廣西海洋漁船用舷外冷卻系統換熱效率模擬研究

陶 俊

(廣西壯族自治區北海船舶檢驗中心,廣西 北海 536006)

0 引言

廣西壯族自治區南鄰北部灣沿海,面對東南亞,西南與越南接壤,東臨粵、港、澳,北連華中地區,背對中國大西南地區,與多省毗鄰,是我國西南地區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、沿邊資源等優勢[1]。廣西處于低緯度地帶,境內水域繁多。由于氣候條件優越,多樣性的生態環境非常適合各種魚類以及水生野生動物棲息和繁殖[2]。

漁船柴油機的工作壽命限制了漁產業的經濟發展,而柴油機的工作壽命主要取決于其冷卻性能[3]。當前情況下,我國主要應用的海洋漁船柴油機大多是海水開式冷卻,該種冷卻形式下,因為海水中含鹽量較高且存在較多雜質,冷卻系統的出水溫度過高時易于冷卻處堆積鹽分,導致冷卻效果減弱,嚴重時引起冷卻系統擁堵,造成缸損[4]。并且冷卻水進入柴油機的溫度較低,導致機件應力提升,熱效率下降,海水還具有一定的腐蝕性,影響漁船柴油機的使用壽命。為解決上述問題,孫猛[5]通過單片機實現對船用冷卻系統的水溫控制,王振等[6]研究并模擬了船用冷卻系統噴淋流動和換熱,但其設計的冷卻系統部署在機艙,導致安裝困難,所以難以普及應用。為此,本文針對廣西海洋漁船設計船用舷外冷卻系統并模擬其換熱效率,簡化機艙部署的同時,防止出現流道擁堵情況,污垢少、可靠性強,有效限制冷卻水出機溫度、提升柴油機熱效率,耗油率也隨之下降。該冷卻系統可保證出入柴油機的冷卻水溫度區間,令柴油機在特定溫度區間內運行,冷卻元件受熱均勻,使用壽命延長。

1 船用舷外冷卻系統換熱效率模擬

1.1 廣西海洋漁船用舷外冷卻系統結構

廣西海洋漁船用舷外冷卻系統的主要原件是舷外冷卻器,其設計的合理性決定了系統的整體性能、具體冷卻情況以及漁船成本[7],為此文中應用雙層舭龍骨舷外冷卻器,其具體結構如圖1所示。

圖1 廣西海洋漁船用舷外冷卻系統冷卻器結構圖

通過圖1可以看出,廣西海洋漁船用舷外冷卻系統的冷卻器采取了以兩舷舭龍骨構建三角截面水腔的形式,經焊接于橫艙壁上的彎板導通左右舷水腔,在機艙兩側設置進出水口,連接冷卻系統與冷卻水,在舭龍骨水腔中部署紊流擋板[8],避免出現層流情況,破壞冷卻效果。冷卻器結構、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度與剛度,可有效減少碰撞損傷情況[9],即便出現類似情況,也會開啟機艙內的應急冷卻系統,保證漁船正常作業。

1.2 廣西海洋漁船用舷外冷卻系統工作原理

廣西海洋漁船用舷外冷卻系統工作原理如圖2所示。

圖2 廣西海洋漁船用舷外冷卻系統原理圖

冷卻水泵經由齒輪箱機油冷卻器吸取舷外冷卻器中的淡水,將其輸送至柴油機機油冷卻器和各冷卻元件后返回至舷外冷卻器[10],冷卻系統呈閉合形式循環;通過舷外冷卻器中的海水冷卻淡水在柴油機高溫元件部分獲得的熱量,然后將冷卻水輸送至柴油機元件對其進行降溫,不斷循環。由于淡水長期處于高溫下會出現蒸發的情況,需安裝膨脹水箱[11]。為實現柴油機進水溫度調控,安裝旁通管路,并設置備用冷卻系統、總用泵海水應急管路以及其余對應儀表。

