管束式內(nèi)循環(huán)油冷卻器設(shè)計與計算

柳　梅，羅建華

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

管束式內(nèi)循環(huán)油冷卻器設(shè)計與計算

柳梅，羅建華

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

摘要：介紹了管束式內(nèi)循環(huán)油冷卻器的兩種計算方法：過流面積和散熱面積。引出單管流量和單管容量設(shè)計參數(shù)，規(guī)定了不同直徑的冷卻管溫升的取值，冷卻器冷卻水管根數(shù)的確定，可方便軸承油冷卻器設(shè)計，目的是建立軸承油冷卻器計算公式，對軸承設(shè)計人員有一定的指導意義。

關(guān)鍵詞：過流面積；散熱面積；單管流量；單管容量；管束的回路數(shù)

1　前言

發(fā)電機軸承的油冷卻器是冷卻系統(tǒng)中的主要設(shè)備，軸承運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的損耗使油溫上升，由潤滑油為載體，將熱量傳給冷卻管，再通過管壁傳入水中，即傳熱介質(zhì)為油-銅-水，最后損耗由水帶走，熱交換達到平衡，瓦溫穩(wěn)定在一個安全運行的溫度（如40℃～55℃）。所以設(shè)計油冷卻器之前，首先明確水電站技術(shù)供水系統(tǒng)參數(shù)——如：水質(zhì)、水溫、工作水壓和最高水壓等。

目前普遍采用的內(nèi)循環(huán)冷卻器的冷卻水管材料為純銅管和不銹鋼管。由于油的導熱系數(shù)很小，一般為=0.1 kcal/m·h℃，純銅冷卻管的導熱系數(shù)為=25 kcal/m·h℃，不銹鋼冷卻管的導熱系數(shù)為λ=23 kcal/m·h℃，由于冷卻管的導熱系數(shù)與熱阻成反比關(guān)系，計算中，管材的熱阻可忽略不計，僅計算油的熱阻。

同時還需考慮水量問題——水量過小，瓦溫可能高，水量過大，水溫升就過低，對熱交換有利無害，對帶走的損耗有利，但對水電站經(jīng)濟運行是一種浪費。還有冷卻系統(tǒng)輸水管道規(guī)定水速不超過3m/s，水速低點，對熱交換影響不大。總之應(yīng)按實際條件，綜合各種因素設(shè)計油冷卻器。

本文引出過流面積，單管流量和單管容量設(shè)計參數(shù)，可方便軸承油冷卻器的設(shè)計，目的是建立油冷卻器設(shè)計計算公式。

2　過流面積設(shè)計方法

冷卻管與承管板采用脹管工藝連接，這樣兩端帶有承管板的所有冷卻管統(tǒng)稱管束過流面積：冷卻水在油冷卻器內(nèi)一個流程流過的截面積，單位：m2；

式中：——冷卻水管內(nèi)徑，mm。

單位：kW。

軸承內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)都屬于浸沒式熱交換，自身泵內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)。冷卻水計算溫升不宜選擇較大數(shù)值，建議不同規(guī)格的冷卻管選取不同的△，詳見表1中有*符號的數(shù)值。

表1　不同水溫升的單管容量()

表1　不同水溫升的單管容量()

單管容量規(guī)格水溫升△t=1 　△t=1 　　△t=1 　　△t=1 　　△t=1 φ19 　1.43 　* 1.7 　2.14 　2.57 　2.85 φ25 　2.39 　2.87 　*3.59 　4.3 　4.78 φ28 　3.11 　3.7 　4.63 　*5.55 　6.17 φ30 　3.34 　4 　5 　6 　*6.67

表2　常用的冷卻管規(guī)格及設(shè)計參數(shù)

在進行計算時，由損耗算出總水量的水溫升高值應(yīng)與計算單管容量的水溫升值相同。這樣總水量1比單管水量d應(yīng)等于總損耗比單管容量d即，也說明供水量和用水量達到平衡。

