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管式冷油器結(jié)構(gòu)型式的探討
從傳熱學(xué)的觀點(diǎn)及換熱器設(shè)計(jì)的理論，對環(huán)盤形隔板管式冷油器和弓形隔板管式冷油器的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明，弓形隔板管式冷油器的設(shè)計(jì)方法較切合實(shí)際，具有較高的傳熱效果，且結(jié)構(gòu)緊湊。在今后管式冷油器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先推薦采用弓形隔板管式冷油器的型式。
當(dāng)前，國內(nèi)、外汽輪發(fā)電機(jī)組的潤滑油系統(tǒng)中，管式冷油器采用的型式以管式居多，有光管、低螺紋管、繞絲管等多種型式。由于工藝、材質(zhì)、成本上的原因，繞絲管式冷油器在電力行業(yè)中應(yīng)用很少。低螺紋管式冷油器，雖然管子表面的肋化系數(shù)比光管式大一倍左右，但管子外表面螺紋深度較淺，運(yùn)行不久即會積滿油垢，而且難以清洗。因此，光管式冷油器仍是當(dāng)前用得普遍、多的型式。
2、管式冷油器的現(xiàn)況
圖1管式冷油器的結(jié)構(gòu)型式
就目前來說，管式冷油器有兩種基本型式，一種是環(huán)盤形隔板的管式冷油器，如圖1-a所示；另一種是弓形隔板的管式冷油器，如圖1-b所示。這兩種型式冷油器之間的主要區(qū)別，在于油在冷油器內(nèi)的流動(dòng)方式不同，環(huán)盤形隔板管式冷油器由大、小兩塊隔板構(gòu)成油的流道，大隔板呈圓環(huán)狀，小隔板呈圓盤狀，間隔地置于殼體內(nèi)，使?jié)櫥偷牧鲃?dòng)沿著由四周向中心，由中心向四周的路線通過管束表面；弓形隔板管式冷油器則由一左一右兩塊弓形(或稱圓缺形)隔板間隔地置于殼體內(nèi)構(gòu)成油的流道，使?jié)櫥偷牧鲃?dòng)沿著左右迂回的路線通過全部管束表面。
環(huán)盤形隔板管式冷油器的設(shè)計(jì)，是沿用原蘇聯(lián)某工廠提供的計(jì)算方法進(jìn)行的，多年來經(jīng)過不斷地實(shí)踐和完善，取得了一定的成效。弓形隔板管式冷油器采用引進(jìn)美國某公司的技術(shù)，并對其進(jìn)行了消化和轉(zhuǎn)換。
3、設(shè)計(jì)方法上的分析比較
根據(jù)傳熱學(xué)理論，對環(huán)盤形隔板管式冷油器的設(shè)計(jì)方法(以下簡稱方法I)和弓形隔板管式冷油器的設(shè)計(jì)方法(以下簡稱方法Ⅱ)進(jìn)行分析比較。這兩種方法，雖然在總的原則計(jì)算程序上是類同的，都是根據(jù)所給定的數(shù)據(jù)和條件，應(yīng)用熱平衡方程式、傳熱方程式以及對數(shù)平均溫差和總體傳熱系數(shù)的計(jì)算式，后求解所需的換熱面積，同時(shí)求得油測阻力并驗(yàn)證其是否滿足潤滑油系統(tǒng)的要求。但是，在應(yīng)用傳熱學(xué)的原理和概念方面，兩者卻有如下三個(gè)明顯的差別。
3.1對數(shù)平均溫差的算法
