陶 俊

(廣西壯族自治區(qū)北海船舶檢驗(yàn)中心,廣西 北海 536006)

0 引言

廣西壯族自治區(qū)南鄰北部灣沿海,面對東南亞,西南與越南接壤,東臨粵、港、澳,北連華中地區(qū),背對中國大西南地區(qū),與多省毗鄰,是我國西南地區(qū)最便利的出海大通道,是華南通往西南的要沖,其具有較好的近海、沿江、沿邊資源等優(yōu)勢[1]。廣西處于低緯度地帶,境內(nèi)水域繁多。由于氣候條件優(yōu)越,多樣性的生態(tài)環(huán)境非常適合各種魚類以及水生野生動物棲息和繁殖[2]。

漁船柴油機(jī)的工作壽命限制了漁產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,而柴油機(jī)的工作壽命主要取決于其冷卻性能[3]。當(dāng)前情況下,我國主要應(yīng)用的海洋漁船柴油機(jī)大多是海水開式冷卻,該種冷卻形式下,因?yàn)楹Ｋ泻}量較高且存在較多雜質(zhì),冷卻系統(tǒng)的出水溫度過高時易于冷卻處堆積鹽分,導(dǎo)致冷卻效果減弱,嚴(yán)重時引起冷卻系統(tǒng)擁堵,造成缸損[4]。并且冷卻水進(jìn)入柴油機(jī)的溫度較低,導(dǎo)致機(jī)件應(yīng)力提升,熱效率下降,海水還具有一定的腐蝕性,影響漁船柴油機(jī)的使用壽命。為解決上述問題,孫猛[5]通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對船用冷卻系統(tǒng)的水溫控制,王振等[6]研究并模擬了船用冷卻系統(tǒng)噴淋流動和換熱,但其設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)部署在機(jī)艙,導(dǎo)致安裝困難,所以難以普及應(yīng)用。為此,本文針對廣西海洋漁船設(shè)計(jì)船用舷外冷卻系統(tǒng)并模擬其換熱效率,簡化機(jī)艙部署的同時,防止出現(xiàn)流道擁堵情況,污垢少、可靠性強(qiáng),有效限制冷卻水出機(jī)溫度、提升柴油機(jī)熱效率,耗油率也隨之下降。該冷卻系統(tǒng)可保證出入柴油機(jī)的冷卻水溫度區(qū)間,令柴油機(jī)在特定溫度區(qū)間內(nèi)運(yùn)行,冷卻元件受熱均勻,使用壽命延長。

1 船用舷外冷卻系統(tǒng)換熱效率模擬

1.1 廣西海洋漁船用舷外冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

廣西海洋漁船用舷外冷卻系統(tǒng)的主要原件是舷外冷卻器,其設(shè)計(jì)的合理性決定了系統(tǒng)的整體性能、具體冷卻情況以及漁船成本[7],為此文中應(yīng)用雙層舭龍骨舷外冷卻器,其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 廣西海洋漁船用舷外冷卻系統(tǒng)冷卻器結(jié)構(gòu)圖

通過圖1可以看出,廣西海洋漁船用舷外冷卻系統(tǒng)的冷卻器采取了以兩舷舭龍骨構(gòu)建三角截面水腔的形式,經(jīng)焊接于橫艙壁上的彎板導(dǎo)通左右舷水腔,在機(jī)艙兩側(cè)設(shè)置進(jìn)出水口,連接冷卻系統(tǒng)與冷卻水,在舭龍骨水腔中部署紊流擋板[8],避免出現(xiàn)層流情況,破壞冷卻效果。冷卻器結(jié)構(gòu)、材料都較為普遍、便宜,制作安裝成本低。為保持舭龍骨對漁船橫搖的限制,通過計(jì)算選取適宜舭龍骨作用面積,確保漁船性能不受阻礙。同時,雙層舭龍骨極大程度地提升了其強(qiáng)度與剛度,可有效減少碰撞損傷情況[9],即便出現(xiàn)類似情況,也會開啟機(jī)艙內(nèi)的應(yīng)急冷卻系統(tǒng),保證漁船正常作業(yè)。

1.2 廣西海洋漁船用舷外冷卻系統(tǒng)工作原理

廣西海洋漁船用舷外冷卻系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 廣西海洋漁船用舷外冷卻系統(tǒng)原理圖

冷卻水泵經(jīng)由齒輪箱機(jī)油冷卻器吸取舷外冷卻器中的淡水,將其輸送至柴油機(jī)機(jī)油冷卻器和各冷卻元件后返回至舷外冷卻器[10],冷卻系統(tǒng)呈閉合形式循環(huán);通過舷外冷卻器中的海水冷卻淡水在柴油機(jī)高溫元件部分獲得的熱量,然后將冷卻水輸送至柴油機(jī)元件對其進(jìn)行降溫,不斷循環(huán)。由于淡水長期處于高溫下會出現(xiàn)蒸發(fā)的情況,需安裝膨脹水箱[11]。為實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)進(jìn)水溫度調(diào)控,安裝旁通管路,并設(shè)置備用冷卻系統(tǒng)、總用泵海水應(yīng)急管路以及其余對應(yīng)儀表。