利用上述引出單管流量和單管容量參數(shù)很容易求出單回路過流面積所包含的冷卻管根數(shù)1，即，利用表3可算出各種規(guī)格冷卻管的不同所帶走損耗不同，所設(shè)計的油冷卻器每回路過流面積所含冷卻管根數(shù)1稱為理論值。實際在設(shè)計冷卻器時，為了排列冷卻管布置合理，有一實際每回路冷卻管數(shù)2，原則2≥1，但不能偏離太遠。最后應(yīng)按下式核算用水量2=s×d×2×6×104（ L/min）式中：s水速 取1.5（m/s），d單管過流面積，查表2，m2實際設(shè)計管數(shù)（過流面積所含冷卻管數(shù)）。

表3　過流面積所含冷卻管數(shù)的計算

3　散熱面積設(shè)計方法

軸承冷卻器熱交換條件前面講了很多，主要有：水流量，水溫升，水的過流面積等，還有一個必要條件就是冷卻管所形成的散熱面積應(yīng)足夠。通常散熱面積應(yīng)通過熱交換計算來確定。因軸承冷卻器屬全浸沒式內(nèi)循環(huán)潤滑冷卻結(jié)構(gòu)，進入油冷卻器的水流速度很難確定，能夠計算也不準確。經(jīng)多年生產(chǎn)實踐的經(jīng)驗總結(jié)，采用17的純銅冷卻管，對軸承按每千瓦管長取5～6m作為判定數(shù)據(jù)，設(shè)計油冷卻器足夠滿足散熱面積的要求。隨著采用冷卻管規(guī)格的不同，若管徑增大，每米表面積增加，每千瓦管長應(yīng)減小，判定值可參考表4。

表4　油冷卻器的冷卻管常用管徑及設(shè)計參數(shù)統(tǒng)計表

4　強調(diào)過流面積和散熱面積一同考慮引出回路概念

軸承油冷卻器的冷卻管，在排列設(shè)計時，既要考慮過流面積所含的管數(shù)，還要考慮其總管長所形成的散熱面積是否滿足要求。即在有限的空間內(nèi)，結(jié)合過流面積所含管的數(shù)量來增加橫排或縱排冷卻管的數(shù)量，滿足每千瓦損耗對應(yīng)管長的要求，所以就出現(xiàn)了油冷卻器內(nèi)部的回路數(shù)，亦稱油冷卻器管束的回路數(shù)。

管束回路數(shù)計算：設(shè)管束所包含冷卻管數(shù)為x（由確定散熱面積應(yīng)該排列的管數(shù)），此值除以，應(yīng)得整數(shù)，即，（整數(shù)）=1,2,3,4……。應(yīng)在1,2,3,4,5,6中選取，稱n為管束回路數(shù)

管束回路數(shù)在結(jié)構(gòu)上借助于前、后水箱蓋來實現(xiàn)，前水箱蓋裝配在管束進水端的承管板上，后水箱蓋裝配在出水管的承管板上。管束為單回路時，水從前水箱蓋進入，流經(jīng)管束所有冷卻管，再從后水箱蓋流出。若把管束分成兩等分，使冷卻水從前水箱蓋進入，僅流經(jīng)管束一半，流到后水箱蓋后再從另一半管束返回到前水箱蓋引出，稱管束為2回路。以此類推油冷卻器管束可設(shè)計成3，4回路，詳見表5。回路數(shù)為1，3等奇數(shù)時，進、出引水管在管束前后端各1個，回路數(shù)為2，4等偶數(shù)時，進、出引水管都在前端。

表5　管束回路數(shù)與水箱蓋結(jié)構(gòu)

5　油冷卻器結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計

冷卻管在排列設(shè)計時應(yīng)遵循的規(guī)則:根據(jù)所放的空間，可排列成方陣，也可排列成矩陣。冷卻器排列方式有兩種：交錯排列和直排列，直排列亦稱棋布。

