王小川 李雁飛 賀 國(guó)

（海軍工程大學(xué)艦船動(dòng)力工程軍隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1） 動(dòng)力工程學(xué)院2） 管理工程系3） 武漢 430033）

0 引 言

為降低艦船排氣系統(tǒng)排出高溫?zé)煔獾募t外輻射特征［1］，可以在排氣管路中噴入冷卻水霧的方法對(duì)高溫?zé)煔膺M(jìn)行冷卻降溫.

為研究噴淋冷卻特性，賀國(guó)等［2］對(duì)AIP（不依賴空氣推進(jìn)裝置）排出氣體噴淋冷卻及CO2氣體高效水吸收理論進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，建立了AIP排出氣體噴淋冷卻預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型.為降低排氣噪聲和排氣溫度；柳貢民等［3］對(duì)水噴淋消聲器進(jìn)行了數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明該方法是有效的.但噴淋消耗水量較大，且霧滴粒徑大，水滴與氣體傳熱傳質(zhì)效果差；為提高冷卻效果，袁江濤等［4］在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管路內(nèi)利用霧化噴嘴噴入冷卻細(xì)水霧的方式對(duì)高溫?zé)煔膺M(jìn)行冷卻降溫，柴油機(jī)煙氣溫度從管路進(jìn)口的358℃降低至排氣出口處的120℃.僅采用一級(jí)噴霧的冷卻方式，對(duì)煙氣降溫程度有限，對(duì)煙氣充分冷卻降溫所需噴水量的研究未見(jiàn)諸于文獻(xiàn).

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，分析噴入冷卻水流量大小對(duì)煙氣溫度降低的影響規(guī)律，并根據(jù)兩級(jí)噴霧后煙氣溫度變化規(guī)律，確定兩級(jí)噴霧最佳噴霧壓力和噴霧流量這2個(gè)噴霧參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱負(fù)荷關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)模型.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)噴霧降溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由3部分組成：柴油機(jī)排氣系統(tǒng)（含集水箱縮比模型）、高壓供水和兩級(jí)噴霧系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).

圖1所示為實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試系統(tǒng)示意圖.實(shí)驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為6135D－1柴油機(jī)，為噴霧降溫實(shí)驗(yàn)提供所需的高溫?zé)煔?圖中T1～T10為熱電偶測(cè)溫點(diǎn)，P1～P3為煙氣壓力測(cè)點(diǎn).通過(guò)沿程布置的T2～T7測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)第一級(jí)噴霧后煙氣溫度變化，各測(cè)點(diǎn)距離集水箱排氣出口截面的沿程距離分別為0.15，2.61，2.73，3.15，3.75和4.67m.T7～T10測(cè)點(diǎn)用來(lái)監(jiān)測(cè)第二級(jí)噴霧后煙氣溫度變化，各測(cè)點(diǎn)距離第二級(jí)噴霧裝置的沿程距離分別為：0.81，1.24和1.65m.

在集水箱中噴入第一級(jí)冷卻細(xì)水霧，利用耐高壓軟管將6個(gè)噴嘴連接在一起，構(gòu)成第一級(jí)噴霧裝置.利用高壓供水泵對(duì)第一級(jí)噴霧裝置進(jìn)行供水，通過(guò)噴嘴噴入的過(guò)量且未蒸發(fā)的冷卻水可通過(guò)集水箱底部的放泄閥排出.在下游排氣管路中噴入第二級(jí)冷卻細(xì)水霧，由于此處煙氣溫度相對(duì)較低，且 管路內(nèi)徑較小，因此僅布置三只噴嘴組成環(huán)路.

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置示意圖

1.2 單路壓力霧化噴嘴

實(shí)驗(yàn)用噴嘴為Spraying（噴霧）系統(tǒng)公司生產(chǎn)的LND型單路壓力微細(xì)霧化噴嘴，選用的LND0.6，LND1.5和 LND2.0三型噴嘴的孔徑分別為0.41，0.51和0.71mm.噴嘴霧化壓力均為1.0～5.0MPa，霧化后所產(chǎn)生的霧滴均屬于細(xì)水霧，并且霧滴粒徑隨霧化壓力的升高而減小，噴嘴流量隨霧化壓力的升高而增大［5］.

1.3 絲網(wǎng)除水裝置

由于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管路內(nèi)溫度較高，熱流密度大，因此選用耐高溫的不銹鋼金屬絲網(wǎng)將第一級(jí)噴霧后部分水滴從混合氣流中分離出來(lái).將單層金屬絲網(wǎng)固定在排氣管2個(gè)法蘭之間，豎直放置，在絲網(wǎng)的上游排氣管的底部設(shè)置楔形導(dǎo)流槽［6］，使被分離的水分沿導(dǎo)流槽流入在管壁上開設(shè)的小孔，被絲網(wǎng)分離出的水分從該小孔中流入疏水管路.在疏水管路的末端安裝了疏水閥，水分可以通過(guò)此閥排出排氣管路，同時(shí)也阻止了煙氣泄漏.

