船用柴油機冷卻器高效節能換熱管研究

1 引言

船用柴油機工作運轉時，氣缸內的燃氣溫度可以達到1800℃左右，因此與燃氣直接接觸的零部件，比如氣缸蓋、氣缸套、活塞、氣閥等受熱現象嚴重。如果不能及時有效地冷卻這些零部件，將會產生非常嚴重的后果，主要體現在四個方面。第一，運動旋轉零部件之間的正常間隙被破壞，會出現過度磨損、咬死等現象。第二，在熱應力載荷的作用下，材料的力學性能下降，導致工作的零部件出現塑性變形、裂紋和高溫蠕變。第三，潤滑油的溫度也會受影響而升高，導致其粘度下降，摩擦表面的油膜不易形成，更嚴重的還會失去潤滑作用。第四，燃燒室周圍的溫度過高會導致進氣溫度升高，氣體密度則會降低，從而顯著地影響了進氣量的大小，使得燃燒效率也大大降低。所以，研發高效換熱的冷卻器具有非常重要的意義。 目前關于換熱設備對流傳熱機理的研究，主要從以下幾個方面切入。

夜里十二點，法比從外面回來，身后跟著一個高大的西洋女士，學生們認識她，此刻輕聲稱呼她“魏特琳女士”。女士和法比一樣，說一口流利的中國話，手勢眼神也像中國人。她帶來了一個理發師給女孩剃頭。兩個小時之后，一群小女生成了一群小男生。魏特琳女士是乘一輛救護車來的，凌晨離去時，救護車里運載了一車穿著條紋病號服的少年病號，“他們”個個面黃肌瘦，眼睛呆滯無光，條紋病號服飄飄蕩蕩，看起來里面像沒有一具實質的身體。

(1)流體的流動狀態

流體的流動狀態可分為層流、過渡流和湍流。層流狀態指流體的流速不高，流動沿著相互平行的流線成層運動，而在和流動垂直的方向上，熱量的交換只能通過熱傳導進行。而湍流狀態則是指隨著流體流速的提高，各層流體之間出現強烈的混合運動，即在垂直于流動軸線的方向上有分速度，因此產生了巨大的熱量交換。而過渡流則是處于兩者之間的一種流動狀態。因此在熱量交換過程中為了獲到較高的傳熱效率，往往希望流體處于完全的湍流流動狀態。

(2)流體的性質

流體不同，粘度、比熱、密度、導熱系數等物理性質則不同，傳熱效率也必然不同。而對于同一種流體，在不同的溫度下，物理性質也會有所變化，進而會對傳熱效率產生影響。因此，在工程計算中選擇合適的流體也是一個很關鍵的問題。

本文建立了三種不同尺寸的波節換熱管模型，利用Fluent軟件數值模擬了波節換熱管內的流動及傳熱狀態，并和光滑直管的換熱效率進行了對比，為工程設計提供了參考依據。

實體的波節管是三維的，但其幾何特征是嚴格的軸對稱結構，因此為了節省計算時間和空間，將計算模型簡化為平面二維結構是可行的。在直角坐標系下，對建好的二維波節管模型進行網格劃分，如圖2所示。本模型采用四面體單元和映射網格法劃分，同時設定計算模型的流體屬性，并施加邊界條件。管內流動介質為冷卻水，進口溫度為20℃，進口流速范圍為0.03 m/s～0.6m/s，管壁面的溫度為60℃。管內流體的物性參數取值如表2所示，

為流體密度，

為比熱，

為粘度，

為導熱系數。

Zhu等[20]研究表明，在胰腺癌的SBRT治療中，BED10≥60 Gy的患者放療后6個月的腫瘤控制率相對較高，但未發現放療劑量與生存期之間有明顯相關性。本研究中，BED10≥60 Gy可延長患者總生存期和PFS。Krishnan等[21]報道，BED10>70 Gy可延長總生存期。這種由于提高劑量帶來的生存獲益可能與偏倚無關，因為該研究具有嚴格的納入標準并對混雜因素進行了評估，但不能排除其他可能潛在的因素的影響，因此，該結果還需進一步驗證。