從表6所列數(shù)據(jù)，可分析交錯排列尺寸和冷卻管直徑的關(guān)系。遵循的原則是熱交換，使流體阻力盡量小，通常t2/dw應(yīng)大于1.25，h2/h1在0.7～0.85最佳。表6中所列19/17所列尺寸為典型交錯排列。冷卻管徑加大，增加熱交換的面積，管加粗也使流阻增加，適當選取t1和t2是必要的。如對25/22冷卻管取t1和t2為25和43，這樣t2/dw=1.72，比1.32增幅較大，目的是減小流阻，使得h2/h1=1，這樣使流程有擴大和縮小情況，使流阻增加。為改善此情況，將t2由43改為37，使h2/h1=0.79，有效的改善了流道中擴大和縮小程度，并可在相同的外形尺寸下，多布置些冷卻管。

圖1　冷卻管直排列方式

圖2　冷卻管交錯排列方式

表6　交錯排列尺寸對比

從表7所列數(shù)據(jù)，可分析直排和冷卻管直徑的關(guān)系，所遵守的原則也是便于熱交換，使其流體阻力盡量小。直排列和交錯排列比較，直排列的流道有明顯的擴大和縮小狀況，即通過h1縮小，通過h2擴大，所以直排列使冷卻器的阻力壓降較大，用于內(nèi)循環(huán)軸承，對油冷卻器阻力壓降要求不是很嚴格，而直排列最顯著的優(yōu)點是在相同的外形下，可多布置冷卻管來滿足散熱要求，這也正是內(nèi)循環(huán)軸承，一般油槽容積有限所要求的，所以，內(nèi)循環(huán)軸承冷卻器，推薦采用直排列結(jié)構(gòu)是可行的。

表7　直排列尺寸對比

使e > w 詳見表6 中的規(guī)定。

6　油冷卻器傳熱計算

（4）單管流量d（水速為1.5m/s時）：

（5）單管容量d（△=1.2℃時）：

（6）計算水量（△=1.2℃時）：

（7）管束回路數(shù)：

（8）計算水速：

（11）計算水溫升：

7　結(jié)論

（1）表1列出了冷卻管規(guī)格與計算溫升的對應(yīng)關(guān)系。

（2）表2列出設(shè)計參數(shù)可以快捷定出所要采用的冷卻管規(guī)格和過流面積。

（3）表3列出設(shè)計參數(shù)，已知損耗后，就可得出過流面積所含的管束，可以快捷定出冷卻器設(shè)計總水量。

（4）表4列出不同管徑的冷卻管每千瓦損耗所需冷卻管長和散熱面積的計算。

（5）設(shè)計回路數(shù)時，要保證每回路所含管數(shù)，等于過流面積所含的管數(shù)，并復(fù)核用水量和供水量是否一致，按表3算得。

（6）表5列出管束回路數(shù)與水箱蓋的結(jié)構(gòu)布置關(guān)系。

（7）圖1和圖2表示出直排列和交錯排列的布置方式。

（8）表6和表7列出交錯排列和直排列結(jié)構(gòu)尺寸選取。

（9）按過流面積和散熱面積布置完冷卻器后，按油冷卻器傳熱計算對冷卻器進行復(fù)核。

按上文過流面積和散熱面積方法設(shè)計油冷卻器，并通過本文中的公式，進行傳熱計算，來確定冷卻面積。雖然本計算程序還不成熟，但通過本文，使設(shè)計者深入了解影響內(nèi)循環(huán)冷卻器熱交換的各種因素，從而擴大橫向知識，增強分析傳熱問題能力，便于總結(jié)經(jīng)驗，完善計算程序，進行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計出更加完善的管束式內(nèi)循環(huán)油冷卻器。

中圖分類號：TK730.3+22

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）06-0060-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.017

收稿日期：2015-04-30

作者簡介：柳梅（1966-），男，高級工程師，從事水輪發(fā)電機設(shè)計工作。