發動機排氣系統兩級噴霧降溫的實驗研究＊

王小川 李雁飛 賀 國

（海軍工程大學艦船動力工程軍隊重點實驗室1） 動力工程學院2） 管理工程系3） 武漢 430033）

0 引 言

為降低艦船排氣系統排出高溫煙氣的紅外輻射特征［1］，可以在排氣管路中噴入冷卻水霧的方法對高溫煙氣進行冷卻降溫.

為研究噴淋冷卻特性，賀國等［2］對AIP（不依賴空氣推進裝置）排出氣體噴淋冷卻及CO2氣體高效水吸收理論進行了實驗研究，建立了AIP排出氣體噴淋冷卻預報數學模型.為降低排氣噪聲和排氣溫度；柳貢民等［3］對水噴淋消聲器進行了數值模擬及實驗研究，結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效果差；為提高冷卻效果，袁江濤等［4］在發動機排氣管路內利用霧化噴嘴噴入冷卻細水霧的方式對高溫煙氣進行冷卻降溫，柴油機煙氣溫度從管路進口的358℃降低至排氣出口處的120℃.僅采用一級噴霧的冷卻方式，對煙氣降溫程度有限，對煙氣充分冷卻降溫所需噴水量的研究未見諸于文獻.

本文通過實驗研究，分析噴入冷卻水流量大小對煙氣溫度降低的影響規律，并根據兩級噴霧后煙氣溫度變化規律，確定兩級噴霧最佳噴霧壓力和噴霧流量這2個噴霧參數與發動機排氣熱負荷關聯的數學模型.

1 實驗系統

1.1 系統組成

發動機排氣系統噴霧降溫實驗系統由3部分組成：柴油機排氣系統（含集水箱縮比模型）、高壓供水和兩級噴霧系統、數據采集系統.

圖1所示為實驗裝置及測試系統示意圖.實驗所用發動機為6135D－1柴油機，為噴霧降溫實驗提供所需的高溫煙氣.圖中T1～T10為熱電偶測溫點，P1～P3為煙氣壓力測點.通過沿程布置的T2～T7測點監測第一級噴霧后煙氣溫度變化，各測點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測點用來監測第二級噴霧后煙氣溫度變化，各測點距離第二級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冷卻細水霧，利用耐高壓軟管將6個噴嘴連接在一起，構成第一級噴霧裝置.利用高壓供水泵對第一級噴霧裝置進行供水，通過噴嘴噴入的過量且未蒸發的冷卻水可通過集水箱底部的放泄閥排出.在下游排氣管路中噴入第二級冷卻細水霧，由于此處煙氣溫度相對較低，且 管路內徑較小，因此僅布置三只噴嘴組成環路.

圖1 實驗系統布置示意圖

1.2 單路壓力霧化噴嘴

實驗用噴嘴為Spraying（噴霧）系統公司生產的LND型單路壓力微細霧化噴嘴，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，霧化后所產生的霧滴均屬于細水霧，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 絲網除水裝置

由于發動機排氣管路內溫度較高，熱流密度大，因此選用耐高溫的不銹鋼金屬絲網將第一級噴霧后部分水滴從混合氣流中分離出來.將單層金屬絲網固定在排氣管2個法蘭之間，豎直放置，在絲網的上游排氣管的底部設置楔形導流槽［6］，使被分離的水分沿導流槽流入在管壁上開設的小孔，被絲網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，水分可以通過此閥排出排氣管路，同時也阻止了煙氣泄漏.

2 兩級噴霧降溫實驗數據及分析

2.1 噴霧量對溫降影響

實驗發現，在各種工況下T2～T6各測點測量值的變化曲線中經常出現溫度突降，即水霧附著對測溫準確性的產生一定影響.而下游測點T7的變化值相對穩定，因此將T7穩定后的值作為第一級噴霧煙氣溫度穩定值.

實驗發現，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測點值穩定后的溫度實測值隨三型噴嘴噴霧壓力的變化情況，并將實驗數據點B－樣條擬合后的結果.由圖2可見，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，這是因為當噴霧壓力一定時，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，對煙氣降溫的能力有限.當柴油機在較高工況下，如煙氣初始溫度T1為753K時，LND0.6噴嘴在最大噴霧壓力5.0MPa時，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慢.圖3a）中，LND1.5噴嘴噴霧壓力大于2.0MPa且繼續增加時，煙氣溫度基本不變，因此噴霧量的繼續增加已經失去意義.圖2a）中有使煙氣溫度達到最低穩定值的臨界壓力點存在，在圖2b）～d）中的部分工況條件下也有類似臨界點的出現.

2.2 兩級噴霧噴嘴及壓力的確定

實驗表明，隨著第一級噴霧壓力（流量）的增加，煙氣溫度值逐漸降低，但隨著噴霧流量的繼續增加，煙氣溫度降低變平緩，逐漸趨于某一穩定值.此時若繼續增加噴霧流量，煙氣溫度變化不大，也即達到穩定值以后增加的噴霧量對煙氣溫降產生的作用是無效的.因此在噴霧流量值的確定時，存在一個最大有效值［7］，稱之為“最佳噴霧流量”.

綜合比較圖2中三型噴嘴對煙氣降溫的特性，為使發動機排出的高溫煙氣迅速冷卻至飽和溫度，且不噴入過量的冷卻水，將LND1.5型和LND0.6型噴嘴分別作為第一級噴霧和第二級噴霧所使用的噴嘴.

