加熱管布置對燃油艙預熱效果影響的計算分析

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(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

在外界環境溫度較低時，艦船的燃油艙溫度較低，燃油粘度相對較高，如果不進行預熱，油艙內燃油的吸入阻力可能超出燃油泵的工作范圍，使得燃油總管流量降低，甚至管內燃油無法流動。因此，在實船設計中，常常在油艙內布置加熱管道，對燃油進行預熱，降低燃油粘度[1-2]。

對于蒸汽動力船舶而言，一般采用飽和蒸汽作為加熱介質，相比于電加熱，蒸汽加熱具有節省能源、加熱管布置靈活等優點。采用蒸汽對燃油進行加熱時，加熱管可以單排布置于艙底，也可以多排布置，或者直接使用集成蒸汽換熱器。目前對盤管式油艙加熱裝置的設計和計算已有標準和成熟的計算程序[3-4]，對集成蒸汽換熱器方面的研究亦有相關報道[5]，但是加熱管不同布置方案對加熱效果及燃油艙整體溫度分布的影響，未見相關報道。本文利用數值計算方法，對比分析了一排、二排和集成加熱三種布置方案，總結了三種方案下燃油艙溫度分布的特點，為燃油艙加熱管布置方案選取以及監測點設置提供理論基礎。

1 數學模型與邊界條件

1)連續方程。

▽·v=0

(1)

2)動量方程。

▽)v=-▽pt+μ▽2v+ρg

(2)

3)能量方程。

▽)T=k▽2T+Φ

當我信步來到了一棟教學樓前時，透過玻璃門，我看見大廳里一側的桌子旁坐著一位年輕的保安，當時他手里拿著一本厚厚的文學書籍，正在旁若無人地閱讀著，顯得溫文爾雅。

(3)

式中:v——速度矢量;

ρ——密度;

pt——壓力;

μ——動力粘度;

g——重力加速度;

c——工質比熱容;

T——溫度;

k——熱傳導系數;

Φ——粘性耗散項。

如果流體在浮升力驅動下作用，而壓力場由動壓和靜壓組成，則動壓梯度可以寫成：▽ph=ρ0g，則動量方程變成

▽)v=-▽pt+μ▽2v+(ρ-ρ0)g

(4)

根據Boussinesq假設,

(ρ-ρ0)=ρβ(T0-T)，T0、ρ0為參考溫度和密度。則動量方程變成

(5)

所模擬的油艙加熱流場熱源為飽和蒸汽，因此加熱管可以看成恒溫邊界，給定加熱溫度，并假設周圍油艙、上部與空氣及底部與海水接觸壁面為恒溫邊界。

工程中常用瑞利數(Ra)衡量自然對流強度：

分別考慮一排加熱管、兩排加熱管、集成加熱管三種加熱方案對燃油溫度分布、加熱效果的影響。油艙寬2 m，高1.5 m，見圖1。

圖1 計算域幾何參數(二排加熱管布置方案)

僅分析加熱管布置對燃油艙溫度分布的影響，不考慮加熱管端部換熱情況，將實際油艙簡化成二維模型。加熱管外徑48 mm，共23根，一排加熱管布置方案中，加熱管水平間距87.8 mm，加熱管中心距離艙底150 mm，沿油艙中心線兩側對稱布置；二排加熱管布置方案中，加熱管水平間距150 mm，豎直間距100 mm，底部加熱管中心距離艙底100 mm；集成加熱管布置方案中，加熱管共5排，水平間距85 mm，豎直間距74 mm，加熱管距離艙底150 mm。利用GAMBIT軟件劃分計算域網格，采用四邊形形體結合的網格劃分方式，并且加熱管壁面附近劃分邊界層網格，見圖2。

圖2 計算域網格及邊界層網格劃分(二排加熱管布置方案)

加熱管溫度為184 ℃，初始油溫為5 ℃，利用FLUENT 6.3求解上述基本方程。

2 計算結果及分析

燃油在油艙內的加熱過程屬于自然對流換熱，從加熱管形狀角度講，屬于橫圓柱大空間自然對流換熱范疇。在高溫圓柱體附近由于壁面與周圍流體的熱交換作用，溫度場呈現出不均勻分布，進而造成密度場分布不均勻，由此產生的浮升力使得流場發生流動。對于單個橫圓柱大空間自然對流而言，在圓柱附近，高溫區域出現在圓柱上方，并沿重力反方向呈現“尖錐形”分布，見圖3，并在左右兩側形成兩個渦旋，見圖4。

圖3 單個圓柱自然對流換熱溫度分布

圖4 單個圓柱自然對流流線分布

當高低熱源溫差增大，即整個換熱場Ra數增加后，流場呈現湍動，有研究表明，Ra數增加至107后，對于圓柱表面Nu數呈現周期性湍動。對于本文研究對象，加熱管附近除了具有上述溫度分布特點外，還存在加熱管之間的耦合作用，對于單排管來講，換熱場的耦合作用來源于水平方向的相鄰管道，而對于兩排管來講，除了水平相鄰管道外，還存在于豎直方向，當管道集中排列后，耦合場變得更加復雜。

