基于噴霧降溫方法的發動機排氣紅外抑制研究

王小川,李雁飛,賀 國

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

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·紅外技術及應用·

基于噴霧降溫方法的發動機排氣紅外抑制研究

王小川1,2,李雁飛1,2,賀 國3

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

為有效抑制艦船發動機排出煙氣產生的突出的紅外輻射特征,進行了兩級噴霧冷卻降溫的實驗研究。實驗結果表明：通過兩級噴霧冷卻使煙氣溫度顯著降低,實驗中兩級噴霧壓力的最高工況可使發動機各工況下的排氣溫度控制在330～360 K的范圍內。實驗確定了發動機各工況下的兩級噴霧最佳噴霧壓力和流量的數學模型,得到了噴霧后煙氣溫度降低至最低穩定值所需的響應時間,針對該響應時間,為發動機工況轉換時噴霧系統工況的提前調整提出建議。本文研究可為實現艦船發動機排氣系統紅外抑制的主動控制提供數據支持和模型依據。

紅外抑制；排氣系統；噴霧降溫；兩級噴霧；回歸模型

1 引 言

近年來,隨著艦船振動噪聲控制技術的不斷發展,艦船動力機械噪聲和螺旋槳噪聲得到了有效抑制,這使得艦船紅外輻射問題變得相對越來越突出[1-2],逐漸成為影響艦船隱身性能的新問題。

為降低艦船發動機排氣系統排出高溫煙氣的紅外輻射特征,可采用在排氣管路中噴入冷卻水霧的方法[3]對高溫煙氣進行冷卻降溫,并且該方法是最有效、最容易實現的方法之一。當前研究文獻集中在對噴霧冷卻特性[4-5]的研究上,對有效抑制煙氣溫度的噴霧數學模型的研究卻報道較少。

為研究高溫煙氣中噴淋冷卻的特性,賀國等[6]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,提出了宏觀傳質系數的實驗獲取方法,建立了AIP排出氣體噴淋冷卻性能預報的數學模型。為降低艦船發動機的排氣噪聲和排氣溫度,柳貢民等[7]對水噴淋消聲器進行了數值模擬及實驗研究,結果表明在排氣系統消聲器中進行噴淋冷卻對發動機排氣噪聲和溫度的抑制都是有效的。然而,與噴霧方法相比,噴淋消耗水量明顯較大、霧滴粒徑大,這決定了噴淋水滴與氣體傳熱傳質效果比霧化液滴的效果差。為提高冷卻效果,袁江濤等[8]在發動機排氣管路內利用霧化噴嘴噴入冷卻微細水霧的方式對高溫煙氣進行冷卻降溫,實驗表明噴入一定量冷卻細水霧后,柴油機煙氣溫度可從管路進口的358 ℃降低至排氣出口處的120 ℃,也同時表明僅采用一次噴霧的冷卻方式,對煙氣溫度的抑制程度有限。

前期研究發現,向高溫煙氣氣流中噴入冷卻細水霧后,由于噴霧量過大或者霧滴碰壁致使水滴并不能完全蒸發,給噴霧降溫方法的應用帶來了新的問題：水蒸氣比焓很大,從水下航行器發動機排氣口排出到海水中仍會使海水溫度有明顯升高；大量飽和蒸汽隨煙氣氣流運動,使煙氣溫度的繼續降低受到限制；大量水分在排氣管路中流動會對管路造成嚴重腐蝕。為解決上述問題,在排氣系統集水箱[9]中進行第一次噴霧,在沿程下游位置增設絲網除水裝置,將混合氣流中的水分除去一部分后,再次噴入少量、更為微細的水霧使煙氣溫度繼續降低,即采取兩級噴霧的方法對煙氣進行充分的降溫冷卻。

本文通過發動機排氣兩級噴霧冷卻的實驗研究,根據兩級噴霧后煙氣溫度的變化規律,確定兩級噴霧最佳噴霧壓力和噴霧流量這兩個噴霧參數與發動機排氣熱負荷關聯的數學模型,并對發動機工況轉換時噴霧冷卻系統噴霧參數的調整提出了建議。本文研究對發動機排出高溫煙氣紅外輻射特征的有效抑制具有一定的理論意義和實際應用價值。