方法I采用目前被多個(gè)文獻(xiàn)中所推薦的交叉流動(dòng)下的計(jì)算公式。即：(1)式中tu——平均水溫，tp=0.5(t?+t?)t?—進(jìn)口水溫；tz——出口水溫；T?——進(jìn)口油溫；T?——出口油溫按近期的參考文獻(xiàn)介紹，對于殼側(cè)交叉流動(dòng)條件下的換熱器，其對數(shù)平均溫差的精確計(jì)算值通常是在純逆流條件下導(dǎo)出的計(jì)算公式上乘以一個(gè)修正系數(shù)的方法來求解，這個(gè)修正系數(shù)是按溫度效應(yīng)的值和水當(dāng)量比的值查相應(yīng)的圖表求得。這在工程設(shè)計(jì)中，使用起來十分不便。在實(shí)際使用中，習(xí)慣于用比較簡便的方法近似求解。方法Ⅱ采用由給出的交叉流動(dòng)條件下的計(jì)算公式。即：(2)式中A=(T?+T?)—(t?+t)B=√C?-T)2+4?-L)°上述兩種方法所得到的結(jié)果是不同的，為了進(jìn)行比較，用同一原始數(shù)據(jù)的計(jì)算實(shí)例分別進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果如表1所示。
表1對數(shù)平均溫差的各種計(jì)算值℃
純逆流
計(jì)算值 純順流
計(jì)算值 交叉流計(jì)算值 精確算法 方法1 方法I
17.161 16.132 16.732 16.060 16.764
由表1數(shù)據(jù)可以看出：
a.從傳熱觀念來看，純逆流條件的對數(shù)平均溫差值應(yīng)高，純順流條件的對數(shù)平均溫差值為低。
b.按精確算法求得的交叉流條件的對數(shù)平均溫差值介于純逆流和純順流的值之間，符合傳熱規(guī)律。方法Ⅱ算得的對數(shù)平均溫差值十分接近精確計(jì)算值，顯然是合理的。
c.按方法1求得交叉流條件的對數(shù)平均溫差值，比純順流條件下的值還要低，這是不正常的。可以說，方法I中對數(shù)平均溫差的算法不符合傳熱規(guī)律。
3.2油側(cè)對流放熱系數(shù)的計(jì)算
由于潤滑油的粘度較大，冷油器屬于粘性流體的熱交換器范疇，在傳熱的總熱阻中占很大比例的是油側(cè)的熱阻，影響傳熱效果的主要因素在于油側(cè)的放熱系數(shù)值，油側(cè)放熱過程屬于流體橫向掠過管束的放熱，由于流動(dòng)情況復(fù)雜，要想精確計(jì)算放熱系數(shù)值是比較困難的。目前，一般都采用在特定條件下通過試驗(yàn)所取得經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。
方法1采用的是早期的放熱方程式，應(yīng)用努謝爾特準(zhǔn)則數(shù)N。與雷諾準(zhǔn)則數(shù)R.、柏朗特爾準(zhǔn)則數(shù)P,的關(guān)系式：N=CR”Pn(3)公式中系C,指數(shù)m和n均為實(shí)驗(yàn)而得的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。求得油流體努謝爾特準(zhǔn)則數(shù)N。后，再根據(jù)關(guān)系式：(4)求得油側(cè)放熱系數(shù)a值。在流體介質(zhì)的物性參數(shù)確定以后，應(yīng)用該方法計(jì)算中，只考慮了隔板之間的間距和管子節(jié)距對放熱系數(shù)的影響，而對隔板上管孔與管子間的徑向間隙以及隔板與殼體內(nèi)壁間的徑向間隙對放熱系數(shù)的影響沒有計(jì)入。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為滿足計(jì)算性能的要求，采用較小的間隙值。通過試驗(yàn)和實(shí)踐表明，對于環(huán)盤形隔板管式冷油器，當(dāng)大隔板與殼體內(nèi)壁之間的徑向間隙大于1mm(直徑方向)時(shí)，實(shí)際的傳熱效果就要低于設(shè)計(jì)值，也就是說不能滿足冷油器的熱力性能。這就增加了制造冷油器的工藝難度。