圖5給出了3種方案加熱1.5 h后溫度場分布情況。

對比3種方案可以看出，對于單排布置方案，在管路附近水平方向溫度較高，但是由于加熱管間的相互影響，每個加熱管產生的“高溫流體上升區域”出現匯合，使得燃油溫度在加熱管上方呈現不均勻分布，且具有不對稱性，見圖5a)。在1.5 h時刻，油艙內出現3處高溫流體上升匯合區域，分別位于左側、中間和右側。對于兩排加熱管平行布置方案，亦存在上升匯合區域，并且除了左右相鄰的加熱管間相互干擾外，還存在上下兩排加熱管的溫度場耦合作用，被下排加熱管加熱的流體溫度升高，向上方運動，并受到上方加熱管的干擾，并最終與上方加熱管耦合作用，形成明顯的“高溫上升區域”，且具有不對稱性分布特點。在1.5 h時刻，油艙左側內出現了明顯的相對高溫區域，見圖5b)。當加熱管集成布置后，整個油艙內出現一處明顯相對高溫區域，并且逐漸向上發展、擴散，觀察每個加熱管附近溫度分布可以發現，加熱管附近的高溫流體均向著油艙中心流動，這使得相對于一排、兩排布置方案，集成布置方案的“高溫上升區域”更為集中，且整個油艙在豎直方向，溫度分布梯度明顯，見圖5c)。

圖5 不同方案加熱1.5 h后溫度分布

為了對比分析不同布置方案對燃油溫度分布的影響，在豎直和水平方向截取了溫度分布曲線，見圖6。圖6a)、b)給出了在X=0.5 m和1 m處，溫度沿液面高度方向分布情況?？梢钥闯觯瑢τ谝慌?、二排布置方案，燃油溫度沿高度方向呈現不均勻分布，距離加熱管較近處，溫度分布較高，隨著高度的增加溫度分布呈現振蕩，而集成布置方案中，燃油溫度沿高度方向成線性增加。圖6c)、d)、e)給出了Y=0.5、0.75、1.2 m處油艙內溫度沿水平方向分布情況?？梢钥闯觯瑢τ?個典型液位高度，集成加熱方案的燃油溫度均高于其他兩種布置方案，而且集成加熱方案在油艙中心附近存在一個穩定高溫區域，偏離高溫區域的燃油溫度基本上處于水平分布，說明燃油在水平方向溫度梯度較小，而對于一排、二排布置方案，在水平方向上，燃油溫度分布具有一定的梯度。

圖6 不同布置方案燃油艙內水平、豎直燃油溫度分布

通過對不同加熱方案燃油溫度分布的對比分析，可以看出，加熱管的布置影響了燃油溫度分布梯度，主要體現在“高溫流體上升區域”的位置和穩定性，以及水平、豎直方向的溫度分布梯度。在實際使用過程中，需要對燃油溫度進行實時監測，以便對燃油平均加熱溫度進行控制。通過以上分析可知，集成加熱方案燃油溫度相對穩定，燃油沿高度方向溫度分布成線性增加。因此，采用集成加熱布置方案有利于燃油溫度的監測和控制，見圖7，給出了油艙內某監測點(X=1 m，Y=0.75 m)溫度隨時間變化曲線，隨著加熱時間的增加，燃油溫度逐漸升高，一排和二排布置方案，監測點溫度曲線存在明顯波動，且一排加熱管布置方案溫度波動幅度最大，以加熱1.0～1.5 h時間段為例，監測點燃油溫度由27 ℃下降至18 ℃，隨后又上升至42 ℃，而集成布置加熱方案監測點溫度隨著時間的增加，幾乎呈線性增長，溫升曲線僅存在較低幅值的振蕩，溫度振蕩范圍在2 ℃范圍內。

圖7 不同布置方案X=0.5 m，Y=0.75 m處燃油溫度隨時間的變化

當加熱管集成布置后，高溫區域向著油艙中心集中，這使得在油艙壁面附近的熱量損失減少，提高了加熱效率，加熱1.5 h集成布置方案燃油平均溫度比一排方案高3.2 ℃，見表1。

表1 不同布置方案加熱效果對比

3 結論

1)加熱管附近溫度場存在相互耦合作用，這種耦合作用使得在Ra數相對較低時，油艙在水平方向出現不均勻溫度分布，且一排、二排布置方案更加明顯。

2)相比于一排、二排布置方案，采用集成布置方案燃油溫度分布更加穩定，沿油艙高度幾乎呈線性增加；并且隨著加熱時間的增大，集成布置方案燃油溫度呈線性增加，而一排、二排布置方案存在較大的溫度波動，不利于溫度的監測和油溫的控制。

3)當采用集成布置方案后，加熱相同時間，燃油溫度高于其余兩種方案。

結合2)、3)結論及實際現場施工情況，建議燃油艙加熱管采用集成布置方案，該方案燃油溫度分布穩定，在加熱過程中燃油溫度波動較小，且加熱效率更高。

進行三維燃油預熱流場計算并考慮搖擺對加熱效果的影響是下一步研究重點。

[1] 張建平,庹艾莉,辛 宇.大型船舶燃油輸送監控系統設計[J].中國艦船研究,2014,9(2):111-116.

[2] 庹艾莉,計偉東,張建平,等.船舶油艙蒸汽加熱系統計算的軟件實現[J].中國艦船研究,中國艦船研究.2008,3(1):68-72.

[3] 全國海洋船標準化技術委員會.CB/T3373—1991油艙蒸汽加熱系統計算方法[S].北京:中國標準出版社,1991.

[4] 周志賢,楊令康,吳海榮.船舶燃油艙加熱系統優化設計[J].船海工程,2013(6):26-28.

[5] 李世臣,甘輝兵,鄒奔騰,等.船用分油機仿真系統的設計與實現[J].中國航海,2009,32(1):43-48.