广西海洋渔船用舷外冷却系统换热效率模拟研究

陶 俊

(广西壮族自治区北海船舶检验中心,广西 北海 536006)

0 引言

广西壮族自治区南邻北部湾沿海,面对东南亚,西南与越南接壤,东临粤、港、澳,北连华中地区,背对中国大西南地区,与多省毗邻,是我国西南地区最便利的出海大通道,是华南通往西南的要冲,其具有较好的近海、沿江、沿边资源等优势[1]。广西处于低纬度地带,境内水域繁多。由于气候条件优越,多样性的生态环境非常适合各种鱼类以及水生野生动物栖息和繁殖[2]。

渔船柴油机的工作寿命限制了渔产业的经济发展,而柴油机的工作寿命主要取决于其冷却性能[3]。当前情况下,我国主要应用的海洋渔船柴油机大多是海水开式冷却,该种冷却形式下,因为海水中含盐量较高且存在较多杂质,冷却系统的出水温度过高时易于冷却处堆积盐分,导致冷却效果减弱,严重时引起冷却系统拥堵,造成缸损[4]。并且冷却水进入柴油机的温度较低,导致机件应力提升,热效率下降,海水还具有一定的腐蚀性,影响渔船柴油机的使用寿命。为解决上述问题,孙猛[5]通过单片机实现对船用冷却系统的水温控制,王振等[6]研究并模拟了船用冷却系统喷淋流动和换热,但其设计的冷却系统部署在机舱,导致安装困难,所以难以普及应用。为此,本文针对广西海洋渔船设计船用舷外冷却系统并模拟其换热效率,简化机舱部署的同时,防止出现流道拥堵情况,污垢少、可靠性强,有效限制冷却水出机温度、提升柴油机热效率,耗油率也随之下降。该冷却系统可保证出入柴油机的冷却水温度区间,令柴油机在特定温度区间内运行,冷却元件受热均匀,使用寿命延长。

1 船用舷外冷却系统换热效率模拟

1.1 广西海洋渔船用舷外冷却系统结构

广西海洋渔船用舷外冷却系统的主要原件是舷外冷却器,其设计的合理性决定了系统的整体性能、具体冷却情况以及渔船成本[7],为此文中应用双层舭龙骨舷外冷却器,其具体结构如图1所示。

图1 广西海洋渔船用舷外冷却系统冷却器结构图

通过图1可以看出,广西海洋渔船用舷外冷却系统的冷却器采取了以两舷舭龙骨构建三角截面水腔的形式,经焊接于横舱壁上的弯板导通左右舷水腔,在机舱两侧设置进出水口,连接冷却系统与冷却水,在舭龙骨水腔中部署紊流挡板[8],避免出现层流情况,破坏冷却效果。冷却器结构、材料都较为普遍、便宜,制作安装成本低。为保持舭龙骨对渔船横摇的限制,通过计算选取适宜舭龙骨作用面积,确保渔船性能不受阻碍。同时,双层舭龙骨极大程度地提升了其强度与刚度,可有效减少碰撞损伤情况[9],即便出现类似情况,也会开启机舱内的应急冷却系统,保证渔船正常作业。

1.2 广西海洋渔船用舷外冷却系统工作原理

广西海洋渔船用舷外冷却系统工作原理如图2所示。

图2 广西海洋渔船用舷外冷却系统原理图

冷却水泵经由齿轮箱机油冷却器吸取舷外冷却器中的淡水,将其输送至柴油机机油冷却器和各冷却元件后返回至舷外冷却器[10],冷却系统呈闭合形式循环;通过舷外冷却器中的海水冷却淡水在柴油机高温元件部分获得的热量,然后将冷却水输送至柴油机元件对其进行降温,不断循环。由于淡水长期处于高温下会出现蒸发的情况,需安装膨胀水箱[11]。为实现柴油机进水温度调控,安装旁通管路,并设置备用冷却系统、总用泵海水应急管路以及其余对应仪表。

1.3 广西海洋渔船用舷外冷却系统换热效率模拟

1.3.1 舷外冷却系统相关参数计算

由于渔船所用柴油机的冷却系统换热面积存在差异,所以需要计算冷却系统的相关参数。

柴油机传给冷却水的热量(换热量)表示为:

Q=Ne·ge·Qu·ki

(1)

式中:Ne、ge——柴油机的额定功率、燃油耗油率;

Qu、ki——燃油低热值、冷却水带走热量百分比。

舷外海水温度对数平均温差表示为[12]:

Δt=t1-t2/[ln(t-t1/t-t2)]

(2)

式中:t1、t2、t——冷却水进机、出机、舷外海水的温度。

冷却系统内水流速表示为:

Va=Dt/fn·3 600ρ

(3)

式中:Dt——冷却水泵排量;

fn——舷外冷却系统内径截面积;

ρ——管内冷却水密度。

雷诺数Ren表示为:

Ren=Vn·dn/Vn

(4)

式中:Vn、dn——冷却系统的冷却水运动黏度和当量直径。

雷诺数Rew表示为:

Rew=Vs·dw/Vw

(5)

式中:Vs、Vw——舷外海水与冷却系统相对速度、舷外海水的运动黏度。

努谢尔特数表示为[13]:

Nu=0.023Ren0.8Prn0.4

(6)

式中:Prn——波兰特准数。

冷却系统内壁厚度表示为:

(7)

式中:dw——冷却系统外径当量直径。

总热阻表示为:

(8)

式中:λ——钢的导热系数;

