廣西海洋漁船用舷外冷卻系統(tǒng)換熱效率模擬研究

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(dòng)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(shí)易于冷卻處堆積鹽分,導(dǎo)致冷卻效果減弱,嚴(yán)重時(shí)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(dòng)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(shí),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(shí),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(huì)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(huì)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)與換熱遵循質(zhì)量、動(dòng)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(shí)間內(nèi)冷卻水微元體內(nèi)的質(zhì)量增加量與相同時(shí)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(dòng)量守恒方程表示微元體內(nèi)冷卻水的動(dòng)量相對時(shí)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(dòng)力黏度;

Su、Sv、Sw——方程的三個(gè)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(shí)應(yīng)用k-ε模型,其將湍流的動(dòng)能、擴(kuò)散表示為:

(16)

(17)

式中:Gp——速度在平均變化率下的湍動(dòng)能;

Gb——冷卻水形成的浮力;

Ym——冷卻水在湍流時(shí)的擴(kuò)張貢獻(xiàn)度;

ui——時(shí)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(shí),換熱系數(shù)在速度變化下增加約2%,當(dāng)舷距為2.2 mm時(shí),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(dòng)加快,導(dǎo)致流速提升冷卻水湍動(dòng)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(shí)綜合因子值最大,此時(shí)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(dòng)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(gè)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(gè)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。