油冷卻器冷卻效率試驗(yàn)分析

(哈爾濱大電機(jī)研究所，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

循環(huán)冷卻系統(tǒng)是水輪發(fā)電機(jī)重要組成部分，循環(huán)冷卻方式包括內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)冷卻方式兩種[1、2]。內(nèi)循環(huán)冷卻方式是指油冷卻器和推力軸承安裝在同一油槽內(nèi)，依靠油槽內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部件如鏡板、推力頭等的粘滯作用和油的對(duì)流換熱形成循環(huán)油路[3、4]。

隨著機(jī)組軸承損耗的不斷增大，對(duì)軸承油冷卻器提出越來越高的要求，因此進(jìn)行內(nèi)循環(huán)軸承油冷卻器冷卻效率試驗(yàn)研究很有必要。若采用φ19/φ17的銅管，按每千瓦軸承損耗選取的管長為3～5米[5]～[6]；根據(jù)，油冷卻器的一般冷卻能力值為2～3 kW/m2[7]～[8]。目前，設(shè)計(jì)油冷卻器根據(jù)的是以往的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)油冷卻器熱交換效率研究較少。為了研究軸承油冷卻器的換熱效率，設(shè)計(jì)冷卻器冷卻效率試驗(yàn)裝置，同時(shí)設(shè)計(jì)了6個(gè)冷卻器，包含三種材料(銅、不銹鋼、銅鎳合金)、兩種結(jié)構(gòu)(光管式和翅片式)[9]～[16]。經(jīng)過試驗(yàn)和計(jì)算，得到了各冷卻器的熱交換系數(shù)，本文的研究結(jié)果可以為內(nèi)循環(huán)軸承油冷卻器設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 油冷卻器試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

推力軸承或?qū)лS承摩擦損耗和攪拌損耗產(chǎn)生的熱量,使周圍和轉(zhuǎn)動(dòng)件附近的油被加熱，冷卻器必須要有足夠的換熱容量和效率，使軸承損耗通過冷卻水帶走，保證軸承瓦溫和油溫在允許的安全范圍內(nèi)。采用內(nèi)循環(huán)，油冷卻器裝設(shè)在油槽內(nèi)，不需要循環(huán)油泵及控制系統(tǒng)[17]。

冷卻器試驗(yàn)裝置如圖1所示，包含冷卻器、油槽、油泵、電加熱器、壓力表、流量計(jì)和管路等，可以采集油和水壓力、溫度、流量等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)前，將46號(hào)潤滑油注入油槽和管路中，要求潤滑油面超過冷卻器冷卻水管最高處。電加熱器裝置加熱油，通過油泵循環(huán)，熱油流進(jìn)油槽，經(jīng)過冷卻器冷卻，冷油流出油槽，再流入油泵，形成完整的循環(huán)。熱量經(jīng)對(duì)流放熱傳至冷卻管外壁并在熱傳導(dǎo)下傳到內(nèi)壁，最后通過冷卻水的對(duì)流散熱帶出。

圖1 油冷卻器試驗(yàn)裝置

為了分析油冷卻器的換熱效率，對(duì)不同材料和結(jié)構(gòu)的冷卻器進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了三種材料(銅、不銹鋼和銅鎳合金)，兩種結(jié)構(gòu)(光管式和翅片式)的油冷卻器。光管式和翅片式油冷卻器模型如圖2、圖3所示。

圖2 光管式油冷卻器

圖3 翅片式油冷卻器

為了對(duì)比同體積下光管式和翅片式油冷卻器的冷卻能力，兩種結(jié)構(gòu)的油冷卻器所占體積一致，冷卻器結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 油冷卻器結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 冷卻器試驗(yàn)

試驗(yàn)工況水流量、油流量見表2所示。

表2 試驗(yàn)工況

軸承穩(wěn)定運(yùn)行過程中，油水溫差與軸承損耗、冷卻器散熱面積、冷卻器散熱系數(shù)有關(guān)[18]。根據(jù)文獻(xiàn)[18]中熱力學(xué)基本原理，熱傳遞的基本方程如下

P=kAΔtmW

(1)

式中,P—傳熱量 (W)；k—傳熱系數(shù)(W/m2·K)；A—換熱面積(m2)；Δtm—平均溫差(K)。

熱平衡方程如下

P=Q1CP1(t1′-t1″)=Q2CP2(t2″-t2′)W

(2)

式中,Q1、Q2—熱流體和冷流體流量(m3/s)；CP1、CP2—熱、冷流體定壓比熱容(Ws/m3K)(本研究中水取4200，油取2000)；t1′、t1″—熱流體的進(jìn)、出口溫度(K)；t2′、t2″—熱流體的進(jìn)、出口溫度(K)。

通過試驗(yàn)獲得的水、油溫度，通過式(2)熱平衡方程，計(jì)算出損耗P，在通過式(1)熱傳遞方程，計(jì)算得到各冷卻器的換熱系數(shù)k，各冷卻器不同油水工況條件下的換熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3所示。

表3 各冷卻器換熱系數(shù)(W/m2·K)

從表3可以看出，從材料角度看，熱交換系數(shù)關(guān)系為銅>銅鎳合金>不銹鋼。換熱系數(shù)隨水流量和油流量增大而增大，油槽流速影響比水側(cè)大。增加水流量和油流量可以提高冷卻器冷卻能力。

圖4為水流量9.0m3/h、油流量10.0m3/h時(shí)各冷卻器的換熱系數(shù)對(duì)比圖。可以看出，相同材料的銅管比翅片管換熱系數(shù)大。

圖4 各冷卻器換熱系數(shù)對(duì)比圖(W/m2·K)

根據(jù)文獻(xiàn)[20]中增大冷卻器冷卻能力的另一種方法就是增大換熱面積，將光管式冷卻器換成翅片式。圖5為每米不同材料的管冷卻能力對(duì)比圖，可以看出翅片式冷卻器每米冷卻效率明顯高于光管式，雖然換熱系數(shù)上翅片式冷卻器不如光管式，但由于翅片大大增加了熱交換面積，換熱效率顯著提高。

圖5 每米冷卻管的冷卻能力對(duì)比圖(kW)

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了油冷卻器冷卻效率試驗(yàn)裝置和6種油冷卻器，進(jìn)行了試驗(yàn)，形成了以下結(jié)論。

(1)光管式冷卻器換熱系數(shù)比翅片式大，其中銅材料換熱系數(shù)最大；

(2)翅片式管每米換熱量大于光管式；

(3)冷卻器的換熱效率隨水流速和油流速的增大而增大，油流速影響大；

(4)空間一定的前提下，使用翅片式冷卻器冷卻效果優(yōu)于光管式。