船用低速柴油机空冷器匹配计算方法

船用低速柴油机空冷器匹配计算方法

郭忠华

为能够更好地设计与船用低速柴油机相匹配的空冷器，提出根据柴油机对空冷器性能和外形尺寸的要求，由传热学的原理计算空冷器理论换热面积，然后再根据管片式空冷器结构计算出冷却水管和翅片的数量，由此确定实际换热面积的方法。某型号柴油机空冷器匹配计算结果表明，该方法有效。

船用低速柴油机;冷器;换热面积;匹配计算

船舶低速柴油机采用废气涡轮增压系统，在增压器压气机蜗壳出口到进入柴油机气缸之间的空气通道上要设置增压空气中间冷却器(以下简称空冷器)[1-2]，以降低增压空气温度。船用低速柴油机的设计制造模式为订单式生产，根据船型不同,即使采用同一种型号低速柴油机，所需要的空冷器也不一定相同。空冷器的结构和换热面积需要根据每个项目所选配的低速柴油机合同最大功率、转速及进气量等参数来计算确定。每个项目需要订制空冷器，故在生产环节中必须要有一套快速有效的匹配计算方法，以准确确定空冷器的结构和材料用量，满足生产需求。为此，提出一种空冷器匹配计算方法。

1 结构工艺分析

船用低速柴油机空冷器一般采用独立的冷却水系统，易于调节冷却效果。目前普遍使用的水冷式空冷器是采用管片式结构[3]。管片式结构根据制作工艺不同分为锡钎焊管片式和冷轧翅片胀管式空冷器。

锡钎焊管片式空冷器是在许多水管上套上一层层的散热片，经锡钎焊或堆锡焊焊接在一起。冷却水管和散热片采用紫铜或黄铜制造，其制造工艺复杂，容易出现虚焊和脱焊现象。

冷轧翅片胀管式空冷器是直接将冷轧成型后的翅片用胀管法固定在水管上，然后水管再采用胀管法固定在管板上，因此该型空冷器具有制作工艺简单，工作可靠性好，接触热阻小，传热系数高等优点，并得到广泛应用。

冷轧翅片管式空冷器主要由两端水盖、冷却芯组及壳体组成。冷却芯组由固定管板(大管板)、活动管板(小管板)、翅片管、侧板等构成，组装时，冷却芯组吊装到壳体里面，壳体的固定端法兰面、垫片和固定管板用螺栓连接并密封，在壳体活动端的内框与活动管板外周的间隙中装一根○型密封圈(丁腈橡胶)，用一组螺栓将压圈的斜面与○型橡胶密封圈压紧，并将气侧密封。见图1。

图1 管片式空冷器结构示意

2 船用低速柴油机空冷器匹配

2.1 空冷器工作原理

空冷器安装在柴油机的进气管道中，高温的增压空气从增压器端进入空冷器的冷却芯组，高速气流横向流过芯组的翅片，向管内的冷却水释放出热量后温度下降，被冷却的增压空气由空冷器出气侧经汽水分离器后，由扫气箱流向柴油机气缸内工作，如图2所示。冷却水由进出水端盖的进口接入，沿冷却水管内回流并吸收热空气释放出的热量后，从进出水端盖的冷却水出口排出，如图3所示。换热过程中，冷热介质不接触。高温的空气经空冷器芯组冷却后，流过设置在空冷器出风侧的汽水分离器时，受垂直布置的叶片组的碰撞，过饱和的水气变成冷凝水析出，经汽水分离器和壳体的放水接头排出。

图2 柴油机进气系统示意

图3 空冷器介质流向示意

2.2 柴油机相关参数确定

柴油机经过选型确定功率、转速、油耗、进气量等性能参数后，通过柴油机型谱可计算出空气侧:换热量、空冷器前压力、空冷器前温度、空冷器后温度、空气流量、压力降；冷却水侧：进水温度、水流速、水流量、压力降等相关参数要求。经选型确定的柴油机，需要设计出合理的孔道，以供安装合适大小的空冷器。

某型号船用低速柴油机相关参数见表1。

表1 柴油机空冷器相关参数要求

2.3 空冷器所需换热面积计算

根据传热学基本原理[4]:

(1)

