冷后進(jìn)氣溫度同樣有明顯的變化。

高溫回路僅有較小變化，主要原因在于高溫淡水出機(jī)溫度以80 ℃為控制點(diǎn)，在40 ℃的海水溫度下仍可確保海水和淡水在冷卻器的溫差符合要求，從而有效控制高溫淡水出機(jī)溫度；低溫淡水回路溫度變化較大，主要原因在于低溫淡水的進(jìn)機(jī)溫度以31 ℃為控制點(diǎn)，在海水溫度上升到控制溫度時(shí)，海水和淡水的溫差不再符合要求，無法有效控制低溫淡水進(jìn)中冷器的溫度，導(dǎo)致其不斷上升?？梢钥闯?，淡水冷卻器的實(shí)際換熱效果受到海水溫度變化的直接影響，并最終對(duì)中冷后進(jìn)氣溫度造成影響。因此，在設(shè)計(jì)冷卻系數(shù)和選擇附件型號(hào)時(shí)，需基于海水出水溫度合理設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)附件參數(shù)。

3 結(jié)語

高溫淡水出機(jī)溫度和各換熱區(qū)的溫升是確定高溫淡水流量的主要依據(jù)。進(jìn)中冷器溫度、中冷后進(jìn)氣溫度以及潤滑油冷卻后溫度，是確定高低溫淡水流量的主要依據(jù)。確定海水流量的主要依據(jù)是要確保淡水冷卻足夠且出口溫度在析鹽溫度以下。應(yīng)基于上述條件進(jìn)行淡水泵和海水泵的選型與設(shè)計(jì)，根據(jù)各回路流阻損失特征確定流量和壓頭確保運(yùn)行效率，使功耗最小。對(duì)于中冷后進(jìn)氣溫度而言，海水進(jìn)口溫度會(huì)產(chǎn)生較大影響，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)將海水進(jìn)口溫度控制在合理范圍內(nèi)。