基于喷雾降温方法的发动机排气红外抑制研究

王小川,李雁飞,贺 国

(1.海军工程大学舰船动力工程军队重点实验室,湖北 武汉 430033；2.海军工程大学动力工程学院,湖北 武汉 430033；3.海军工程大学管理工程系,湖北 武汉 430033)



·红外技术及应用·

基于喷雾降温方法的发动机排气红外抑制研究

王小川1,2,李雁飞1,2,贺 国3

(1.海军工程大学舰船动力工程军队重点实验室,湖北 武汉 430033；2.海军工程大学动力工程学院,湖北 武汉 430033；3.海军工程大学管理工程系,湖北 武汉 430033)

为有效抑制舰船发动机排出烟气产生的突出的红外辐射特征,进行了两级喷雾冷却降温的实验研究。实验结果表明：通过两级喷雾冷却使烟气温度显著降低,实验中两级喷雾压力的最高工况可使发动机各工况下的排气温度控制在330～360 K的范围内。实验确定了发动机各工况下的两级喷雾最佳喷雾压力和流量的数学模型,得到了喷雾后烟气温度降低至最低稳定值所需的响应时间,针对该响应时间,为发动机工况转换时喷雾系统工况的提前调整提出建议。本文研究可为实现舰船发动机排气系统红外抑制的主动控制提供数据支持和模型依据。

红外抑制；排气系统；喷雾降温；两级喷雾；回归模型

1 引 言

近年来,随着舰船振动噪声控制技术的不断发展,舰船动力机械噪声和螺旋桨噪声得到了有效抑制,这使得舰船红外辐射问题变得相对越来越突出[1-2],逐渐成为影响舰船隐身性能的新问题。

为降低舰船发动机排气系统排出高温烟气的红外辐射特征,可采用在排气管路中喷入冷却水雾的方法[3]对高温烟气进行冷却降温,并且该方法是最有效、最容易实现的方法之一。当前研究文献集中在对喷雾冷却特性[4-5]的研究上,对有效抑制烟气温度的喷雾数学模型的研究却报道较少。

为研究高温烟气中喷淋冷却的特性,贺国等[6]对AIP(不依赖空气推进装置)排出气体喷淋冷却及CO2气体高效水吸收理论进行了实验研究,提出了宏观传质系数的实验获取方法,建立了AIP排出气体喷淋冷却性能预报的数学模型。为降低舰船发动机的排气噪声和排气温度,柳贡民等[7]对水喷淋消声器进行了数值模拟及实验研究,结果表明在排气系统消声器中进行喷淋冷却对发动机排气噪声和温度的抑制都是有效的。然而,与喷雾方法相比,喷淋消耗水量明显较大、雾滴粒径大,这决定了喷淋水滴与气体传热传质效果比雾化液滴的效果差。为提高冷却效果,袁江涛等[8]在发动机排气管路内利用雾化喷嘴喷入冷却微细水雾的方式对高温烟气进行冷却降温,实验表明喷入一定量冷却细水雾后,柴油机烟气温度可从管路进口的358 ℃降低至排气出口处的120 ℃,也同时表明仅采用一次喷雾的冷却方式,对烟气温度的抑制程度有限。

前期研究发现,向高温烟气气流中喷入冷却细水雾后,由于喷雾量过大或者雾滴碰壁致使水滴并不能完全蒸发,给喷雾降温方法的应用带来了新的问题：水蒸气比焓很大,从水下航行器发动机排气口排出到海水中仍会使海水温度有明显升高；大量饱和蒸汽随烟气气流运动,使烟气温度的继续降低受到限制；大量水分在排气管路中流动会对管路造成严重腐蚀。为解决上述问题,在排气系统集水箱[9]中进行第一次喷雾,在沿程下游位置增设丝网除水装置,将混合气流中的水分除去一部分后,再次喷入少量、更为微细的水雾使烟气温度继续降低,即采取两级喷雾的方法对烟气进行充分的降温冷却。

本文通过发动机排气两级喷雾冷却的实验研究,根据两级喷雾后烟气温度的变化规律,确定两级喷雾最佳喷雾压力和喷雾流量这两个喷雾参数与发动机排气热负荷关联的数学模型,并对发动机工况转换时喷雾冷却系统喷雾参数的调整提出了建议。本文研究对发动机排出高温烟气红外辐射特征的有效抑制具有一定的理论意义和实际应用价值。

2 实验系统介绍

图1所示为实验室发动机排气喷雾降温实验系统示意图。该系统由4部分组成：柴油机排气系统、高压供水及两级喷雾系统、丝网除水装置和数据采集系统,其中柴油机排气系统包括柴油机排气管路(外包覆保温材料)和排气集水箱；高压供水及两级喷雾系统包括高压供水泵、供水软管、流量计、压力表和雾化喷嘴等；丝网除水装置包括金属丝网和疏水阀；数据采集系统包括安捷伦(Agilent)数据采集仪、热电偶、压差变送器等仪器。