圖3為速度場分布圖，從圖中可以看出，首先流體從入口流入波節換熱管后，要達到充分發展階段，需要經歷一定的流動長度，隨后速度沿著流動的方向呈現出周期性變化規律。沿著軸線X方向,以直邊段的起始處作為一個周期的開始，可以看出，由于直邊段管徑小，故流體的速度較高，而從直邊段的末尾開始，由于管徑開始擴張，流體在前半個圓弧內速度逐漸減小，在圓弧最高點處管徑最大，速度減到最小，在隨后的半個圓弧內又因為管徑逐漸收縮，速度逐步增大，直到在這個周期的終點處速度又達到最大。而沿著Y方向，管中心處速度最大，越接近管壁，流體速度越來越小，在管壁上速度為零。由流體力學可知，無論流體處于何種流動狀態，在流體與壁面之間總是存在一個層流底層，雖然這個現象無法消除，但是層流底層的厚度卻可以隨外界條件的變化而改變，流速越高，層流底層的厚度就越薄。

因此國內外學者對換熱管的尺寸和形狀進行了很多的研究和改進，各種異形換熱管層出不窮，例如翅片管、螺紋管等等。每種新型換熱管的換熱系數也都不盡相同，但均有著良好的強化傳熱效果。

(3)換熱元件的尺寸和形狀

2 波節換熱管尺寸

當前行業中常用的光滑直管換熱管的尺寸(外徑×壁厚)為Φ19mm×2mm、Φ25mm×2.5mm和Φ38mm×2.5mm幾種規格。實踐表明，換熱管直徑越小，管內流體流速越高，這樣一方面提高了對流換熱系數，另一方面也增加了單位體積的傳熱面積，在相同的換熱能力下，使得設備結構更加緊湊，節約了金屬材料。據工程估算，在不增大換熱器殼程直徑的前提下，用直徑Φ19mm的換熱管替換Φ25mm的換熱管，其傳熱面積可增加40%左右。但是換熱管直徑小的缺點是清洗困難，容易堵塞，且流動阻力增大，進而增加了泵的能耗。基于以上兩個原因的分析，本文設計的波節換熱管結構如圖1所示，波節管的直徑沿軸線方向周期性收縮和擴充。波節管結構圖中D為大徑，d為小徑，a為大圓弧軸向長度，b為直邊段軸向長度，s為一個周期長度。同時為了深入研究各個參數變化對傳熱性能的影響，這里主要考慮波節管縱向(X方向)和橫向(Y方向)兩個尺度的細微變化，設計出了3種不同型號的波節換熱管，各尺寸的具體數值見表1。

3 模型建立

換熱元件的尺寸和形狀，一方面會改變傳熱面積的大小，另一方面會改變流體的流動狀態，所以對換熱效率有著綜合性的影響。

4 流動和傳熱分析

對于強制對流換熱設備而言，影響管內對流傳熱的因素有很多，比如流體的物性、管子的幾何參數、流體的流速等。因此在實際傳熱分析中，通常將這些因素通過因次分析整理成準數的形式，常用的準數有雷諾數

，努塞爾數

。雷諾數是用以判別粘性流體流動狀態的一個無因次準數，用于區分層流和湍流狀態。努塞爾數是表征對流換熱強烈程度的一個無因次準數,流體流動過程中的對流傳熱系數越大，則努塞爾數也越大，即對流傳熱效果越好。這兩個準數的計算公式分別如下：

船用柴油機幾乎全部采用強制液體冷卻的方式，采用的換熱設備有板式和管殼式兩種類型。其中傳統的管殼式冷卻器具有結構簡單，造價較低，熱負荷能力大的優點。但缺點是換熱效率相對較低，其主要原因是采用的換熱元件為光滑直管，換熱面積小，層流現象嚴重，對流傳熱系數不高。

圖4為管內流體溫度場的分布情況。從圖中可以看出，在接近管壁的區域等溫線密集，而在靠近管子中心附近的區域等溫線非常稀疏。另外在波節管圓弧段內，流體受到波節管漸縮漸擴形狀的影響，混合流動劇烈，溫度梯度大，對流傳熱效果增強。

