燃?xì)廨啓C(jī)滑油換熱器的分析計(jì)算

摘要：換熱器是燃機(jī)滑油系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，本文通過分析燃?xì)廨啓C(jī)滑油系統(tǒng)的工作原理及技術(shù)要求，總結(jié)了滑油換熱器的選型原則，并運(yùn)用理論計(jì)算公式推導(dǎo)出冷卻水用水量和總換熱面積的計(jì)算公式。最后根據(jù)某型燃機(jī)的滑油系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行換熱器選型、計(jì)算，所選換熱器完全滿足燃機(jī)需要。通過本文的研究結(jié)果可以對(duì)不同的熱負(fù)荷需求提出相應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞：滑油系統(tǒng);板式換熱器;分析計(jì)算;選型;校核

中圖分類號(hào)：TK124 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）09-0045-02

1 ?概述

燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組滑油系統(tǒng)包括燃機(jī)滑油和發(fā)電機(jī)滑油，燃機(jī)滑油系統(tǒng)為燃?xì)廨啓C(jī)提供一定壓力、溫度、流量的潤滑油，發(fā)電機(jī)滑油系統(tǒng)為發(fā)電機(jī)提供合適的潤滑油，以滿足燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)在正常工作時(shí)對(duì)潤滑、冷卻、調(diào)節(jié)的需要。同時(shí)發(fā)電機(jī)滑油還對(duì)安裝在減速器內(nèi)的離合器動(dòng)作提供足夠的動(dòng)力油壓及潤滑用油。燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，故潤滑油在循環(huán)過程中需要通過換熱器進(jìn)行冷卻。

2 ?滑油換熱器的要求

滑油換熱器選型的要求[1]：①達(dá)到設(shè)計(jì)所需要的換熱要求;②換熱效率高，熱損小，壓降符合要求;③安裝清洗方便，應(yīng)用廣泛;④結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小;⑤使用壽命長。

換熱器的種類多種多樣，主要有水冷式（蛇形管式、多管式、波紋板式）、風(fēng)冷式（板翹式、翅片管式）和冷媒式。

波紋板式換熱器能夠滿足上述特點(diǎn)，它在相同壓力損失情況下，其傳熱系數(shù)比列管式換熱器高3-5倍，占地面積為管式換熱器的三分之一。板式換熱器的型式主要有框架式（可拆卸式）和釬焊式兩大類，板片形式主要有人字形波紋板、水平平直波紋板和瘤形板片三種。

3 ?換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 設(shè)計(jì)計(jì)算理論

設(shè)計(jì)計(jì)算是板式換熱器工程設(shè)計(jì)的核心，其中包括熱力計(jì)算和壓降計(jì)算等相關(guān)分析計(jì)算。板式換熱器不同于傳統(tǒng)的管殼式換熱器，所以不需要任何元件和結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)，只需要恰當(dāng)?shù)亟M合板片并進(jìn)行產(chǎn)熱計(jì)算和壓降計(jì)算，得出所需的總換熱面積與板片數(shù)。

板式換熱器的熱力計(jì)算[3]，設(shè)計(jì)型或是校核型的計(jì)算方法均包括平均溫差法和效能-傳熱單元數(shù)法，本文采用平均溫差法（簡稱LMTD法）進(jìn)行設(shè)計(jì)、校核計(jì)算，設(shè)計(jì)型和校核型的計(jì)算過程如表1。

板式換熱器的計(jì)算是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，板式換熱器選型計(jì)算中必須考慮的五個(gè)參數(shù)是：①總傳熱量Q（kW）;②一次側(cè)、二次側(cè)的進(jìn)出口溫度;③一次側(cè)、二次側(cè)的允許壓力降;④最高工作溫度;⑤最大工作壓力。

①換熱熱流量計(jì)算公式：

q=m·Cp·Δt ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

②熱負(fù)荷計(jì)算公式：

Q=K·A·LMTD ? ? ? ? ?（2）

其中：q——換熱熱流量，kJ/h;Q——熱負(fù)荷，W;m——質(zhì)量流速，kg/h;Cp——比熱，kJ/kg·℃;Δt——介質(zhì)的進(jìn)出口溫度差，℃;K——總傳熱系數(shù)，W/m2·℃;A——傳熱面積，m2;LMTD——對(duì)數(shù)平均溫差，K;換熱熱流量和熱負(fù)荷換算公式為：q=3.6Q。

③總傳熱系數(shù)用下式表示：

其中：K——總傳熱系數(shù)，W/m2·℃;a1——一次側(cè)的換熱系數(shù)，W/m2·℃;a2——二次側(cè)的換熱系數(shù)，W/m2·℃;δ——傳熱板片的厚度，m;λ——板片的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃;R1、R2——分別為兩側(cè)的污垢系數(shù)，m2·℃/W。

④散熱損失可以用壁面溫差法求得：

其中：Q'——散熱損失，W;tw——壁面溫度，K;——導(dǎo)熱熱阻，K/W;A——導(dǎo)熱面積;λ——導(dǎo)熱系數(shù)。

⑤平均溫差LMTD計(jì)算公式為：

其中：T1——熱側(cè)進(jìn)口溫度，K;T2——熱側(cè)出口溫度，K;t1——冷側(cè)進(jìn)口溫度，K;t2——冷側(cè)出口溫度，K。