图1 实验系统布置示意图

实验所用发动机为6-135柴油机,为喷雾降温实验提供高温烟气。图中，T1～T10为热电偶测温点,P1～P3为烟气压力测点。T1测量烟气初始温度,沿程布置的T2～T7各测点测量第一级喷雾后烟气温度变化,T2～T7各测点距离集水箱排气出口截面的沿程距离分别为0.15 cm、2.61 m、2.73 m、3.15 m、3.75 m和4.67 m。T8～T10测点用来测量第二级喷雾后烟气温度变化,各测点距离第二级喷雾装置的沿程距离分别为：0.81 m、1.24 m和1.65 m。

实验所用喷嘴为喷雾(spraying)系统公司生产的LND型单路压力微细雾化喷嘴,该型喷嘴雾化压力为1.0～5.0 MPa,雾化后产生的水雾为空心锥形,雾滴均属于细水雾,并且雾滴粒径随雾化压力的升高而减小,喷嘴流量随雾化压力的升高而增大[10]。根据喷嘴孔径对其降温性能的影响[10],实验中第一级喷雾和第二级喷雾所用的喷嘴分别为LND1.5和LND0.6两型喷嘴,其孔径分别为0.51 mm 和0.41 mm。

如图2所示为集水箱、高压供水管路和烟气取压装置实物图,在集水箱中喷入第一级冷却细水雾,利用耐高压软管将6个一级喷嘴连接在一起,构成第一级喷雾装置。利用高压供水泵对第一级喷雾装置进行供水,通过喷嘴喷入的过量且未蒸发的冷却水可通过集水箱底部的放泄阀排出。在下游排气管路中喷入第二级冷却细水雾,由于该处烟气温度相对较低,且管路内径较小,因此仅布置3只二级喷嘴组成环路。

图2 集水箱与第一级喷雾装置

由于发动机排气管路内烟气温度高、热流密度大,因此用耐高温的不锈钢金属丝网作为除水装置。将单层金属丝网固定在排气管两个法兰之间,竖直放置,在丝网的上游排气管的底部设置楔形导流槽[11],使被分离的水分沿导流槽流入在管壁上开设的小孔,被丝网分离出的水分通过该孔流入疏水管路。在疏水管路的末端安装了疏水阀,水分可以通过此阀排出排气管路,同时也阻止了烟气泄漏。

3 两级喷雾降温实验数据及分析

3.1 两级喷雾工况的确定

实验数据表明,随着第一级喷雾压力(流量)的增加,烟气温度值逐渐降低,但随着喷雾流量的持续增加,烟气温度降低曲线趋于平缓,逐渐趋于某一稳定值[10]。此时若继续增加喷雾流量,烟气温度变化不明显,也即达到稳定值以后再增加的水量对烟气的降温作用是近似无效的。因此在喷雾流量值的确定时,存在一个最大有效值[12],定义之为“最佳喷雾流量”。

将第一级喷嘴使烟气温度趋于稳定时的雾化压力值,作为第一级最佳喷雾压力P1m,第一级喷雾压力值及对应烟气温度稳定值如表1中所示。当进行两级喷雾实验时,将第一级喷雾压力调整至表1中的目标压力后,逐步调整第二级喷雾压力进行实验对比。

表1 两级喷雾压力

3.2 两级喷雾后烟气温度的测量结果

经过第一级喷雾冷却后,烟气温度已经降低到了第一级喷雾降温的极限值,即相应压力下的水蒸气温度的饱和值。利用丝网将一部分水分除去后,再喷入第二级细水雾时烟气温度仍有一定幅度降低。

图3 两级喷雾后T10点温度瞬态变化

图3中(a)～(d)图反映了表1中两级喷雾工况下,T10测点温度值随两级喷雾时间的变化规律,图中点为第二级喷雾不同喷雾压力下烟气温度变化实测值,曲线为拟合结果。从图中可见,随着第二级喷雾压力的升高,烟气温度降低幅度增大,且稳定后的烟气温度值较低。图3(a)中的A点处有明显的温度突降,这是因为被第一级喷雾冷却的烟气动流动至T10测点处,第一级喷雾和第二级喷雾的温降叠加所产生的结果。图3(a)和3(b)中,当第二级喷雾压力为1 MPa时,烟气温度即可降低到340 K左右,这是因为经过第一级喷雾后烟气温度已经降低到比较低的范围,再经过第二级喷雾后,烟气温度继续降低,两级喷雾对烟气温度的抑制效果较好。