為了保證地鐵運行的安全，軌道的性能要符合相關的標準，其中，軌道的焊接過程是施工中的重要管理環節，對地鐵軌道的施工質量的影響非常大。在軌道環節中有以下幾點需要注意：①要選擇有豐富焊接經驗的焊接人員進行焊接操作，焊接要按照焊接操作流程進行操作。②采用合理的焊接方法。焊接分為多種形式的焊接，在對軌道進行焊接時，接觸焊法較為符合環節標準，在焊接質量和焊接效率上有相對的優勢。③在地鐵軌道焊接中會出現軌道斷裂等情況，焊接人員要及時的溝通，做好相應的應對措施。④加強焊接檢查。在對完成都焊接工序進行仔細的檢查，除了進行外觀檢查外，還要借助一定的設備進行檢驗，以保證質量達標。

由以上分析可以得出，和光滑直管相比較，由于波節管的表面沿軸線方向周期性收縮與擴張，流體混合運動強烈，流動邊界層出現周期性分離，即減少了層流底層熱傳導的區域，增加了湍流區域，符合對流傳熱的強化機理。

1.2 用藥方法 對照組患者輸注乳酸鈉林格注射液，觀察組患者輸注醋酸鈉鉀鎂鈣葡萄糖注射液，維持輸液速度約8.3 mL/min，約1 h輸注完成。后給予聚明膠肽注射液500～1 000 mL，平穩輸注，至手術結束余量繼續輸注帶返病房。在開始輸液前(T1)、輸液開始后30 min(T2)、輸注完液體即刻(T3)、輸注完液體后30 min(T4)、出手術室前(T5)，采集患者橈動脈血，檢測血糖、血酮、乳酸、堿剩余(BE)、電解質、pH等指標，并記錄血流動力學指標。

下面以2

波節管0.05m/s的進口流速為例，給出模擬計算結果，來說明其速度場和溫度場的分布規律。

因此為了定性分析，分別計算出每種尺寸波節管在不同雷諾數下的努塞爾數，并將兩者的變化關系繪制成曲線，同時也將等當量直徑光滑直管的努塞爾數繪制在一起，如圖5所示。

填制采購訂單、生成采購到貨單、生成入庫單、生成采購專用發票、采購結算、審核采購專用發票并制單，生成憑證如下：

從圖5中可以看出，在相同的雷諾數下，1

波節管的努塞爾數最大，其次是2

波節管，3

波節管最小。但三種型號波節管的努塞爾數隨雷諾數的變化趨勢是一致的，即努塞爾數均隨著雷諾數的增大而增大，且都比光滑直管大2～3倍左右，這說明波節管的強化傳熱效果十分明顯。將波節管作為換熱元件的管殼式冷卻器，應用于柴油機冷卻系統，將會使船用柴油機工作時的受熱零部件快速有效地降溫，從而確保柴油機的工作更加安全可靠。

第一是摸清現有管網的建設資料，建立管網管理信息化系統，在已有管網基礎上進行管網的優化布局，加大已有管網的維護管理。

本次72例研究對象均為我院2016年11月-2017年10月接收的急性顱腦損傷患者,男性患者數量與女性患者數量比值是40:32,最大年齡值是69歲,最小年齡值是23歲,均齡值數是(36.02±9.15)歲,其中27例患者因為交通事故引發顱腦急性損傷;25例患者因為打擊而引發顱腦急性損傷;20例患者因為高空墜落而引發顱腦急性損傷。入組標準:①經過診斷之后被明確診斷為急性腦出血患者;②本次研究所選人員均由其家屬簽署了知情協議書;排除標準:①重大心理以及精神疾病患者;②伴有心臟、肝、腎等嚴重器官疾病患者;③中途選擇退出患者。

5 結論

本文利用 Fluent軟件數值模擬了設計尺寸波節換熱管內的流動傳熱特性，得出如下結論:

(1)利用流體計算軟件進行傳熱模擬，可為實驗研究和實際生產提供參考依據。

(2)三種尺寸的波節管以光滑直管為基礎進行改良設計，均得到了較高的努塞爾數，是光滑直管的2～3倍左右。

(2)以波節換熱管作為管殼式冷卻器的傳熱元件，可以極大地提高船用柴油機的工作效率和使用壽命，具有實際的指導意義。

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