一體化燃?xì)鈮嚎s機(jī)用散熱器設(shè)計(jì)研究

李永康 黃超偉 李彬彬

（河南柴油機(jī)重工有限責(zé)任公司,河南 洛陽(yáng)471000）

1 概述

為適應(yīng)一體化燃?xì)鈮嚎s機(jī)（以下簡(jiǎn)稱一體機(jī)）工作要求,河柴重工開發(fā)了一款新型散熱器。本散熱器除需滿足冷卻液的冷卻外,還需滿足高溫壓縮燃?xì)獾睦鋮s,以除去燃?xì)庵械拇罅克?防止管道和閥體的腐蝕以及凍裂。此外,為避免壓縮燃?xì)獬瑝簩?dǎo)致散熱器部件及管道炸裂,散熱器需具備超壓放散功能。為保證一體機(jī)燃料用燃?xì)鈮毫Ψ€(wěn)定,散熱器應(yīng)能把壓縮后的燃?xì)馓峁┙o一體機(jī)做燃料。由于一體機(jī)多在野外油田作業(yè),散熱器還應(yīng)滿足無(wú)人值守要求。

2 技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 散熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,并結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)及熱負(fù)荷計(jì)算得出散熱器設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 散熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 整體設(shè)計(jì)

散熱器由空冷器部件、水散熱部件、導(dǎo)風(fēng)罩、膨脹水箱、風(fēng)扇和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。散熱器采用立式結(jié)構(gòu),風(fēng)扇由發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)軸直接驅(qū)動(dòng),散熱部件、導(dǎo)風(fēng)罩與風(fēng)筒為三級(jí)梯形結(jié)構(gòu),尺寸依次變小。散熱器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2.3 組件設(shè)計(jì)

2.3.1 空冷器部件設(shè)計(jì)

空冷器部件用于冷卻壓縮后的高溫天然氣。管片式散熱器密封試驗(yàn)壓力125kPa,靜壓強(qiáng)度250 kPa[1],遠(yuǎn)低于壓縮天然氣工作壓力,無(wú)法滿足強(qiáng)度要求,故選用翅片管式。

空冷器部件的百葉窗為箱體結(jié)構(gòu),側(cè)面裝有調(diào)整手柄,手柄盤上加工有分度槽,用于調(diào)整手柄位置,從而控制百葉窗開度,改變吹過(guò)散熱器的空氣流量。

空冷器由管箱和管束組成。管箱為絲堵式,最高承壓達(dá)20MPa[2]。

若散熱器管內(nèi)外流體的溫差較大（50℃以上）時(shí),就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)備的變形,甚至彎曲或破裂,因此必須考慮這種熱膨脹的影響[3]。鑒于此,管箱兩側(cè)的左氣箱和右氣箱一端氣箱固定,一端氣箱浮動(dòng),便于翅片管熱脹冷縮。

圖1 散熱器結(jié)構(gòu)圖

左氣箱背面上方設(shè)有四個(gè)接口。熱流體冷卻后密度增大,流體下沉,所以,為了提高換熱效率,進(jìn)口在上,出口在下。工藝氣進(jìn)口、工藝氣出口Ⅰ、工藝氣出口Ⅱ采用對(duì)分法蘭連接,出、入口選用帶內(nèi)外環(huán)的金屬纏繞墊片,耐高溫、高壓,緩沖減震。工藝氣放散口為螺紋連接。工藝氣進(jìn)口連接壓縮后的高溫燃?xì)?經(jīng)空冷器部件冷卻后經(jīng)工藝氣出口Ⅰ排出,工藝氣出口Ⅰ接壓縮燃?xì)廨敵龉艿?。工藝氣出口Ⅱ接一體機(jī)燃料供給管道,將冷卻后的壓縮燃?xì)廨斔椭脸悍€(wěn)壓罐,減壓后進(jìn)入一體機(jī)動(dòng)力列。工藝氣放散口連通壓縮燃?xì)膺M(jìn)氣管,工藝氣放散口上安裝安全放散閥,當(dāng)燃?xì)獬瑝簳r(shí)安全放散閥動(dòng)作泄壓,保證管道、設(shè)備安全。左氣箱背面下方設(shè)有放水口Ⅱ,安裝手動(dòng)球閥,用于排放管箱內(nèi)的冷凝水。

空冷器部件管束采用鼓風(fēng)式水平管束,管束水平布置,管內(nèi)熱流體與管外空氣分布比較均勻,換熱均勻,且安裝方便。氣管束采用軋片式鋼鋁復(fù)合型翅片管,剛度高、抗腐蝕性能好、傳熱能力強(qiáng)。翅片管呈正三角形排列,該排列管板的強(qiáng)度高,流體走短路的機(jī)會(huì)少,且管外流體擾動(dòng)較大,因而對(duì)流傳熱系數(shù)較高,且相同殼程內(nèi)可排列更多的管子[3]。

散熱器與一體機(jī)剛性連接且共用底座,振動(dòng)較大,易導(dǎo)致天然氣泄露。該工況對(duì)空冷器部件的抗震性和密封性提出了較高的要求,為保證其良好的抗震和密封性能,翅片管與管板采用“強(qiáng)度焊+貼脹”連接形式[2]。

