漁船主機(jī)尾氣余熱制冷發(fā)生器圍壁破裂分析及對策

王 靖，紀(jì)毓昭，朱陳程，趙新穎

(1 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；2 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237)

海洋捕撈作業(yè)離陸地較遠(yuǎn)，連續(xù)作業(yè)時(shí)間長，因此對海產(chǎn)品進(jìn)行冷藏保鮮必不可少。傳統(tǒng)漁船帶冰保鮮，存在用冰量大、保鮮期短、保鮮質(zhì)量不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，已不能滿足深遠(yuǎn)海漁船連續(xù)作業(yè)的需要。目前多數(shù)漁船配備壓縮式制冷系統(tǒng)，其能源耗費(fèi)大，不僅增加捕魚成本，也限制了漁船的發(fā)展[1]。漁船柴油機(jī)燃燒產(chǎn)生大量尾氣，如果直接排放，一方面會造成大氣污染；另一方面，尾氣溫度可超過400 ℃，這部分熱量未經(jīng)利用而隨尾氣散耗，也是一種能源浪費(fèi)[2]。考慮到節(jié)能環(huán)保要求，多家研究機(jī)構(gòu)開展了主機(jī)尾氣余熱制冷研究。商船方面，進(jìn)行了船舶主機(jī)熱平衡分析及其余熱利用[3-4]，以及船舶主機(jī)余熱與海水制取流化冰的裝置設(shè)計(jì)[5]；國外也開展了主機(jī)尾氣熱量回收方面的研究[6-7]。漁船方面，進(jìn)行了漁船氨水吸收式制冷系統(tǒng)的建模和理論運(yùn)行特性分析[8]。隨著研究的不斷成熟，主機(jī)尾氣余熱制冷設(shè)備在漁船上應(yīng)用越來越多，但是對于設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行方面的研究還不是很多。本文針對發(fā)生器圍壁裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，研究解決方法，防止類似問題再次發(fā)生。

1 制冷設(shè)備產(chǎn)生的問題

利用主機(jī)尾氣余熱驅(qū)動進(jìn)行制冷的方式主要有3種：吸收式制冷、固體吸附式制冷和蒸汽噴射式制冷。采用吸收式制冷和固體吸附式制冷方式的設(shè)備中都有發(fā)生器裝置，發(fā)生器裝置由不銹鋼圍壁、內(nèi)部熱管和煙箱組成。將制冷設(shè)備安裝到漁船上運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)生器不銹鋼圍壁會產(chǎn)生裂紋(圖1)，并且裂紋會逐漸增大，導(dǎo)致煙氣泄露嚴(yán)重，制冷效率降低。

圖1 發(fā)生器煙氣進(jìn)口圍壁裂紋

制冷設(shè)備安裝在漁船上，首先要避免因主機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生振動而導(dǎo)致該設(shè)備圍壁被振壞。主機(jī)尾氣通過排煙管進(jìn)入余熱制冷發(fā)生器，排煙管與主機(jī)之間用膨脹節(jié)連接。膨脹節(jié)是為了補(bǔ)償因溫度差與機(jī)械振動引起的附加應(yīng)力而設(shè)置在容器殼體或管道上的一種撓性結(jié)構(gòu)。連接在膨脹節(jié)后的排煙管的振動非常微弱，即使排煙管振動對發(fā)生器產(chǎn)生影響，破裂也應(yīng)該出現(xiàn)在發(fā)生器與排煙管相連接的進(jìn)口處，所以主機(jī)排煙管振動產(chǎn)生的影響可忽略；另外，制冷發(fā)生器設(shè)備設(shè)有底座，底座下的彈性墊塊可消除船舶振動對制冷設(shè)備的影響，因此可避免因船舶主機(jī)振動而產(chǎn)生的設(shè)備圍壁裂紋。圖2為制冷設(shè)備防振示意圖。

圖2 制冷設(shè)備防振示意圖

2 發(fā)生器圍壁破裂分析

2.1 發(fā)生器內(nèi)流場CFD分析

對于煙氣流量和流場的研究可采用儀器測試和數(shù)值模擬等方法[9-17]。利用數(shù)值模擬方法對發(fā)生器內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬分析，其基本方程為三維可壓縮雷諾平均守恒型N-S方程[18]，包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。在慣性坐標(biāo)系上，質(zhì)量守恒方程又稱連續(xù)性方程，其一般形式是：

(1)

