船用柴油機冷卻器高效節(jié)能換熱管研究

1 引言

船用柴油機工作運轉(zhuǎn)時，氣缸內(nèi)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(xiàn)象嚴(yán)重。如果不能及時有效地冷卻這些零部件，將會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果，主要體現(xiàn)在四個方面。第一，運動旋轉(zhuǎn)零部件之間的正常間隙被破壞，會出現(xiàn)過度磨損、咬死等現(xiàn)象。第二，在熱應(yīng)力載荷的作用下，材料的力學(xué)性能下降，導(dǎo)致工作的零部件出現(xiàn)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(dǎo)致其粘度下降，摩擦表面的油膜不易形成，更嚴(yán)重的還會失去潤滑作用。第四，燃燒室周圍的溫度過高會導(dǎo)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(fā)高效換熱的冷卻器具有非常重要的意義。 目前關(guān)于換熱設(shè)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(xué)生們認(rèn)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(fā)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?yán)镞\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(zhì)的身體。

(1)流體的流動狀態(tài)

流體的流動狀態(tài)可分為層流、過渡流和湍流。層流狀態(tài)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(dǎo)進行。而湍流狀態(tài)則是指隨著流體流速的提高，各層流體之間出現(xiàn)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(chǎn)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(tài)。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(tài)。

(2)流體的性質(zhì)

流體不同，粘度、比熱、密度、導(dǎo)熱系數(shù)等物理性質(zhì)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(zhì)也會有所變化，進而會對傳熱效率產(chǎn)生影響。因此，在工程計算中選擇合適的流體也是一個很關(guān)鍵的問題。

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

實體的波節(jié)管是三維的，但其幾何特征是嚴(yán)格的軸對稱結(jié)構(gòu)，因此為了節(jié)省計算時間和空間，將計算模型簡化為平面二維結(jié)構(gòu)是可行的。在直角坐標(biāo)系下，對建好的二維波節(jié)管模型進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。本模型采用四面體單元和映射網(wǎng)格法劃分，同時設(shè)定計算模型的流體屬性，并施加邊界條件。管內(nèi)流動介質(zhì)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(nèi)流體的物性參數(shù)取值如表2所示，

為流體密度，

為比熱，

為粘度，

為導(dǎo)熱系數(shù)。

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(fā)現(xiàn)放療劑量與生存期之間有明顯相關(guān)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(guān)，因為該研究具有嚴(yán)格的納入標(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(jié)換熱管后，要達到充分發(fā)展階段，需要經(jīng)歷一定的流動長度，隨后速度沿著流動的方向呈現(xiàn)出周期性變化規(guī)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(nèi)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(nèi)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(xué)可知，無論流體處于何種流動狀態(tài)，在流體與壁面之間總是存在一個層流底層，雖然這個現(xiàn)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(nèi)外學(xué)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(shù)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(jié)換熱管尺寸

當(dāng)前行業(yè)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(guī)格。實踐表明，換熱管直徑越小，管內(nèi)流體流速越高，這樣一方面提高了對流換熱系數(shù)，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(shè)備結(jié)構(gòu)更加緊湊，節(jié)約了金屬材料。據(jù)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?；谝陨蟽蓚€原因的分析，本文設(shè)計的波節(jié)換熱管結(jié)構(gòu)如圖1所示，波節(jié)管的直徑沿軸線方向周期性收縮和擴充。波節(jié)管結(jié)構(gòu)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(shù)變化對傳熱性能的影響，這里主要考慮波節(jié)管縱向(X方向)和橫向(Y方向)兩個尺度的細微變化，設(shè)計出了3種不同型號的波節(jié)換熱管，各尺寸的具體數(shù)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(tài)，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(shè)備而言，影響管內(nèi)對流傳熱的因素有很多，比如流體的物性、管子的幾何參數(shù)、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(zhǔn)數(shù)的形式，常用的準(zhǔn)數(shù)有雷諾數(shù)

，努塞爾數(shù)

。雷諾數(shù)是用以判別粘性流體流動狀態(tài)的一個無因次準(zhǔn)數(shù)，用于區(qū)分層流和湍流狀態(tài)。努塞爾數(shù)是表征對流換熱強烈程度的一個無因次準(zhǔn)數(shù),流體流動過程中的對流傳熱系數(shù)越大，則努塞爾數(shù)也越大，即對流傳熱效果越好。這兩個準(zhǔn)數(shù)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(shè)備有板式和管殼式兩種類型。其中傳統(tǒng)的管殼式冷卻器具有結(jié)構(gòu)簡單，造價較低，熱負荷能力大的優(yōu)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(xiàn)象嚴(yán)重，對流傳熱系數(shù)不高。