空冷器部件詳細(xì)參數(shù)見表2。

2.3.2 水散熱部件設(shè)計(jì)

水散熱部件用于冷卻一體機(jī)冷卻液。由于水泵出口壓力僅70kPa,壓力較低,故選用管片式結(jié)構(gòu),管片式結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高,適用于振動(dòng)較大,工況惡劣的場(chǎng)合[4]。

水散熱部件位于空冷器部件上方,二者焊接連接。由于二者承壓不同,所以管箱采用不同材質(zhì),且水散熱部件的水箱與空冷器部件的氣箱結(jié)構(gòu)獨(dú)立。

水散熱部件由管箱和散熱芯子組成。管箱兩側(cè)設(shè)有左水箱和右水箱（從散熱器正面看）。右水箱背面設(shè)有兩個(gè)接口,分別為冷卻液進(jìn)口和冷卻液出口,冷卻液進(jìn)口在上,冷卻液出口在下。冷卻液進(jìn)口和出口采用對(duì)分法蘭連接,出、入口選用帶內(nèi)外環(huán)的金屬纏繞墊片。冷卻液進(jìn)口接一體機(jī)的高溫回水,經(jīng)水散熱部件冷卻后經(jīng)冷卻液出口進(jìn)一體機(jī)。右水箱背面的下方設(shè)有放水口Ⅰ,安裝手動(dòng)球閥,在散熱器檢修或一體機(jī)停用時(shí)用其排放冷卻液。右水箱背面的上方設(shè)有排氣孔,空氣經(jīng)排氣孔排入膨脹水箱。散熱芯子為管片式,散熱管采用無(wú)縫銅管,散熱片采用H68 材質(zhì),換熱能力強(qiáng)。為增大散熱面積,散熱管采用扁管。散熱管水平布置,正三角形排列。水散熱部件詳細(xì)參數(shù)見表3。

表3 水散熱部件參數(shù)

2.3.3 導(dǎo)風(fēng)罩設(shè)計(jì)

導(dǎo)風(fēng)罩位于散熱部件之后,保證冷卻空氣全部通過(guò)散熱器。導(dǎo)風(fēng)罩為方箱結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便,采用鋼板焊接而成,其兩側(cè)的上部含有兩個(gè)吊耳用于散熱器的起吊。

2.3.4 膨脹水箱設(shè)計(jì)

膨脹水箱為方箱結(jié)構(gòu),焊接在導(dǎo)風(fēng)罩頂部,其上設(shè)有膨脹口和補(bǔ)水口。膨脹口位于膨脹水箱上部,通過(guò)管道與水散熱部件排氣孔相連。補(bǔ)水口位于膨脹水箱下部,通過(guò)管道與水泵進(jìn)口連接,補(bǔ)償系統(tǒng)冷卻液,同時(shí)以泵進(jìn)口作為定壓點(diǎn),保證泵的入口壓力,避免氣蝕。

表2 空冷器部件參數(shù)

膨脹水箱配置自動(dòng)補(bǔ)給系統(tǒng),包含冷卻液儲(chǔ)存箱、電動(dòng)泵、手動(dòng)球閥、防爆電磁閥、控制器及管路。膨脹水箱通過(guò)管道與冷卻液儲(chǔ)存箱相連,側(cè)面裝有液位計(jì),可就地顯示液位并能輸出開關(guān)量信號(hào)控制電動(dòng)泵的啟停和防爆電磁閥的開關(guān),實(shí)現(xiàn)冷卻液自動(dòng)補(bǔ)給。

2.3.5 風(fēng)筒設(shè)計(jì)

風(fēng)筒位于導(dǎo)風(fēng)罩之后,呈圓筒狀,可拆卸安裝。

2.3.6 風(fēng)扇設(shè)計(jì)

風(fēng)扇位于風(fēng)筒內(nèi),為鼓風(fēng)式停機(jī)手動(dòng)調(diào)角型,通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與飛輪連接。風(fēng)扇采用PAG 材質(zhì),其輪轂小、有效風(fēng)量大,且質(zhì)輕功耗小,降低了發(fā)動(dòng)機(jī)功率消耗。風(fēng)扇為軸流式,效率高,供氣量大。

2.3.7 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為簡(jiǎn)化傳動(dòng)結(jié)構(gòu),傳動(dòng)系統(tǒng)采用傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu),直接安裝在一體機(jī)飛輪上驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。傳動(dòng)軸采用優(yōu)質(zhì)鋼制造,保證了足夠的強(qiáng)度和剛度。傳動(dòng)軸外圍設(shè)有防護(hù)網(wǎng)以保證周圍安全。

3 結(jié)論

該散熱器采用全新結(jié)構(gòu),經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證,通過(guò)了一體機(jī)高溫、極寒、露天、無(wú)人值守作業(yè)的考驗(yàn)。散熱器除滿足一體機(jī)冷卻液、高溫壓縮燃?xì)獾睦鋮s外,還具有燃?xì)獬瑝悍派?、冷卻液自動(dòng)補(bǔ)給以及為一體機(jī)提供壓力穩(wěn)定的燃料等功能,實(shí)現(xiàn)了一體機(jī)的無(wú)人值守。該散熱器為國(guó)內(nèi)行業(yè)首創(chuàng),對(duì)國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣、煤層氣、低壓天然氣的開采意義重大。