2 兩級(jí)噴霧降溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.1 噴霧量對(duì)溫降影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在各種工況下T2～T6各測(cè)點(diǎn)測(cè)量值的變化曲線中經(jīng)常出現(xiàn)溫度突降，即水霧附著對(duì)測(cè)溫準(zhǔn)確性的產(chǎn)生一定影響.而下游測(cè)點(diǎn)T7的變化值相對(duì)穩(wěn)定，因此將T7穩(wěn)定后的值作為第一級(jí)噴霧煙氣溫度穩(wěn)定值.

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在集水箱中噴入冷卻水霧后煙氣溫度有明顯降低，其降低幅度隨著煙氣初始溫度、噴嘴孔徑和噴霧壓力的改變而變化.圖2為T7測(cè)點(diǎn)值穩(wěn)定后的溫度實(shí)測(cè)值隨三型噴嘴噴霧壓力的變化情況，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)B－樣條擬合后的結(jié)果.由圖2可見(jiàn)，隨著噴霧壓力的升高，煙氣溫度逐漸降低；隨著噴嘴孔徑的增大，煙氣降溫的幅度也增大，這是因?yàn)楫?dāng)噴霧壓力一定時(shí)，噴孔越大噴霧量也越大.LND0.6噴嘴與LND1.5和LND2.0兩型噴嘴相比，對(duì)煙氣降溫的能力有限.當(dāng)柴油機(jī)在較高工況下，如煙氣初始溫度T1為753K時(shí)，LND0.6噴嘴在最大噴霧壓力5.0MPa時(shí)，使煙氣溫度僅降低到604.3K，而LND2.0噴嘴在相同條件下可使煙氣溫度降低到418.6K.

圖2 T7處煙氣溫度隨噴霧壓力變化

圖2 中LND1.5和LND2.0兩型噴嘴的曲線比較接近，但LND2.0噴嘴的耗水量比LND1.5大，且霧滴粒徑大，同等條件下霧滴蒸發(fā)慢.圖3a）中，LND1.5噴嘴噴霧壓力大于2.0MPa且繼續(xù)增加時(shí)，煙氣溫度基本不變，因此噴霧量的繼續(xù)增加已經(jīng)失去意義.圖2a）中有使煙氣溫度達(dá)到最低穩(wěn)定值的臨界壓力點(diǎn)存在，在圖2b）～d）中的部分工況條件下也有類似臨界點(diǎn)的出現(xiàn).

2.2 兩級(jí)噴霧噴嘴及壓力的確定

實(shí)驗(yàn)表明，隨著第一級(jí)噴霧壓力（流量）的增加，煙氣溫度值逐漸降低，但隨著噴霧流量的繼續(xù)增加，煙氣溫度降低變平緩，逐漸趨于某一穩(wěn)定值.此時(shí)若繼續(xù)增加噴霧流量，煙氣溫度變化不大，也即達(dá)到穩(wěn)定值以后增加的噴霧量對(duì)煙氣溫降產(chǎn)生的作用是無(wú)效的.因此在噴霧流量值的確定時(shí)，存在一個(gè)最大有效值［7］，稱之為“最佳噴霧流量”.

綜合比較圖2中三型噴嘴對(duì)煙氣降溫的特性，為使發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫?zé)煔庋杆倮鋮s至飽和溫度，且不噴入過(guò)量的冷卻水，將LND1.5型和LND0.6型噴嘴分別作為第一級(jí)噴霧和第二級(jí)噴霧所使用的噴嘴.

根據(jù)圖3中LND1.5型噴嘴使煙氣溫度趨于穩(wěn)定時(shí)的霧化壓力值，確定第一級(jí)噴霧最佳噴霧壓力p1m，第一級(jí)噴霧最佳噴霧壓力值及對(duì)應(yīng)煙氣溫度穩(wěn)定值見(jiàn)表1.當(dāng)進(jìn)行兩級(jí)噴霧實(shí)驗(yàn)時(shí)，將第一級(jí)噴霧壓力調(diào)整至表1中的目標(biāo)壓力后，逐步調(diào)整第二級(jí)噴霧壓力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比.

表1 兩級(jí)噴霧壓力

2.3 兩級(jí)噴霧后煙氣溫度測(cè)量結(jié)果

經(jīng)過(guò)第一級(jí)噴霧冷卻后，煙氣溫度已經(jīng)降低到了第一級(jí)噴霧降溫的極限值，即相應(yīng)壓力下的煙氣溫度的飽和值.利用絲網(wǎng)將一部分水分除去后，再噴入第二級(jí)細(xì)水霧時(shí)煙氣溫度仍有一定幅度降低.