動量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

式中：E—動能，J；ρ—密度，kg/m3；p—靜壓，Pa；μi、μj—速度分量，m/s；xi、xj—坐標(biāo)分量，m；δij—速度分量誤差；μ—層流黏性系數(shù)；keff—有效導(dǎo)熱率；τij—有效導(dǎo)熱率誤差；Jj′—組分j′的擴(kuò)散通量；T—溫度，℃。式(3)中方程右邊前三項(xiàng)為導(dǎo)熱項(xiàng)、組分?jǐn)U散項(xiàng)和黏性耗散項(xiàng)，Sh是包括化學(xué)反應(yīng)熱和其他體積熱源的源項(xiàng)。

湍流模型是雙方程模型中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是最簡單的完整湍流模型，其假定流場完全是湍流，可以忽略分子之間的黏性，由精確的湍流動能方程k方程和擴(kuò)散經(jīng)驗(yàn)公式ε方程構(gòu)成：

(4)

(5)

式中：k—湍動能，J；ε—湍流耗散率；Gk—由于平均速度梯度引起的湍動能，J；Gb—由于浮力影響引起的湍動能，J；YM—可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；αk和αε分別是湍動能k和耗散率ε的有效普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)。

發(fā)生器網(wǎng)格劃分見圖3，計(jì)算箱內(nèi)速度流線和壓力流線見圖4和圖5。

圖3 網(wǎng)格劃分

圖4 速度流線圖

圖5 壓力流線圖

應(yīng)用數(shù)值模擬對流場進(jìn)行速度和壓力分析，從結(jié)果可以看出，發(fā)生器煙氣進(jìn)口處的煙箱壁壓力相對較大，受沖擊比較厲害，出口處的煙氣流速則比較快。對圍壁進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，煙氣壓力取最大值43.5 Pa，煙氣流速取最大值7.11 m/s。經(jīng)計(jì)算，該圍壁承受最大應(yīng)力值為0.62 N/mm2，遠(yuǎn)小于該圍壁許用應(yīng)力值(該圍壁材料為304不銹鋼，其在700 ℃時(shí)許用應(yīng)力為13 N/mm2)氣流產(chǎn)生的壓力和速度都不能夠造成圍壁板的破壞，證明圍壁的強(qiáng)度足夠，圍壁板厚度滿足強(qiáng)度要求。故分析可能為煙氣產(chǎn)生的激勵(lì)頻率和圍壁結(jié)構(gòu)固有頻率發(fā)生共振引起結(jié)構(gòu)破壞。故對圍壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，找出結(jié)構(gòu)的固有頻率，避開氣流和結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的頻率范圍，避免圍壁結(jié)構(gòu)因共振而被破壞。

2.2 圍壁結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種方法，是一種基于振動理論的求解模態(tài)參數(shù)的方法，是系統(tǒng)識別方法在振動工程的重要應(yīng)用[19]。模態(tài)反映的是結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一階模態(tài)具有對應(yīng)的固有頻率和模態(tài)振型，當(dāng)圍壁固有頻率和煙氣頻率相近時(shí)，可能發(fā)生低階共振，其破壞性強(qiáng)，但隨著階次的提高，共振破壞性逐漸減弱且不易觸發(fā)，故取前6階的低階模態(tài)進(jìn)行分析[20]。

進(jìn)行模態(tài)分析得到物體在某一受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)特性，是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要方法[21]。該圍壁破裂如為共振引起，將該圍壁結(jié)構(gòu)固有頻率波段避開此范圍即可解決問題。改變結(jié)構(gòu)固有頻率的方法有調(diào)整圍壁結(jié)構(gòu)形式、更換圍壁材料等[22-27]，對于該設(shè)備，改變結(jié)構(gòu)形式比較容易。改變結(jié)構(gòu)形式有改變板厚、改變圍壁形狀、圍壁板加筋等方法，對于可操作小的空間設(shè)備，用加筋的辦法不方便操作，增加板厚是改變結(jié)構(gòu)固有頻率較為方便快捷的方法。

已破裂發(fā)生器外圍壁壁板材料為304不銹鋼，圍壁為圓筒結(jié)構(gòu)，直徑500 mm，高1 000 mm，圍壁厚1.5 mm，耐高溫800 ℃，密度7 930 kg/m3，彈性模量1.93 GPa，泊松比0.3。建立該圍壁有限元模型，并按實(shí)際情況定義模型邊界條件(圖6)，并進(jìn)行模態(tài)分析。