式中：A为换热面积;Q为换热量;K为总传热系数;Δt为对数平均温差。

由式(1)可知，若想求得换热面积A，必须先确定换热量Q(由表1柴油机参数可知)；不同类型空冷器根据结构和选用芯组材质的不同，K值计算方法也不尽相同，均有相应的经验公式，传热系数K值可由空冷器厂家提供；空冷器是冷热流体交叉流动的热交换器，其有效对数平均温差等于纯逆流流动的对数平均温差Δt[5]。

(2)

式中：Δt1=tb-to=180.7 ℃；Δt2=ta-ti=6 ℃。

其中:tb为空冷器前空气温度；to为冷却水出水温度；ta为空冷器后空气温度；ti冷却水进水温度。由此求得Δt=51.3 ℃，在确定Q和Δt后，K值取137 W/(m2·℃)，由式(1)计算出空冷器所需的总换热面积A=234.3 m2。

2.4 空冷器结构设计定型

在确定柴油机选型及空冷器相关参数之后，计算空冷器所需的总换热面积。在空冷器设计定型时，根据其结构需要确定冷却芯组水管数量n1和翅片数量n2。以管片式空冷器为例，根据空冷器外形尺寸，已知冷却芯组尺寸参数如下。

长L=1.1 m；翅片长B=1.36 m；高H=0.36 m；翅片间距S=0.001 9 m；翅片厚度δ=0.000 1 m；水管直径D=0.011 m。

翅片换热面积A1为

(3)

水管换热面积A2为

A2=(L-n2δ)Dπn1

(4)

式中：L=(n2+1)S+n2δ，由此得

(5)

又因为

A=BHn2+(LπD-πD2n2/4-πDδn2)n1

由此可计算出冷却芯组水管数量n1=693和翅片数量n2=549。

由于n1、n2应取整数，故需保证取数后A≤A1+A2，即实际总换热面积大于等于理论总换热面积,并最终得出实际换热面积。

在实际生产中需要将上述计算方法编制成一套计算软件，然后将表1所知的数据填入计算软件，即得出该项目低速柴油机所需匹配的空冷器实际换热面积，见表2。

表2 某项目柴油机空冷器热工计算表

一般在计算换热系数K时均忽略污垢系数的影响[3]，为了能够保证空冷器在柴油机运行过程中正常发挥作用，故在设计空冷器实际总换热面积时应留有10%～15%的裕度。通过表2可以看出该项目空冷器换热面积留有10.75%裕度。同时为了保证增压空气进气压力，空气经过空冷器后的压降ΔPa一般要小于2～3 kPa，由于增加翅片间距可以减小空气侧流通阻力[6]，所以一般求空冷器在满足换热量的前提下，翅片间距S不应小于1.9 mm,从表2可以看出该项目所设计空冷器符合上述要求。

3 结论

1)对于低速柴油机厂家而言，可采用此方法迅速确定空冷器的结构尺寸和性能参数，用以验证柴油机空冷器安装位置的设计是否合理以及空冷器采购前的选型。

2)对于空冷器厂家而言，在设计空冷器时，可利用此方法使空冷器在满足柴油机要求的前提下，尽可能减少材料使用，从而降低成本。

3)未对空冷器传热系数K值的确定进行介绍，传热系数K一般与空冷器的具体结构和芯组选用的材料有关，一般由空冷器厂家根据经验公式计算得出，不在此赘述。

总之，空冷器芯组元件结构、布置、制造工艺，以及选材的合理性，均是影响其换热效率的因素。

[1] 吕代臣,尹自斌,孙培廷.船用柴油机空冷器变流量冷却系统原理[J].大连海事大学学报,2005,31(3):9-12.

[2] 周龙保.内燃机学[M].北京:机械工业出版社,2005.

[3] 余建祖.换热器原理与设计[M].北京:北京航空航天大学出版，2006.

[4] 章熙民,等.传热学[M].6版.北京:中国建筑工业出版社，2014.

[5] 周兰欣，周玉，曹智杰.600 MW空冷机组凝汽器换热面积计算[J].汽轮机技术,2012,54(2):99-101.

[6] 石磊,张薇,刘海峰,等.国产空冷单排管流动和传热性能研究[J].电站系统工程,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.

(玉柴船舶动力股份有限公司，广东 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

郭忠华(1986—)，男 ，学士，助理工程师

研究方向：船用低速柴油机研发设计