然而,随着烟气初始温度的继续升高,当烟气初始温度高于673 K后,第二级喷雾压力为1～3 MPa时,T10测点处烟气温度降低到400 K左右,便不再继续降低,说明喷雾流量仍不足以使烟气温度降低至373 K以下,第二级喷雾压力增加至5MPa时烟气温度可降至较低值。

当烟气温度为673 K时,图3(c)中,当第二级喷雾压力为4 MPa时,烟气温度最终稳定值为343.1 K,此时第二级喷雾压力为最佳喷雾压力。

图3(d)中,当第二级喷雾流量为5 MPa时,T10测点处烟气温度稳定值为358.7 K。图3(d)中两级喷雾压力均为5 MPa时,可以使烟气温度值降低到较低水平,说明5 MPa为T1=753 K工况下第二级最佳喷雾压力。

4 排气红外抑制的喷雾数学模型

4.1 最佳两级喷雾压力和流量模型

根据烟气温度随两级喷雾压力(流量)变化的规律,实验得到使烟气温度降低到最低稳定值时的最低喷雾压力,即两级喷雾最佳喷雾压力。通过喷嘴喷雾压力与流量的对应关系,即可得到发动机各种工况下对应的两级喷雾最佳喷雾流量。

第一级喷雾最佳喷雾压力：

(1)

第一级喷雾最佳喷雾流量：

(2)

第二级喷雾最佳喷雾压力：

(3)

第二级喷雾最佳喷雾流量：

(4)

图4为实验用6-135柴油机排出高温烟气两级喷雾冷却的最佳喷雾流量随柴油机排气温度变化曲线,图中实点为实验数据,线条为拟合曲线。从图中可见,随着柴油机排气温度的升高,两级喷雾最佳喷雾流量值均相应增加。第一级喷雾曲线斜率比第二级喷雾的曲线斜率大,即第一级喷雾最佳喷雾量受烟气初始温度影响大,而第二级喷雾量受烟气初始温度影响相对较小。这是因为第一级喷雾喷入的冷却水滴吸收柴油机排出烟气的热量比第二级喷雾吸收的热量大,第一级喷雾消耗水量大,且随着排气温度的升高,第一级喷雾水量应加大使烟气温度尽可能降低到相应压力下的饱和温度。

图4 两级喷雾最佳喷雾量拟合曲线

4.2 烟气温度相应时间模型

将低温水雾喷入发动机排出的高温烟气后,烟气温度逐渐降低,需要经过一段时间,烟气温度才能达到稳定值,将该时间定义为烟气温度稳定的响应时间Δt。在两级喷雾实验中,当两级喷雾量均为最佳喷雾流量时,烟气温度稳定响应时间值如表2所示,利用最小二乘法拟合的该响应时间与烟气初始温度Tg,in的关联式为：

(5)

表2 柴油机排气温度稳定的响应时间

图5为第一、二级喷嘴均喷入最佳喷雾流量后,实验中6-135柴油机排出烟气温度达到稳定值时所需要的喷雾时间,即从喷雾降温系统启动至烟气温度降至最低稳定值,需要经历的系统响应时间。系统响应时间的存在,使得烟气温度变化滞后于喷雾系统工作。因此,应当在发动机工况转换前,在所需的喷雾降温响应时间内,提前转换喷雾降温系统的工况,将喷雾流量调整为对应工况所需的两级喷雾最佳流量,不会因为工况的升高引起排气温度的突然升高。及时调整喷雾系统工况,使发动机排气温度始终维持在较低的水平,消除发动机排气系统排出高温烟气产生的突出的红外辐射特征。

图5 发动机排出烟气温度稳定的响应时间

5 结 论

(1)通过两级喷雾冷却使烟气温度降低,实验中两级喷雾压力的最高工况可使烟气温度控制在330～360K的范围内。实验表明两级喷雾冷却方法对发动机排出烟气的充分冷却是有效的。

(2)发动机排气系统的两级喷雾冷却均存在最佳喷雾压力和流量等喷雾参数,通过两级喷雾冷却实验确定了该参数,并建立了与发动机排气负荷相匹配的最佳喷雾压力和流量的数学模型。

(3)针对喷雾后烟气温度的响应时间,建立了喷雾系统响应时间模型,并提出了发动机工况转换时喷雾系统提前调整喷雾工况的建议,为舰船发动机红外特征的主动抑制提供数据支撑和模型参考依据。

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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

海军工程大学自然科学基金(No.HGDYDJJ15002)资助。

王小川(1985-),男,讲师,博士,研究方向为传热传质、热流体学及其应用。E-mail：wangxiaochuan08@163.com

2015-03-26

U664.6;TN219

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.11.012