圖6 圍壁模態(tài)分析有限元模型

板厚1.5 mm一階到六階的模態(tài)分析結(jié)果見圖7，相應(yīng)的各階頻率值見表1。通過增加圍壁板厚來改變結(jié)構(gòu)固有頻率，該圍壁仍為不銹鋼材料和圓筒結(jié)構(gòu)，模型大小和邊界條件均不改變。板厚2 mm和 3 mm時(shí)的模態(tài)分析結(jié)果見圖8、圖9。

圖7 板厚1.5 mm時(shí)圍壁模態(tài)分析結(jié)果

板厚一階頻率/Hz二階頻率/Hz三階頻率/Hz四階頻率/Hz五階頻率/Hz六階頻率/Hz1.5 mm50.3850.4152.2752.5857.4868.712.0 mm67.0067.0469.5169.9072.9390.713.0 mm100.10100.13101.75103.86104.37133.01

圖8 板厚2 mm時(shí)圍壁模態(tài)分析結(jié)果

3 分析和對策

運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到設(shè)備的固有頻率和振型等，并可通過改變結(jié)構(gòu)形式消除由于共振而產(chǎn)生的各種問題，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的模態(tài)分析將為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性、診斷及預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)故障、新產(chǎn)品的動態(tài)性能的預(yù)估及優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)[28-30]。利用有限元模型確定結(jié)構(gòu)模態(tài)，尤其對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)很重要。可以有效評價(jià)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性；在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)；診斷及預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障；控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲。通過有限元模態(tài)分析，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在滿足強(qiáng)度、剛度和振動等條件下，考慮到經(jīng)濟(jì)性等因素，圍壁厚度應(yīng)盡量小。

數(shù)值分析顯示，發(fā)生器圍壁板厚1.5 mm，其一階至六階頻率為50.38～68.71 Hz；當(dāng)板厚2 mm時(shí)，為67.00～90.71 Hz；當(dāng)板厚3 mm時(shí)，為100.10～133.01 Hz。圍壁板厚為2 mm時(shí)，其低階頻率值范圍與板厚1.5 mm的頻率值仍有重疊部分；當(dāng)板厚3 mm時(shí)，其低階頻率值范圍與板厚1.5 mm的頻率值沒有重疊部分。由于該厚度避開了會產(chǎn)生共振的頻率范圍，可以選用3 mm厚度的不銹鋼板制作設(shè)備的新圍壁。

由于薄壁結(jié)構(gòu)的模態(tài)一般比較密集[31]，很容易被激振產(chǎn)生振動噪聲、疲勞等問題，在設(shè)備設(shè)計(jì)階段需要對薄壁結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行模態(tài)分析和優(yōu)化，選用合適的結(jié)構(gòu)形式和材料，以確保其固有頻率遠(yuǎn)離激勵(lì)頻率，避免發(fā)生共振。

圖9 板厚3 mm時(shí)圍壁模態(tài)分析結(jié)果

4 結(jié)論

由于薄壁結(jié)構(gòu)在制冷設(shè)備運(yùn)行時(shí)發(fā)生破裂，導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作。通過CFD流場分析和結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，找到結(jié)構(gòu)破裂的原因，該圍壁為薄壁結(jié)構(gòu)，由于模態(tài)密集，容易引起共振而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。對于可操作空間小的設(shè)備，需要通過改變結(jié)構(gòu)形式改變結(jié)構(gòu)固有頻率避開導(dǎo)致共振頻率范圍，采用增加板厚辦法效果明顯。后續(xù)設(shè)計(jì)中，在選擇圍壁厚度時(shí)要考慮多方面因素影響。對于薄壁結(jié)構(gòu)，低階頻率共振容易發(fā)生，設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行模態(tài)分析，避免共振現(xiàn)象發(fā)生。

用3 mm厚度不銹鋼板替換1.5 mm厚不銹鋼板制作成新的發(fā)生器圍壁，將設(shè)備仍然安裝在上海標(biāo)準(zhǔn)化漁船(36 m標(biāo)準(zhǔn)化桁桿拖網(wǎng)系列漁船)上使用，該設(shè)備開始使用同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，運(yùn)行同之前發(fā)生破裂時(shí)同樣時(shí)間后，更換過圍壁結(jié)構(gòu)的制冷設(shè)備發(fā)生器圍壁沒有再發(fā)生裂紋等損壞現(xiàn)象。

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