根據圖3中LND1.5型噴嘴使煙氣溫度趨于穩定時的霧化壓力值，確定第一級噴霧最佳噴霧壓力p1m，第一級噴霧最佳噴霧壓力值及對應煙氣溫度穩定值見表1.當進行兩級噴霧實驗時，將第一級噴霧壓力調整至表1中的目標壓力后，逐步調整第二級噴霧壓力進行實驗對比.

表1 兩級噴霧壓力

2.3 兩級噴霧后煙氣溫度測量結果

經過第一級噴霧冷卻后，煙氣溫度已經降低到了第一級噴霧降溫的極限值，即相應壓力下的煙氣溫度的飽和值.利用絲網將一部分水分除去后，再噴入第二級細水霧時煙氣溫度仍有一定幅度降低.

圖3 兩級噴霧后T10點溫度瞬態變化

圖3 反映了表1中兩級噴霧工況下，T10測點溫度值隨兩級噴霧時間的變化規律，圖中點為第二級噴霧不同噴霧壓力下煙氣溫度變化實測值，曲線為將實驗數據點B－樣條擬合后的結果.從圖中可見，隨著第二級噴霧壓力的升高，煙氣溫度降低幅度增大，且穩定后的煙氣溫度值比僅進行第一級噴霧時的穩定值低.圖3a）中的A點處有明顯的溫度突降，這是被第一級噴霧冷卻的煙氣經過一段時間運動后流經T10測點處，由于第一級噴霧比第二級噴霧流量大，降溫幅度大，因此突降是由于第一級噴霧和第二級噴霧的溫降疊加所產生的結果.圖3中，當第二級噴霧壓力為1MPa時，煙氣溫度即可降低到較低值，這是因為經過第一級噴霧后煙氣溫度已經降低到比較低的范圍，再經過第二級噴霧后，煙氣溫度繼續降低，因此溫度可降至340K左右.

而隨著煙氣初始溫度的繼續升高，當煙氣溫度為673K時，圖3c）中，當第二級噴霧壓力為4 MPa時，煙氣溫度最終穩定值為343.1K，此時第二級噴霧壓力為最佳噴霧壓力.

當煙氣初始溫度高于673K后，第二級噴霧壓力為1～3MPa時，T10測點處煙氣溫度降低到400K左右，便不再繼續降低，說明噴霧流量仍不足以使煙氣溫度降低至373K以下，第二級噴霧壓力增加至5MPa時煙氣溫度可降至較低值.圖4d）中，當第二級噴霧流量為5MPa時，T10測點處煙氣溫度穩定值為358.7K.圖3d）中兩級噴霧壓力均為5MPa時，可以使煙氣溫度值降低到較低水平，說明5MPa為T1＝753K工況下第二級最佳噴霧壓力.

3 最佳噴霧參數的實驗關聯模型

根據煙氣溫度隨兩級噴霧壓力（流量）變化的規律，將使煙氣溫度達到穩定時的噴霧流量最低值定義為最佳噴霧流量.實驗得到使煙氣溫度穩定的最低噴霧壓力，通過噴嘴噴霧壓力與流量的對應關系，即可得到發動機各種工況時對應的兩級噴霧最佳流量.

利用最小二乘法擬合方法，分別對兩級噴霧最佳噴霧壓力p1m，p2m，兩級噴霧最佳流量值˙m1，˙m2和煙氣初始溫度Tg，in的約束關系進行回歸分析，擬合后得到以下關聯式.

第一級噴霧最佳噴霧壓力：

第一級噴霧最佳噴霧流量：

第二級噴霧最佳噴霧壓力：

4 結 論

1）通過兩級噴霧冷卻使煙氣溫度降低，實驗中兩級噴霧壓力的最高工況可使煙氣溫度控制在330～360K的范圍內.實驗表明兩級噴霧冷卻方法對發動機排出煙氣的充分冷卻是有效的.

2）發動機排氣系統的兩級噴霧冷卻均存在最佳噴霧壓力和流量等噴霧參數，通過兩級噴霧冷卻實驗確定了該參數.

3）對最佳兩級噴霧壓力和流量等噴霧參數與發動機排氣初始溫度進行回歸分析，得到了發動機特定工況下的兩級噴霧回歸模型.為艦船發動機紅外特征抑制提供數據支撐.

［1］王小川，賀 國.基于ELM的動力排氣系統噴霧降溫研究［J］.華中科技大學學報：自然科學版，2013，41（2）：31－35.

［2］賀 國，趙建華，陳國鈞，等.閉式柴油機排出氣體噴淋冷卻傳熱模型及實驗關聯研究［J］.內燃機工程，2003，24（1）：75－80.

［3］柳貢民，黃 亮，張文平，等.船用柴油機排氣冷卻降噪裝置性能仿真與實驗研究［J］.船舶工程，2007，29（3）：3－8.

［4］袁江濤，張 健，楊 立，等.動力排氣系統細水霧蒸發冷卻試驗研究［J］.工程熱物理學報，2010，31（3）：461－464.

［5］王小川，賀 國，趙光永，等.噴嘴孔徑對噴霧降溫性能的影響［J］.海軍工程大學學報，2013，25（4）：56－60.

［6］郭朝有，賀 國，王小川，等.高溫氣流中絲網除水特性數值研究［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2014，38（5）：1036－1039.

［7］謝寧寧，陳東芳，胡學功，等.壓力與流量對噴霧冷卻換熱特性的影響［J］.工程熱物理學報，2009，30（12）：2059－2061.