圖4為管內(nèi)流體溫度場的分布情況。從圖中可以看出，在接近管壁的區(qū)域等溫線密集，而在靠近管子中心附近的區(qū)域等溫線非常稀疏。另外在波節(jié)管圓弧段內(nèi)，流體受到波節(jié)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(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，其中，軌道的焊接過程是施工中的重要管理環(huán)節(jié)，對地鐵軌道的施工質(zhì)量的影響非常大。在軌道環(huán)節(jié)中有以下幾點需要注意：①要選擇有豐富焊接經(jīng)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(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)，在焊接質(zhì)量和焊接效率上有相對的優(yōu)勢。③在地鐵軌道焊接中會出現(xiàn)軌道斷裂等情況，焊接人員要及時的溝通，做好相應(yīng)的應(yīng)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(shè)備進行檢驗，以保證質(zhì)量達標(biāo)。

由以上分析可以得出，和光滑直管相比較，由于波節(jié)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(xiàn)周期性分離，即減少了層流底層熱傳導(dǎo)的區(qū)域，增加了湍流區(qū)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(wěn)輸注，至手術(shù)結(jié)束余量繼續(xù)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(shù)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(zhì)、pH等指標(biāo)，并記錄血流動力學(xué)指標(biāo)。

下面以2

波節(jié)管0.05m/s的進口流速為例，給出模擬計算結(jié)果，來說明其速度場和溫度場的分布規(guī)律。

因此為了定性分析，分別計算出每種尺寸波節(jié)管在不同雷諾數(shù)下的努塞爾數(shù)，并將兩者的變化關(guān)系繪制成曲線，同時也將等當(dāng)量直徑光滑直管的努塞爾數(shù)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(fā)票、采購結(jié)算、審核采購專用發(fā)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(shù)下，1

波節(jié)管的努塞爾數(shù)最大，其次是2

波節(jié)管，3

波節(jié)管最小。但三種型號波節(jié)管的努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)的變化趨勢是一致的，即努塞爾數(shù)均隨著雷諾數(shù)的增大而增大，且都比光滑直管大2～3倍左右，這說明波節(jié)管的強化傳熱效果十分明顯。將波節(jié)管作為換熱元件的管殼式冷卻器，應(yīng)用于柴油機冷卻系統(tǒng)，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(xiàn)有管網(wǎng)的建設(shè)資料，建立管網(wǎng)管理信息化系統(tǒng)，在已有管網(wǎng)基礎(chǔ)上進行管網(wǎng)的優(yōu)化布局，加大已有管網(wǎng)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(shù)量與女性患者數(shù)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(shù)是(36.02±9.15)歲,其中27例患者因為交通事故引發(fā)顱腦急性損傷;25例患者因為打擊而引發(fā)顱腦急性損傷;20例患者因為高空墜落而引發(fā)顱腦急性損傷。入組標(biāo)準(zhǔn):①經(jīng)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(xié)議書;排除標(biāo)準(zhǔn):①重大心理以及精神疾病患者;②伴有心臟、肝、腎等嚴(yán)重器官疾病患者;③中途選擇退出患者。

5 結(jié)論

本文利用 Fluent軟件數(shù)值模擬了設(shè)計尺寸波節(jié)換熱管內(nèi)的流動傳熱特性，得出如下結(jié)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(chǎn)提供參考依據(jù)。

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

(2)以波節(jié)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(dǎo)意義。

[1]王帥軍，朱發(fā)新，李玉樂. 船舶主機高溫淡水廢熱利用裝置探究[J]. 天津：中國修船，2018(2).

[2]趙欣，王瑞君，姚仲鵬． 螺旋型表面強化管現(xiàn)狀與進展[J]．蘭州：石油化工設(shè)備，2001(3).

[3]潘熙希，陸鵬，宋大為，朱奎. 船用柴油機浸沒式排氣管冷卻性能優(yōu)化[J]．武漢：船海工程，2021(8).

[4]梁建湘. 基于船舶柴油機冷卻系統(tǒng)的模擬仿真與優(yōu)化研究[J]．濟南：現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2020(7)