2 實驗系統介紹

圖1所示為實驗室發動機排氣噴霧降溫實驗系統示意圖。該系統由4部分組成：柴油機排氣系統、高壓供水及兩級噴霧系統、絲網除水裝置和數據采集系統,其中柴油機排氣系統包括柴油機排氣管路(外包覆保溫材料)和排氣集水箱；高壓供水及兩級噴霧系統包括高壓供水泵、供水軟管、流量計、壓力表和霧化噴嘴等；絲網除水裝置包括金屬絲網和疏水閥；數據采集系統包括安捷倫(Agilent)數據采集儀、熱電偶、壓差變送器等儀器。

圖1 實驗系統布置示意圖

實驗所用發動機為6-135柴油機,為噴霧降溫實驗提供高溫煙氣。圖中，T1～T10為熱電偶測溫點,P1～P3為煙氣壓力測點。T1測量煙氣初始溫度,沿程布置的T2～T7各測點測量第一級噴霧后煙氣溫度變化,T2～T7各測點距離集水箱排氣出口截面的沿程距離分別為0.15 cm、2.61 m、2.73 m、3.15 m、3.75 m和4.67 m。T8～T10測點用來測量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 m、1.24 m和1.65 m。

實驗所用噴嘴為噴霧(spraying)系統公司生產的LND型單路壓力微細霧化噴嘴,該型噴嘴霧化壓力為1.0～5.0 MPa,霧化后產生的水霧為空心錐形,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[10]。根據噴嘴孔徑對其降溫性能的影響[10],實驗中第一級噴霧和第二級噴霧所用的噴嘴分別為LND1.5和LND0.6兩型噴嘴,其孔徑分別為0.51 mm 和0.41 mm。

如圖2所示為集水箱、高壓供水管路和煙氣取壓裝置實物圖,在集水箱中噴入第一級冷卻細水霧,利用耐高壓軟管將6個一級噴嘴連接在一起,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,由于該處煙氣溫度相對較低,且管路內徑較小,因此僅布置3只二級噴嘴組成環路。

圖2 集水箱與第一級噴霧裝置

由于發動機排氣管路內煙氣溫度高、熱流密度大,因此用耐高溫的不銹鋼金屬絲網作為除水裝置。將單層金屬絲網固定在排氣管兩個法蘭之間,豎直放置,在絲網的上游排氣管的底部設置楔形導流槽[11],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通過該孔流入疏水管路。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。

3 兩級噴霧降溫實驗數據及分析

3.1 兩級噴霧工況的確定

實驗數據表明,隨著第一級噴霧壓力(流量)的增加,煙氣溫度值逐漸降低,但隨著噴霧流量的持續增加,煙氣溫度降低曲線趨于平緩,逐漸趨于某一穩定值[10]。此時若繼續增加噴霧流量,煙氣溫度變化不明顯,也即達到穩定值以后再增加的水量對煙氣的降溫作用是近似無效的。因此在噴霧流量值的確定時,存在一個最大有效值[12],定義之為“最佳噴霧流量”。

將第一級噴嘴使煙氣溫度趨于穩定時的霧化壓力值,作為第一級最佳噴霧壓力P1m,第一級噴霧壓力值及對應煙氣溫度穩定值如表1中所示。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

3.2 兩級噴霧后煙氣溫度的測量結果

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,即相應壓力下的水蒸氣溫度的飽和值。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中(a)～(d)圖反映了表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,曲線為擬合結果。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較低。圖3(a)中的A點處有明顯的溫度突降,這是因為被第一級噴霧冷卻的煙氣動流動至T10測點處,第一級噴霧和第二級噴霧的溫降疊加所產生的結果。圖3(a)和3(b)中,當第二級噴霧壓力為1 MPa時,煙氣溫度即可降低到340 K左右,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,兩級噴霧對煙氣溫度的抑制效果較好。

然而,隨著煙氣初始溫度的繼續升高,當煙氣初始溫度高于673 K后,第二級噴霧壓力為1～3 MPa時,T10測點處煙氣溫度降低到400 K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373 K以下,第二級噴霧壓力增加至5MPa時煙氣溫度可降至較低值。

當煙氣溫度為673 K時,圖3(c)中,當第二級噴霧壓力為4 MPa時,煙氣溫度最終穩定值為343.1 K,此時第二級噴霧壓力為最佳噴霧壓力。

圖3(d)中,當第二級噴霧流量為5 MPa時,T10測點處煙氣溫度穩定值為358.7 K。圖3(d)中兩級噴霧壓力均為5 MPa時,可以使煙氣溫度值降低到較低水平,說明5 MPa為T1=753 K工況下第二級最佳噴霧壓力。