1.3 廣西海洋漁船用舷外冷卻系統換熱效率模擬

1.3.1 舷外冷卻系統相關參數計算

由于漁船所用柴油機的冷卻系統換熱面積存在差異,所以需要計算冷卻系統的相關參數。

柴油機傳給冷卻水的熱量(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——冷卻水進機、出機、舷外海水的溫度。

冷卻系統內水流速表示為:

Va=Dt/fn·3 600ρ

(3)

式中:Dt——冷卻水泵排量;

fn——舷外冷卻系統內徑截面積;

ρ——管內冷卻水密度。

雷諾數Ren表示為:

Ren=Vn·dn/Vn

(4)

式中:Vn、dn——冷卻系統的冷卻水運動黏度和當量直徑。

雷諾數Rew表示為:

Rew=Vs·dw/Vw

(5)

式中:Vs、Vw——舷外海水與冷卻系統相對速度、舷外海水的運動黏度。

努謝爾特數表示為[13]:

Nu=0.023Ren0.8Prn0.4

(6)

式中:Prn——波蘭特準數。

冷卻系統內壁厚度表示為:

(7)

式中:dw——冷卻系統外徑當量直徑。

總熱阻表示為:

(8)

式中:λ——鋼的導熱系數;

Rn、Rw——冷卻系統內、外的水污垢系數。

冷卻系統內水湍流時的放熱系數表示為:

α1=Nu·λn/dn

(9)

式中:λn——水導熱系數。

舷外水放熱系數表示為:

(10)

式中:C、λw——系數、舷外海水的導熱系數。

總傳熱系數表示為:

(11)

式中:βz、h、s——冷卻系統的安裝影響系數。

舷外冷卻系統總換熱面積表示為:

F=Q/Δt·ψ·K

(12)

式中:ψ——溫度修正系數。

1.3.2 舷外冷卻系統相關數學模型

舷外冷卻系統冷卻水的流動與換熱遵循質量、動量以及能量守恒定律。

根據質量守恒定律獲取其對應守恒方程,表示單位時間內冷卻水微元體內的質量增加量與相同時間進入該微原體的質量相等[14],表示為:

(13)

式中:u、v、w——空間直角坐標系中x、y、z方向的速度分量。

動量守恒方程表示微元體內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冷卻水的能量增加速率與進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。

冷卻系統內水湍流時應用k-ε模型,其將湍流的動能、擴散表示為:

(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張貢獻度;

ui——時均速度;

μ——湍流黏度;

σk、σg——Prandtl數;

G1g、G2g、G3g——經驗常數;

Sk、Sg——源項。

綜上所述,換熱效率模擬模型表示為:

(18)

2 試驗分析

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換熱效率模擬測試。

在不同舭龍骨兩舷距下,分析換熱系數與舷外冷卻系統進水口水流速的關系,結果如圖3所示。

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

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

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

圖4 綜合因子隨進水口流速的變化曲線圖

表1 冷卻效率對比結果表

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[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冷卻器應用后可有效降低系統出水口的平均溫度。

換熱性能可根據其效率分為顯熱、潛熱以及全熱三種,圖5為冷卻系統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,潛熱效率呈現出先增加后降低的態勢,全熱效率介于二者之間,冷卻系統的平均顯熱、潛熱以及全熱效率分別約為55%、25%、35%。

分析冷卻系統冷卻過程各個冷卻階段,冷卻水進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。

分析應用本文方法前后冷卻過程中總傳熱系數、對流換熱系數跟隨雷諾數的變化情況,結果如圖7、圖8所示。

圖7 總傳熱系數與雷諾數關系曲線圖

圖8 對流換熱系數與雷諾數關系曲線圖

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

3 結語

本文針對廣西海洋漁船研究并模擬其舷外冷卻系統換熱效率,通過分析換熱系數與冷卻水流速、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約投資成本,具有較好的節能環保性能,若是能對其進行大力推廣,可在一定程度上增加船用柴油機的工作壽命,具有較好的經濟效益。