Rn、Rw——冷却系统内、外的水污垢系数。

冷却系统内水湍流时的放热系数表示为:

α1=Nu·λn/dn

(9)

式中:λn——水导热系数。

舷外水放热系数表示为:

(10)

式中:C、λw——系数、舷外海水的导热系数。

总传热系数表示为:

(11)

式中:βz、h、s——冷却系统的安装影响系数。

舷外冷却系统总换热面积表示为:

F=Q/Δt·ψ·K

(12)

式中:ψ——温度修正系数。

1.3.2 舷外冷却系统相关数学模型

舷外冷却系统冷却水的流动与换热遵循质量、动量以及能量守恒定律。

根据质量守恒定律获取其对应守恒方程,表示单位时间内冷却水微元体内的质量增加量与相同时间进入该微原体的质量相等[14],表示为:

(13)

式中:u、v、w——空间直角坐标系中x、y、z方向的速度分量。

动量守恒方程表示微元体内冷却水的动量相对时间的变化速率与作用在该微原体上的各种力之和相等,表示为:

(14)

式中:U、μ——速度矢量、动力黏度;

Su、Sv、Sw——方程的三个广义源。

能量守恒方程表示微元体内冷却水的能量增加速率与进入该微原体的净热量加上体、面力对微原体所做功相等[15],表示为:

(15)

式中:Cp——速度矢量;

Sτ——黏性耗散项。

冷却系统内水湍流时应用k-ε模型,其将湍流的动能、扩散表示为:

(16)

(17)

式中:Gp——速度在平均变化率下的湍动能;

Gb——冷却水形成的浮力;

Ym——冷却水在湍流时的扩张贡献度;

ui——时均速度;

μ——湍流黏度;

σk、σg——Prandtl数;

G1g、G2g、G3g——经验常数;

Sk、Sg——源项。

综上所述,换热效率模拟模型表示为:

(18)

2 试验分析

为分析本文方法的性能和效果,采用Matlab R2016a软件展开广西海洋渔船用舷外冷却系统换热效率模拟测试。

在不同舭龙骨两舷距下,分析换热系数与舷外冷却系统进水口水流速的关系,结果如图3所示。

通过图3可以看出,换热系数跟随进水口流速的提升而提升。当舭龙骨两舷距为1.4 mm时,换热系数在速度变化下增加约2%,当舷距为2.2 mm时,换热系数增加约15%。由此可见,跟随流速的增加,其对换热系数的影响也逐渐加深,原因是舷距增加后冷却水运动加快,导致流速提升冷却水湍动性,换热系数增加。

通过图4可以看出,跟随进水口流速的提升,综合因子在流速为[0.2,0.4]区间内出现大幅降低,在[0.4,0.8]区间大致平稳,在进水口速度为0.2 m/s时综合因子值最大,此时冷却水进入层流状态,原因是压降太小导致。所以冷却水的流速高于0.5 m/s后可信度最大。

分别以单片机冷却系统换热模拟(文献[5])、喷淋流动冷却系统换热模拟(文献[6])为参照,对比其与本文方法的模拟结果,记录三种方法的冷却效率,结果如表1所示。

图4 综合因子随进水口流速的变化曲线图

表1 冷却效率对比结果表

通过表1可以看出,本文方法的出水口温度最低为365 ℃,冷却效率最高为98.4%,文献[6]方法的出水口温度最高为403 ℃,冷却效率最低为86.6%,说明本文方法选用的舷外冷却系统冷却器应用后可有效降低系统出水口的平均温度。

换热性能可根据其效率分为显热、潜热以及全热三种,图5为冷却系统不同冷却阶段的换热效率曲线图,具体为“吸取—输送—冷却—返回—冷却—输送—返回”七个阶段。

图5 各阶段换热效率曲线图

通过图5可以看出,冷却过程中冷却器的显热效率不断增加,潜热效率呈现出先增加后降低的态势,全热效率介于二者之间,冷却系统的平均显热、潜热以及全热效率分别约为55%、25%、35%。

分析冷却系统冷却过程各个冷却阶段,冷却水进口速度对冷却器换热性能的影响,图6为各冷却阶段不同冷却水进口速度下冷却器的显热、潜热与全热效率变化曲线图。

图6 不同进口速度下冷却各阶段换热效率变化曲线图

通过图6可以看出,冷却水进口速度增大,烘烤各阶段冷却器的显热效率、潜热效率和全热效率整体呈逐渐下降趋势,显热效率最高,潜热效率最低,冷却水温度较低,经冷却后,冷却水温度变化较小,冷却水速度对冷却器换热性能的影响较小。

分析应用本文方法前后冷却过程中总传热系数、对流换热系数跟随雷诺数的变化情况,结果如图7、图8所示。

图7 总传热系数与雷诺数关系曲线图

图8 对流换热系数与雷诺数关系曲线图

通过图7、图8可以看出,本文方法应用后的总传热系数高于应用前,且应用前后的差异较大,应用后比应用前高约30%;对流换热系数差异更大,应用后比应用前高约50%,其中,跟随雷诺数的提升对流换热系数对总传热系数的影响不断增加。

3 结语

本文针对广西海洋渔船研究并模拟其舷外冷却系统换热效率,通过分析换热系数与冷却水流速、冷却效率等因素的变化,挖掘其相互之间的影响作用,通过上述分析可以看出,采用舷外冷却方式具有更好的综合换热效果,并且该种方式能够有效节约投资成本,具有较好的节能环保性能,若是能对其进行大力推广,可在一定程度上增加船用柴油机的工作寿命,具有较好的经济效益。