1.3 廣西海洋漁船用舷外冷卻系統(tǒng)換熱效率模擬

1.3.1 舷外冷卻系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計(jì)算

由于漁船所用柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)換熱面積存在差異,所以需要計(jì)算冷卻系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。

柴油機(jī)傳給冷卻水的熱量(換熱量)表示為:

Q=Ne·ge·Qu·ki

(1)

式中:Ne、ge——柴油機(jī)的額定功率、燃油耗油率;

Qu、ki——燃油低熱值、冷卻水帶走熱量百分比。

舷外海水溫度對數(shù)平均溫差表示為[12]:

Δt=t1-t2/[ln(t-t1/t-t2)]

(2)

式中:t1、t2、t——冷卻水進(jìn)機(jī)、出機(jī)、舷外海水的溫度。

冷卻系統(tǒng)內(nèi)水流速表示為:

Va=Dt/fn·3 600ρ

(3)

式中:Dt——冷卻水泵排量;

fn——舷外冷卻系統(tǒng)內(nèi)徑截面積;

ρ——管內(nèi)冷卻水密度。

雷諾數(shù)Ren表示為:

Ren=Vn·dn/Vn

(4)

式中:Vn、dn——冷卻系統(tǒng)的冷卻水運(yùn)動黏度和當(dāng)量直徑。

雷諾數(shù)Rew表示為:

Rew=Vs·dw/Vw

(5)

式中:Vs、Vw——舷外海水與冷卻系統(tǒng)相對速度、舷外海水的運(yùn)動黏度。

努謝爾特?cái)?shù)表示為[13]:

Nu=0.023Ren0.8Prn0.4

(6)

式中:Prn——波蘭特準(zhǔn)數(shù)。

冷卻系統(tǒng)內(nèi)壁厚度表示為:

(7)

式中:dw——冷卻系統(tǒng)外徑當(dāng)量直徑。

總熱阻表示為:

(8)

式中:λ——鋼的導(dǎo)熱系數(shù);

Rn、Rw——冷卻系統(tǒng)內(nèi)、外的水污垢系數(shù)。

冷卻系統(tǒng)內(nèi)水湍流時的放熱系數(shù)表示為:

α1=Nu·λn/dn

(9)

式中:λn——水導(dǎo)熱系數(shù)。

舷外水放熱系數(shù)表示為:

(10)

式中:C、λw——系數(shù)、舷外海水的導(dǎo)熱系數(shù)。

總傳熱系數(shù)表示為:

(11)

式中:βz、h、s——冷卻系統(tǒng)的安裝影響系數(shù)。

舷外冷卻系統(tǒng)總換熱面積表示為:

F=Q/Δt·ψ·K

(12)

式中:ψ——溫度修正系數(shù)。

1.3.2 舷外冷卻系統(tǒng)相關(guān)數(shù)學(xué)模型

舷外冷卻系統(tǒng)冷卻水的流動與換熱遵循質(zhì)量、動量以及能量守恒定律。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律獲取其對應(yīng)守恒方程,表示單位時間內(nèi)冷卻水微元體內(nèi)的質(zhì)量增加量與相同時間進(jìn)入該微原體的質(zhì)量相等[14],表示為:

(13)

式中:u、v、w——空間直角坐標(biāo)系中x、y、z方向的速度分量。

動量守恒方程表示微元體內(nèi)冷卻水的動量相對時間的變化速率與作用在該微原體上的各種力之和相等,表示為:

(14)

式中:U、μ——速度矢量、動力黏度;

Su、Sv、Sw——方程的三個廣義源。

能量守恒方程表示微元體內(nèi)冷卻水的能量增加速率與進(jìn)入該微原體的凈熱量加上體、面力對微原體所做功相等[15],表示為:

(15)

式中:Cp——速度矢量;

Sτ——黏性耗散項(xiàng)。

冷卻系統(tǒng)內(nèi)水湍流時應(yīng)用k-ε模型,其將湍流的動能、擴(kuò)散表示為:

(16)

(17)

式中:Gp——速度在平均變化率下的湍動能;

Gb——冷卻水形成的浮力;

Ym——冷卻水在湍流時的擴(kuò)張貢獻(xiàn)度;

ui——時均速度;

μ——湍流黏度;

σk、σg——Prandtl數(shù);

G1g、G2g、G3g——經(jīng)驗(yàn)常數(shù);

Sk、Sg——源項(xiàng)。

綜上所述,換熱效率模擬模型表示為:

(18)