圖3 兩級(jí)噴霧后T10點(diǎn)溫度瞬態(tài)變化

圖3 反映了表1中兩級(jí)噴霧工況下，T10測(cè)點(diǎn)溫度值隨兩級(jí)噴霧時(shí)間的變化規(guī)律，圖中點(diǎn)為第二級(jí)噴霧不同噴霧壓力下煙氣溫度變化實(shí)測(cè)值，曲線為將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)B－樣條擬合后的結(jié)果.從圖中可見(jiàn)，隨著第二級(jí)噴霧壓力的升高，煙氣溫度降低幅度增大，且穩(wěn)定后的煙氣溫度值比僅進(jìn)行第一級(jí)噴霧時(shí)的穩(wěn)定值低.圖3a）中的A點(diǎn)處有明顯的溫度突降，這是被第一級(jí)噴霧冷卻的煙氣經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)動(dòng)后流經(jīng)T10測(cè)點(diǎn)處，由于第一級(jí)噴霧比第二級(jí)噴霧流量大，降溫幅度大，因此突降是由于第一級(jí)噴霧和第二級(jí)噴霧的溫降疊加所產(chǎn)生的結(jié)果.圖3中，當(dāng)?shù)诙?jí)噴霧壓力為1MPa時(shí)，煙氣溫度即可降低到較低值，這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)第一級(jí)噴霧后煙氣溫度已經(jīng)降低到比較低的范圍，再經(jīng)過(guò)第二級(jí)噴霧后，煙氣溫度繼續(xù)降低，因此溫度可降至340K左右.

而隨著煙氣初始溫度的繼續(xù)升高，當(dāng)煙氣溫度為673K時(shí)，圖3c）中，當(dāng)?shù)诙?jí)噴霧壓力為4 MPa時(shí)，煙氣溫度最終穩(wěn)定值為343.1K，此時(shí)第二級(jí)噴霧壓力為最佳噴霧壓力.

當(dāng)煙氣初始溫度高于673K后，第二級(jí)噴霧壓力為1～3MPa時(shí)，T10測(cè)點(diǎn)處煙氣溫度降低到400K左右，便不再繼續(xù)降低，說(shuō)明噴霧流量仍不足以使煙氣溫度降低至373K以下，第二級(jí)噴霧壓力增加至5MPa時(shí)煙氣溫度可降至較低值.圖4d）中，當(dāng)?shù)诙?jí)噴霧流量為5MPa時(shí)，T10測(cè)點(diǎn)處煙氣溫度穩(wěn)定值為358.7K.圖3d）中兩級(jí)噴霧壓力均為5MPa時(shí)，可以使煙氣溫度值降低到較低水平，說(shuō)明5MPa為T1＝753K工況下第二級(jí)最佳噴霧壓力.

3 最佳噴霧參數(shù)的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)模型

根據(jù)煙氣溫度隨兩級(jí)噴霧壓力（流量）變化的規(guī)律，將使煙氣溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的噴霧流量最低值定義為最佳噴霧流量.實(shí)驗(yàn)得到使煙氣溫度穩(wěn)定的最低噴霧壓力，通過(guò)噴嘴噴霧壓力與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可得到發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況時(shí)對(duì)應(yīng)的兩級(jí)噴霧最佳流量.

利用最小二乘法擬合方法，分別對(duì)兩級(jí)噴霧最佳噴霧壓力p1m，p2m，兩級(jí)噴霧最佳流量值˙m1，˙m2和煙氣初始溫度Tg，in的約束關(guān)系進(jìn)行回歸分析，擬合后得到以下關(guān)聯(lián)式.

第一級(jí)噴霧最佳噴霧壓力：

第一級(jí)噴霧最佳噴霧流量：

第二級(jí)噴霧最佳噴霧壓力：

4 結(jié) 論

1）通過(guò)兩級(jí)噴霧冷卻使煙氣溫度降低，實(shí)驗(yàn)中兩級(jí)噴霧壓力的最高工況可使煙氣溫度控制在330～360K的范圍內(nèi).實(shí)驗(yàn)表明兩級(jí)噴霧冷卻方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排出煙氣的充分冷卻是有效的.

2）發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的兩級(jí)噴霧冷卻均存在最佳噴霧壓力和流量等噴霧參數(shù)，通過(guò)兩級(jí)噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)確定了該參數(shù).

3）對(duì)最佳兩級(jí)噴霧壓力和流量等噴霧參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣初始溫度進(jìn)行回歸分析，得到了發(fā)動(dòng)機(jī)特定工況下的兩級(jí)噴霧回歸模型.為艦船發(fā)動(dòng)機(jī)紅外特征抑制提供數(shù)據(jù)支撐.

［1］王小川，賀 國(guó).基于ELM的動(dòng)力排氣系統(tǒng)噴霧降溫研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，41（2）：31－35.

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