船用低速柴油機(jī)空冷器匹配計(jì)算方法

郭忠華

為能夠更好地設(shè)計(jì)與船用低速柴油機(jī)相匹配的空冷器，提出根據(jù)柴油機(jī)對空冷器性能和外形尺寸的要求，由傳熱學(xué)的原理計(jì)算空冷器理論換熱面積，然后再根據(jù)管片式空冷器結(jié)構(gòu)計(jì)算出冷卻水管和翅片的數(shù)量，由此確定實(shí)際換熱面積的方法。某型號柴油機(jī)空冷器匹配計(jì)算結(jié)果表明，該方法有效。

船用低速柴油機(jī);冷器;換熱面積;匹配計(jì)算

船舶低速柴油機(jī)采用廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，在增壓器壓氣機(jī)蝸殼出口到進(jìn)入柴油機(jī)氣缸之間的空氣通道上要設(shè)置增壓空氣中間冷卻器(以下簡稱空冷器)[1-2]，以降低增壓空氣溫度。船用低速柴油機(jī)的設(shè)計(jì)制造模式為訂單式生產(chǎn)，根據(jù)船型不同,即使采用同一種型號低速柴油機(jī)，所需要的空冷器也不一定相同。空冷器的結(jié)構(gòu)和換熱面積需要根據(jù)每個(gè)項(xiàng)目所選配的低速柴油機(jī)合同最大功率、轉(zhuǎn)速及進(jìn)氣量等參數(shù)來計(jì)算確定。每個(gè)項(xiàng)目需要訂制空冷器，故在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中必須要有一套快速有效的匹配計(jì)算方法，以準(zhǔn)確確定空冷器的結(jié)構(gòu)和材料用量，滿足生產(chǎn)需求。為此，提出一種空冷器匹配計(jì)算方法。

1 結(jié)構(gòu)工藝分析

船用低速柴油機(jī)空冷器一般采用獨(dú)立的冷卻水系統(tǒng)，易于調(diào)節(jié)冷卻效果。目前普遍使用的水冷式空冷器是采用管片式結(jié)構(gòu)[3]。管片式結(jié)構(gòu)根據(jù)制作工藝不同分為錫釬焊管片式和冷軋翅片脹管式空冷器。

錫釬焊管片式空冷器是在許多水管上套上一層層的散熱片，經(jīng)錫釬焊或堆錫焊焊接在一起。冷卻水管和散熱片采用紫銅或黃銅制造，其制造工藝復(fù)雜，容易出現(xiàn)虛焊和脫焊現(xiàn)象。

冷軋翅片脹管式空冷器是直接將冷軋成型后的翅片用脹管法固定在水管上，然后水管再采用脹管法固定在管板上，因此該型空冷器具有制作工藝簡單，工作可靠性好，接觸熱阻小，傳熱系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，并得到廣泛應(yīng)用。

冷軋翅片管式空冷器主要由兩端水蓋、冷卻芯組及殼體組成。冷卻芯組由固定管板(大管板)、活動管板(小管板)、翅片管、側(cè)板等構(gòu)成，組裝時(shí)，冷卻芯組吊裝到殼體里面，殼體的固定端法蘭面、墊片和固定管板用螺栓連接并密封，在殼體活動端的內(nèi)框與活動管板外周的間隙中裝一根○型密封圈(丁腈橡膠)，用一組螺栓將壓圈的斜面與○型橡膠密封圈壓緊，并將氣側(cè)密封。見圖1。