方法I采用近似程度較高的流束分析法，在對流體實(shí)際流動(dòng)情況研究的基礎(chǔ)上，考慮到隔板之間的間距S、隔板管孔與管子的間隙Cr和隔板與殼體內(nèi)壁間的間隙C.對流體放熱的影響，并反映在油流體質(zhì)量速度的關(guān)系式中(5)式中Gm—油的質(zhì)量流量A?、B?、E系數(shù)，是與流體的物性參數(shù)、容器的結(jié)構(gòu)要素有關(guān)的函數(shù)值應(yīng)用質(zhì)量速度與對流放熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)式進(jìn)行求解。由于計(jì)算中考慮的結(jié)構(gòu)影響因素比較多，故求得的油側(cè)對流放熱系數(shù)比較切合實(shí)際。
3.3總體傳熱系數(shù)的計(jì)算
方法1在處理總體傳熱系數(shù)時(shí)，是把水側(cè)、油側(cè)和管壁的熱阻串聯(lián)疊加，求出清潔狀態(tài)下冷油器傳熱系數(shù)，再乘以清潔系數(shù)β(一般取值0.95)后得出終的傳熱系數(shù)。這種做法，是早期對傳熱概念理解不深時(shí)，使用的一種方法，與實(shí)際情況出入較大，個(gè)別誤差高達(dá)12%。
應(yīng)該說水側(cè)和油側(cè)的污垢也是熱阻之一，同樣應(yīng)根據(jù)傳熱過程中各熱阻串聯(lián)疊加的原則來計(jì)算總體傳熱系數(shù)。在方法1中就運(yùn)用了當(dāng)今普遍采用的表達(dá)計(jì)算式。即(6)式中R,——水側(cè)熱阻；R.m——管壁熱阻；Rm——油側(cè)熱阻；r,——水側(cè)污垢熱阻；rm——油側(cè)污垢熱阻有關(guān)各種污垢熱阻的推薦值，可在國內(nèi)、外的有關(guān)資料中查得。
4、傳熱效果的分析比較
由于兩種不同型式的冷油器，采用了兩種不同的設(shè)計(jì)方法，究竟哪一具有較好的傳熱效果，可用計(jì)算實(shí)例的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。為了能在同一基點(diǎn)上比較，在給定的原始數(shù)據(jù)下，采用在相同的冷卻水量、水速、油側(cè)阻力的條件下，通過實(shí)例計(jì)算加以說明。
實(shí)例計(jì)算的初始參數(shù)為：
油的流量 168m3/b
進(jìn)口油溫60℃-.
出口油溫45℃
冷卻水流量336m3/h
進(jìn)口水溫33℃
冷卻水流速1.3m/s
管子直徑016/>14mm
采用兩種方法計(jì)算結(jié)果的主要特性數(shù)據(jù)，列于表2。計(jì)算結(jié)果表明
a.在相同的油側(cè)阻力下，采用相同的管孔與管子的間隙、相同的隔板與殼體內(nèi)壁的間隙，按方法I設(shè)計(jì)的弓形隔板管式冷油器所需的換熱面積要比按方法I設(shè)計(jì)的環(huán)盤形隔板管式冷油器的換熱面積小15%左右。
·表2兩種方法的計(jì)算結(jié)果值
項(xiàng)目 單位 方法I 方法1
管孔與管子的間隙 mm 0.3 0.3
隔板與殼體內(nèi)壁的間隙 mm 0.9 0.9 2.8
殼體內(nèi)徑 mm 865 756
對數(shù)平均溫差 ℃ 16.06 16.76
總體傳熱系數(shù) W/(m2·℃) 384.8 476.5 432.f
換熱面積 m2 194 166.3 183.