2 試驗(yàn)分析

為分析本文方法的性能和效果,采用Matlab R2016a軟件展開廣西海洋漁船用舷外冷卻系統(tǒng)換熱效率模擬測試。

在不同舭龍骨兩舷距下,分析換熱系數(shù)與舷外冷卻系統(tǒng)進(jìn)水口水流速的關(guān)系,結(jié)果如圖3所示。

通過圖3可以看出,換熱系數(shù)跟隨進(jìn)水口流速的提升而提升。當(dāng)舭龍骨兩舷距為1.4 mm時,換熱系數(shù)在速度變化下增加約2%,當(dāng)舷距為2.2 mm時,換熱系數(shù)增加約15%。由此可見,跟隨流速的增加,其對換熱系數(shù)的影響也逐漸加深,原因是舷距增加后冷卻水運(yùn)動加快,導(dǎo)致流速提升冷卻水湍動性,換熱系數(shù)增加。

通過圖4可以看出,跟隨進(jìn)水口流速的提升,綜合因子在流速為[0.2,0.4]區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)大幅降低,在[0.4,0.8]區(qū)間大致平穩(wěn),在進(jìn)水口速度為0.2 m/s時綜合因子值最大,此時冷卻水進(jìn)入層流狀態(tài),原因是壓降太小導(dǎo)致。所以冷卻水的流速高于0.5 m/s后可信度最大。

分別以單片機(jī)冷卻系統(tǒng)換熱模擬(文獻(xiàn)[5])、噴淋流動冷卻系統(tǒng)換熱模擬(文獻(xiàn)[6])為參照,對比其與本文方法的模擬結(jié)果,記錄三種方法的冷卻效率,結(jié)果如表1所示。

圖4 綜合因子隨進(jìn)水口流速的變化曲線圖

表1 冷卻效率對比結(jié)果表

通過表1可以看出,本文方法的出水口溫度最低為365 ℃,冷卻效率最高為98.4%,文獻(xiàn)[6]方法的出水口溫度最高為403 ℃,冷卻效率最低為86.6%,說明本文方法選用的舷外冷卻系統(tǒng)冷卻器應(yīng)用后可有效降低系統(tǒng)出水口的平均溫度。

換熱性能可根據(jù)其效率分為顯熱、潛熱以及全熱三種,圖5為冷卻系統(tǒng)不同冷卻階段的換熱效率曲線圖,具體為“吸取—輸送—冷卻—返回—冷卻—輸送—返回”七個階段。

圖5 各階段換熱效率曲線圖

通過圖5可以看出,冷卻過程中冷卻器的顯熱效率不斷增加,潛熱效率呈現(xiàn)出先增加后降低的態(tài)勢,全熱效率介于二者之間,冷卻系統(tǒng)的平均顯熱、潛熱以及全熱效率分別約為55%、25%、35%。

分析冷卻系統(tǒng)冷卻過程各個冷卻階段,冷卻水進(jìn)口速度對冷卻器換熱性能的影響,圖6為各冷卻階段不同冷卻水進(jìn)口速度下冷卻器的顯熱、潛熱與全熱效率變化曲線圖。

圖6 不同進(jìn)口速度下冷卻各階段換熱效率變化曲線圖

通過圖6可以看出,冷卻水進(jìn)口速度增大,烘烤各階段冷卻器的顯熱效率、潛熱效率和全熱效率整體呈逐漸下降趨勢,顯熱效率最高,潛熱效率最低,冷卻水溫度較低,經(jīng)冷卻后,冷卻水溫度變化較小,冷卻水速度對冷卻器換熱性能的影響較小。

分析應(yīng)用本文方法前后冷卻過程中總傳熱系數(shù)、對流換熱系數(shù)跟隨雷諾數(shù)的變化情況,結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 總傳熱系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線圖

圖8 對流換熱系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線圖

通過圖7、圖8可以看出,本文方法應(yīng)用后的總傳熱系數(shù)高于應(yīng)用前,且應(yīng)用前后的差異較大,應(yīng)用后比應(yīng)用前高約30%;對流換熱系數(shù)差異更大,應(yīng)用后比應(yīng)用前高約50%,其中,跟隨雷諾數(shù)的提升對流換熱系數(shù)對總傳熱系數(shù)的影響不斷增加。

3 結(jié)語

本文針對廣西海洋漁船研究并模擬其舷外冷卻系統(tǒng)換熱效率,通過分析換熱系數(shù)與冷卻水流速、冷卻效率等因素的變化,挖掘其相互之間的影響作用,通過上述分析可以看出,采用舷外冷卻方式具有更好的綜合換熱效果,并且該種方式能夠有效節(jié)約投資成本,具有較好的節(jié)能環(huán)保性能,若是能對其進(jìn)行大力推廣,可在一定程度上增加船用柴油機(jī)的工作壽命,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。