圖1 管片式空冷器結(jié)構(gòu)示意

2 船用低速柴油機(jī)空冷器匹配

2.1 空冷器工作原理

空冷器安裝在柴油機(jī)的進(jìn)氣管道中，高溫的增壓空氣從增壓器端進(jìn)入空冷器的冷卻芯組，高速氣流橫向流過芯組的翅片，向管內(nèi)的冷卻水釋放出熱量后溫度下降，被冷卻的增壓空氣由空冷器出氣側(cè)經(jīng)汽水分離器后，由掃氣箱流向柴油機(jī)氣缸內(nèi)工作，如圖2所示。冷卻水由進(jìn)出水端蓋的進(jìn)口接入，沿冷卻水管內(nèi)回流并吸收熱空氣釋放出的熱量后，從進(jìn)出水端蓋的冷卻水出口排出，如圖3所示。換熱過程中，冷熱介質(zhì)不接觸。高溫的空氣經(jīng)空冷器芯組冷卻后，流過設(shè)置在空冷器出風(fēng)側(cè)的汽水分離器時(shí)，受垂直布置的葉片組的碰撞，過飽和的水氣變成冷凝水析出，經(jīng)汽水分離器和殼體的放水接頭排出。

圖2 柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)示意

圖3 空冷器介質(zhì)流向示意

2.2 柴油機(jī)相關(guān)參數(shù)確定

柴油機(jī)經(jīng)過選型確定功率、轉(zhuǎn)速、油耗、進(jìn)氣量等性能參數(shù)后，通過柴油機(jī)型譜可計(jì)算出空氣側(cè):換熱量、空冷器前壓力、空冷器前溫度、空冷器后溫度、空氣流量、壓力降；冷卻水側(cè)：進(jìn)水溫度、水流速、水流量、壓力降等相關(guān)參數(shù)要求。經(jīng)選型確定的柴油機(jī)，需要設(shè)計(jì)出合理的孔道，以供安裝合適大小的空冷器。

某型號船用低速柴油機(jī)相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 柴油機(jī)空冷器相關(guān)參數(shù)要求

2.3 空冷器所需換熱面積計(jì)算

根據(jù)傳熱學(xué)基本原理[4]:

(1)

式中：A為換熱面積;Q為換熱量;K為總傳熱系數(shù);Δt為對數(shù)平均溫差。

由式(1)可知，若想求得換熱面積A，必須先確定換熱量Q(由表1柴油機(jī)參數(shù)可知)；不同類型空冷器根據(jù)結(jié)構(gòu)和選用芯組材質(zhì)的不同，K值計(jì)算方法也不盡相同，均有相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，傳熱系數(shù)K值可由空冷器廠家提供；空冷器是冷熱流體交叉流動的熱交換器，其有效對數(shù)平均溫差等于純逆流流動的對數(shù)平均溫差Δt[5]。

(2)

式中：Δt1=tb-to=180.7 ℃；Δt2=ta-ti=6 ℃。

其中:tb為空冷器前空氣溫度；to為冷卻水出水溫度；ta為空冷器后空氣溫度；ti冷卻水進(jìn)水溫度。由此求得Δt=51.3 ℃，在確定Q和Δt后，K值取137 W/(m2·℃)，由式(1)計(jì)算出空冷器所需的總換熱面積A=234.3 m2。

2.4 空冷器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定型

在確定柴油機(jī)選型及空冷器相關(guān)參數(shù)之后，計(jì)算空冷器所需的總換熱面積。在空冷器設(shè)計(jì)定型時(shí)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)需要確定冷卻芯組水管數(shù)量n1和翅片數(shù)量n2。以管片式空冷器為例，根據(jù)空冷器外形尺寸，已知冷卻芯組尺寸參數(shù)如下。

長L=1.1 m；翅片長B=1.36 m；高H=0.36 m；翅片間距S=0.001 9 m；翅片厚度δ=0.000 1 m；水管直徑D=0.011 m。

翅片換熱面積A1為

(3)

水管換熱面積A2為

A2=(L-n2δ)Dπn1

(4)

式中：L=(n2+1)S+n2δ，由此得

(5)

又因?yàn)?/p>

A=BHn2+(LπD-πD2n2/4-πDδn2)n1

由此可計(jì)算出冷卻芯組水管數(shù)量n1=693和翅片數(shù)量n2=549。

由于n1、n2應(yīng)取整數(shù)，故需保證取數(shù)后A≤A1+A2，即實(shí)際總換熱面積大于等于理論總換熱面積,并最終得出實(shí)際換熱面積。