隔板間距 mm 180 375 390
油流程數(shù) 24 10
油側(cè)阻力 MPa 0.071 0.070 0.071
b.在相同的油側(cè)阻力下，對于弓形隔板管式冷油器，即使把隔板與殼體內(nèi)壁的間隙值放大到2.8mm,其換熱面積比環(huán)盤形隔板管式冷油器的換熱面積小6%。由于間隙值的放大，使冷油器的加工和裝配的工藝難度，在一定程度上得以減少。
c.在相同的管數(shù)下，由于沒有類似環(huán)盤形隔板管式冷油器大隔板所需的中心孔通道，使弓形隔板管式冷油器具有較小的殼體直徑，在結(jié)構(gòu)上顯得緊湊。
5、結(jié)論分析
弓形隔板管式冷油器具有較高的傳熱效果原因在于：
a.具有合理、正確的對數(shù)平均溫差值。
b.能獲得較高的傳熱系數(shù)。在設(shè)計(jì)中，由于油的橫向流動(dòng)截面的寬度，由環(huán)盤形隔板的圓周長改變?yōu)橄议L，弓形隔板管式冷油器隔板的間距可取得較大些，使其油流程數(shù)相對要少些。因此，在相同的允許油側(cè)阻力的條件下，油的質(zhì)量流動(dòng)速度可取較高值，從而使傳熱得以強(qiáng)化，傳熱系數(shù)值就增高。
c.在環(huán)盤形隔板管式冷油器中，隔板間距值相對較小。因此，由于結(jié)構(gòu)和工藝上的關(guān)系，管束的上下兩端隔板與管板之間的距離往往要大于中間隔板之間的間距。這樣，油在兩端區(qū)域中的流速低于設(shè)計(jì)值，放熱系數(shù)也降低。汽輪機(jī)冷油器的這種端部損失肯定要導(dǎo)致整體傳熱系數(shù)的降低。此外，由于油的流動(dòng)是從四周向中心，再由中心向四周的路線，顯然在管束兩端，對著進(jìn)出油口的另一邊管束就形成死角區(qū)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，油呈渦流的紊亂狀態(tài)，也削弱了油的放熱作用。然而在方法1計(jì)算中，恰恰就沒有考慮這兩種削弱傳熱的因素。
對于弓形隔板管式冷油器，由于隔板間距取值較大和左右迂回的油流路線，就不存在這兩種削弱傳熱的因素。
d.弓形隔板管式冷油器的設(shè)計(jì)，具有更為有益的獨(dú)特之處，是在設(shè)計(jì)中反映了殼體內(nèi)壁與隔板之間的間隙以及隔板管孔與管子之間的間隙對傳熱系數(shù)的影響。通過實(shí)例計(jì)算，很容易找出傳熱系數(shù)與這兩個(gè)間隙值的關(guān)系。由圖2所示的曲線，反映了傳熱系數(shù)與間隙C、Cr之間的關(guān)系。
圖2傳熱系數(shù)K與間隙Cc、Cr的關(guān)系曲線
由圖2曲線可以看出，傳熱系數(shù)K隨著間隙Cc、Cr值的增大而降低，間隙C.的增大對傳熱系數(shù)K的影響較大，間隙Cr的影響次之。在汽輪機(jī)冷油器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，隔板管孔與管子的間隙Cr由于結(jié)構(gòu)要素和加工裝配條件的要求，基本上是一個(gè)定值。這樣，隔板與殼體內(nèi)壁的間隙C。的選擇，就成為在汽輪機(jī)冷油器設(shè)計(jì)中需要慎重考慮的因素。間隙C.值過大，影響傳熱效果；間隙C.值過小，增加裝配加工的難度。可見，間隙C。在汽輪機(jī)冷油器設(shè)計(jì)中是一個(gè)重要參數(shù)。
綜合以上分析，在直管式冷油器設(shè)計(jì)中，從傳熱學(xué)的觀念及換熱器設(shè)計(jì)的理論來看，由于弓形隔板管式冷油器的設(shè)計(jì)方法，考慮到各種因素對傳熱效果的影響，因此，使設(shè)計(jì)更為切合實(shí)際，且具有較高的傳熱效率。另外，在結(jié)構(gòu)上較為緊湊，為汽輪機(jī)冷油器的加工和裝配提供了較方便的條件。
因此，在今后管式冷油器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先推薦采用弓形隔板管式冷油器的型式。