⑥冷熱流體的壓力損失計(jì)算公式：

其中：V——流體的流速（m/s）

ρ——流體的密度（kg/m3）;L——通路長度（m）;De——流體通路的當(dāng)量直徑（m）;ε1、ε2——出入冷卻器的損失系數(shù)，一般取ε1+ε2=1～1.5;f——摩擦系數(shù)，根據(jù)換熱面（包括肋片）的幾何形狀與流動(dòng)的雷諾數(shù)確定，f=64/Re

⑦換熱面積計(jì)算：

其中：A——換熱器總換熱面積，m2;A’——單片換熱板換熱面積，m2;n——板片總數(shù)。

3.2 計(jì)算分析

3.2.1 冷側(cè)用水量

由換熱熱流量守恒可知，熱側(cè)換熱熱流量與冷換熱側(cè)熱流量相同，熱側(cè)流體進(jìn)出口溫度分別為T1、T2，冷側(cè)冷卻水進(jìn)出口溫度分別為t1、t2

由q=m·Cp·Δt=m1·Cp1·（T1-T2）=m2·Cp2·（t2-t1）可得：

一般技術(shù)要求中已經(jīng)規(guī)定了m1、T1、T2的值，已知換熱介質(zhì)，即可查出Cp1、Cp2，故冷側(cè)用水量與冷側(cè)進(jìn)出口溫度差成反比。

3.2.2 總換熱面積

選定冷卻器型號(hào)規(guī)格后，即可得知冷卻器單片換熱面積，總換熱面積與換熱器板片數(shù)相關(guān)，同時(shí)與熱負(fù)荷相關(guān)。

代入公式（5）可得：

熱側(cè)技術(shù)參數(shù)和冷側(cè)介質(zhì)給定后，Q和K為定值，換熱器換熱面積與冷側(cè)介質(zhì)進(jìn)出口溫度和成正比。

4 ?設(shè)計(jì)計(jì)算校核

某型燃?xì)廨啓C(jī)滑油換熱器的技術(shù)要求為[4]：

冷卻介質(zhì)：ISO VG46;燃機(jī)滑工作流量：770L/min;進(jìn)油溫度：80℃;出油溫度：60℃;設(shè)計(jì)壓力：0.689MPa;滑油側(cè)最大允許壓降：0.1MPa。

其滑油系統(tǒng)換熱器設(shè)計(jì)中，根據(jù)滑油換熱器的要求和波紋板片換熱器的選型原則，換熱器初步設(shè)計(jì)為人形波紋板，單程換熱，換熱器板片為316L，板厚0.5mm，接口尺寸：DN100，逆流換熱。根據(jù)技術(shù)要求參數(shù)反復(fù)迭代，得出換熱器冷卻水進(jìn)出口溫度分別為35℃和43℃。

公式中計(jì)算油側(cè)和水側(cè)時(shí)用下標(biāo)1和2來區(qū)分不同回路的校核計(jì)算。

根據(jù)公式（8），計(jì)算冷側(cè)用水量：

根據(jù)公式（9）計(jì)算所需換熱面積：

由q=3.6Q得：

Q=q/3.6=1572921.5/3.6=437kW

由Q=K·A·LMTD可得：A0==23.62m2

根據(jù)一般換熱面積系數(shù)為1.2可得，A=23.62×1.12=26.5m2

Q0=604.6×26.55×30.6=491.2kW

假設(shè)冷側(cè)進(jìn)口溫度t1為25-35℃，冷側(cè)出口溫度為t2=t1+a，a取5-10℃，可簡要計(jì)算得出冷側(cè)用水量和總換熱面積，可得冷側(cè)用水量與進(jìn)出口溫度差成反比;總換熱面積與進(jìn)出口溫度和成正比。

5 ?總結(jié)

本文的主要成果和結(jié)論如下：

①根據(jù)滑油冷卻的技術(shù)要求，總結(jié)分析了換熱器選型的原則;②列出換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算的一般步驟;對(duì)換熱器各項(xiàng)理論計(jì)算進(jìn)行分析計(jì)算，推導(dǎo)出冷卻水量和總換熱面積與冷卻水進(jìn)出口溫度的函數(shù);③本文選型計(jì)算出的板式換熱器完全能夠達(dá)到工程項(xiàng)目的需求，并校核了總換熱面積、熱負(fù)荷、散熱損失及壓降，均能滿足要求;④通過分析得出冷側(cè)溫差越大，冷側(cè)用水量越小;冷側(cè)溫度和越大，換熱器換熱面積越大;⑤同樣工況條件下，如果換熱面積不變，突然增大熱負(fù)荷，可以通過同時(shí)降低冷側(cè)進(jìn)出口溫度，同時(shí)增加冷側(cè)用水量即可。

參考文獻(xiàn)：

[1]李冠球.板式換熱器傳熱傳質(zhì)試驗(yàn)與理論研究[D].浙江大學(xué)，2012.

[2]徐志明，王月明，張仲彬.板式換熱器性能的數(shù)值模擬[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2011.

[3]張海泉.板式換熱器熱工與阻力性能測(cè)試及計(jì)算方法研究[D].哈爾冰工業(yè)大學(xué)，2006.

[4]SGT400滑油冷卻器技術(shù)規(guī)范.

作者簡介：王敏（1988-），女，山西陽泉人，中級(jí)工程師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)及發(fā)電機(jī)滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)、消防滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。