在實(shí)際生產(chǎn)中需要將上述計(jì)算方法編制成一套計(jì)算軟件，然后將表1所知的數(shù)據(jù)填入計(jì)算軟件，即得出該項(xiàng)目低速柴油機(jī)所需匹配的空冷器實(shí)際換熱面積，見表2。

表2 某項(xiàng)目柴油機(jī)空冷器熱工計(jì)算表

一般在計(jì)算換熱系數(shù)K時(shí)均忽略污垢系數(shù)的影響[3]，為了能夠保證空冷器在柴油機(jī)運(yùn)行過程中正常發(fā)揮作用，故在設(shè)計(jì)空冷器實(shí)際總換熱面積時(shí)應(yīng)留有10%～15%的裕度。通過表2可以看出該項(xiàng)目空冷器換熱面積留有10.75%裕度。同時(shí)為了保證增壓空氣進(jìn)氣壓力，空氣經(jīng)過空冷器后的壓降ΔPa一般要小于2～3 kPa，由于增加翅片間距可以減小空氣側(cè)流通阻力[6]，所以一般求空冷器在滿足換熱量的前提下，翅片間距S不應(yīng)小于1.9 mm,從表2可以看出該項(xiàng)目所設(shè)計(jì)空冷器符合上述要求。

3 結(jié)論

1)對于低速柴油機(jī)廠家而言，可采用此方法迅速確定空冷器的結(jié)構(gòu)尺寸和性能參數(shù)，用以驗(yàn)證柴油機(jī)空冷器安裝位置的設(shè)計(jì)是否合理以及空冷器采購前的選型。

2)對于空冷器廠家而言，在設(shè)計(jì)空冷器時(shí)，可利用此方法使空冷器在滿足柴油機(jī)要求的前提下，盡可能減少材料使用，從而降低成本。

3)未對空冷器傳熱系數(shù)K值的確定進(jìn)行介紹，傳熱系數(shù)K一般與空冷器的具體結(jié)構(gòu)和芯組選用的材料有關(guān)，一般由空冷器廠家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出，不在此贅述。

總之，空冷器芯組元件結(jié)構(gòu)、布置、制造工藝，以及選材的合理性，均是影響其換熱效率的因素。

[1] 呂代臣,尹自斌,孫培廷.船用柴油機(jī)空冷器變流量冷卻系統(tǒng)原理[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào),2005,31(3):9-12.

[2] 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[3] 余建祖.換熱器原理與設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版，2006.

[4] 章熙民,等.傳熱學(xué)[M].6版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[5] 周蘭欣，周玉，曹智杰.600 MW空冷機(jī)組凝汽器換熱面積計(jì)算[J].汽輪機(jī)技術(shù),2012,54(2):99-101.

[6] 石磊,張薇,劉海峰,等.國產(chǎn)空冷單排管流動和傳熱性能研究[J].電站系統(tǒng)工程,2009,25(2):19-21.

On Calculation Method of Low Speed Marine Diesel Engine Matching the Scavenge Air Cooler

GUOZhong-hua

(Yuchai Marine Power Co. Ltd., Zhuhai Guangdong 519175, China)

In order to design the scavenge air cooler (SAC) to match the low speed marine diesel engine better. A calculation method was presented. According to engine’s performance and overall dimension of SAC, the heat transfer area of SAC was calculated by the heat transfer theory. In terms of the structure of the tube-fin type SAC, the numbers of tube and fin could be determined so as to get the actual heat transfer area. The results of matching calculation for a engine’s SAC verified that this method is feasible.

low speed marine diesel engine; scavenge air cooler; heat transfer area; matching calculation.

(玉柴船舶動力股份有限公司，廣東 珠海 519175)

U664.121.1

A

1671-7953(2017)06-0105-03

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.024

2016-10-08

2017-03-01

郭忠華(1986—)，男 ，學(xué)士，助理工程師

研究方向：船用低速柴油機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)