4 排氣紅外抑制的噴霧數學模型

4.1 最佳兩級噴霧壓力和流量模型

根據煙氣溫度隨兩級噴霧壓力(流量)變化的規律,實驗得到使煙氣溫度降低到最低穩定值時的最低噴霧壓力,即兩級噴霧最佳噴霧壓力。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下對應的兩級噴霧最佳噴霧流量。

第一級噴霧最佳噴霧壓力：

(1)

第一級噴霧最佳噴霧流量：

(2)

第二級噴霧最佳噴霧壓力：

(3)

第二級噴霧最佳噴霧流量：

(4)

圖4為實驗用6-135柴油機排出高溫煙氣兩級噴霧冷卻的最佳噴霧流量隨柴油機排氣溫度變化曲線,圖中實點為實驗數據,線條為擬合曲線。從圖中可見,隨著柴油機排氣溫度的升高,兩級噴霧最佳噴霧流量值均相應增加。第一級噴霧曲線斜率比第二級噴霧的曲線斜率大,即第一級噴霧最佳噴霧量受煙氣初始溫度影響大,而第二級噴霧量受煙氣初始溫度影響相對較小。這是因為第一級噴霧噴入的冷卻水滴吸收柴油機排出煙氣的熱量比第二級噴霧吸收的熱量大,第一級噴霧消耗水量大,且隨著排氣溫度的升高,第一級噴霧水量應加大使煙氣溫度盡可能降低到相應壓力下的飽和溫度。

圖4 兩級噴霧最佳噴霧量擬合曲線

4.2 煙氣溫度相應時間模型

將低溫水霧噴入發動機排出的高溫煙氣后,煙氣溫度逐漸降低,需要經過一段時間,煙氣溫度才能達到穩定值,將該時間定義為煙氣溫度穩定的響應時間Δt。在兩級噴霧實驗中,當兩級噴霧量均為最佳噴霧流量時,煙氣溫度穩定響應時間值如表2所示,利用最小二乘法擬合的該響應時間與煙氣初始溫度Tg,in的關聯式為：

(5)

表2 柴油機排氣溫度穩定的響應時間

圖5為第一、二級噴嘴均噴入最佳噴霧流量后,實驗中6-135柴油機排出煙氣溫度達到穩定值時所需要的噴霧時間,即從噴霧降溫系統啟動至煙氣溫度降至最低穩定值,需要經歷的系統響應時間。系統響應時間的存在,使得煙氣溫度變化滯后于噴霧系統工作。因此,應當在發動機工況轉換前,在所需的噴霧降溫響應時間內,提前轉換噴霧降溫系統的工況,將噴霧流量調整為對應工況所需的兩級噴霧最佳流量,不會因為工況的升高引起排氣溫度的突然升高。及時調整噴霧系統工況,使發動機排氣溫度始終維持在較低的水平,消除發動機排氣系統排出高溫煙氣產生的突出的紅外輻射特征。

圖5 發動機排出煙氣溫度穩定的響應時間

5 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,并建立了與發動機排氣負荷相匹配的最佳噴霧壓力和流量的數學模型。

(3)針對噴霧后煙氣溫度的響應時間,建立了噴霧系統響應時間模型,并提出了發動機工況轉換時噴霧系統提前調整噴霧工況的建議,為艦船發動機紅外特征的主動抑制提供數據支撐和模型參考依據。

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Infrared suppression of exhaust gas of engine based on water spray cooling

WANG Xiao-chuan1,2,LI Yan-fei1,2,HE Guo3

(1.Military Key Laboratory for Naval Ship Power Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China;2.College of Power Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China;3.Department of Management Science,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

In order to suppress the obvious infrared radiation characteristics of ship engine’s exhaust gas,a two-stage spray cooling experiment was done.Experimental results show that two-stage spray cooling makes gas temperature decrease obviously.When the first spray pressure and the second spray pressure are at the best spray pressure respectively,the gas temperature under any condition can be controlled within the range from 330 K to 360 K.The models of the best spray pressure and the flow rate of the two stage sprays are obtained by experiments.The respond time of the gas temperature tending to the stable value after spraying is obtained,and the suggestion of adjusting the spray working condition is given based on respond time when the engine working condition changes.The research can provide data and referable models for suppressing the infrared radiation characteristics of ship engine exhaust gas system.

infrared radiation suppression;exhaust gas system;spray cooling;two-stage spray;regression model

1001-5078(2015)11-1343-06

海軍工程大學自然科學基金(No.HGDYDJJ15002)資助。

王小川(1985-),男,講師,博士,研究方向為傳熱傳質、熱流體學及其應用。E-mail：wangxiaochuan08@163.com

2015-03-26

U664.6;TN219

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.11.012