牛廣林，閻昌琪，孫中寧，石 帥，南金秋

（1．哈爾濱工程大學(xué)核能科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001；2．黑龍江科技學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

目前滑油冷卻器一般采用光管作為換熱元件，存在傳熱效率低、體積大的缺點(diǎn)。在船用設(shè)備中占用寶貴的空間資源，因此，必須采取有效強(qiáng)化換熱措施，提高滑油冷卻器的換熱效率、減小體積。

從熱阻看，管外殼程油的熱阻一般占滑油冷卻器總熱阻的80%以上，因此，如果殼側(cè)傳熱系數(shù)提高，可獲得很好的強(qiáng)化換熱效果。黏性流體強(qiáng)化傳熱主要考慮兩個(gè)方面。一是破壞其邊界層，使其盡早達(dá)到紊流狀態(tài)，成為紊流換熱［1］。二是擴(kuò)展表面，提高單位體積換熱面積，而整體針翅管在這兩個(gè)方面均得到強(qiáng)化，是適宜滑油的強(qiáng)化換熱管型。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)針翅管的研究基本以實(shí)驗(yàn)為主，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M針翅管的應(yīng)用環(huán)境得到一定條件下的換熱和流動(dòng)特性。錢頌文、楊麗明、高麗萍等［1－2］進(jìn)行了水－水，油－水傳熱和壓降實(shí)驗(yàn)，丁銘、閻昌琪等［3］進(jìn)行單管選型實(shí)驗(yàn)，閻昌琪、侯山高，曹夏昕［4］對(duì)有折流板的整體針翅管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出了強(qiáng)化管的換熱系數(shù)和工程應(yīng)用的傳熱經(jīng)驗(yàn)公式。前人所用的管型均為針翅管。

光管、針翅管混合排列組成管間自支撐結(jié)構(gòu)，已獲得國(guó)家專利，該結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，減少流體振動(dòng)、沖擊和結(jié)垢，換熱效率高［5］，流動(dòng)阻力小，但對(duì)該結(jié)構(gòu)公開研究較少，尤其是單流程和雙流程對(duì)比研究，還沒(méi)有公開報(bào)道。

本文對(duì)混合管束縱流式雙流程滑油冷卻器（簡(jiǎn)稱T）和單流程滑油冷卻器（簡(jiǎn)稱N），進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果為滑油冷卻器優(yōu)化改造，流動(dòng)形式選擇及管型布置等工程應(yīng)用提供依據(jù)，為滑油冷卻器的進(jìn)一步小型化提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

1．1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示：實(shí)驗(yàn)回路由電加熱系統(tǒng)、油路系統(tǒng)、冷卻水路系統(tǒng)、采集系統(tǒng)及系統(tǒng)附件組成。滑油在油箱中被加熱到指定溫度后，由油泵輸送進(jìn)入滑油冷卻器的殼程，經(jīng)冷卻后回到油箱，重新被加熱；水池中冷卻水由水泵抽出，進(jìn)入滑油冷卻器的管程，對(duì)滑油冷卻后流回水池。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖Fig．1 Schematic diagram of experiment facility

1．2 實(shí)驗(yàn)元件

實(shí)驗(yàn)的冷卻器N和T采用的整體針翅管和光管組成混合管束，其單元結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)見(jiàn)參考文獻(xiàn)［6］，其中滑油冷卻器N、T的主要參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1，T的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2，滑油從入口3縱向流經(jīng)光管和針翅之間的空隙，經(jīng)過(guò)分程隔板，進(jìn)入第二個(gè)流程，最后經(jīng)過(guò)出口4流出。而N的殼程僅為第一個(gè)流程，流通橫截面積也是T的一半，而針翅管的高度，兩種換熱器均相同。

圖2 滑油冷卻器結(jié)構(gòu)圖Fig．2 The structure of the oil cooler

表1 滑油冷卻器N和T參數(shù)Table1 N and T parameters of oil cooler

1．3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇某一水流量不變，水溫保持在24℃，入口油溫恒定在55℃，以2m3／h左右的間隔調(diào)節(jié)油流量。通過(guò)校核滑油放熱量和冷卻水吸熱量之間的熱平衡來(lái)判斷系統(tǒng)是否達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件。當(dāng)換熱量誤差小于5%進(jìn)行下一個(gè)測(cè)點(diǎn)。滑油和水的熱物性用實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口的平均溫度確定。

溫度由銅－康銅鎧裝熱電偶測(cè)量；油流量由渦輪流量計(jì)（LWGY－40A）測(cè)量。流量計(jì)和熱電偶輸出的模擬信號(hào)通過(guò)分散式IMP數(shù)據(jù)采集板輸入計(jì)算機(jī)，然后由東信集團(tuán)開發(fā)的數(shù)據(jù)采集軟件對(duì)輸入的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集計(jì)算，并將得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成曲線進(jìn)行直觀觀察。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

單位體積換熱量Qv采用下列公式計(jì)算：

式中：Q：總換熱量，kJ；V：滑油冷卻器換熱段上下管板間殼體積，m3。

總傳熱系數(shù)采用以下公式計(jì)算：

壁面因包有保溫材料，而且管壁和環(huán)境溫度相差不大，經(jīng)計(jì)算散熱可忽略不計(jì)，總換熱量Q取油側(cè)換熱量Qo。

由于針翅管外形復(fù)雜，實(shí)際表面積難以計(jì)算，為此，換熱面積A0按照基管表面積計(jì)算，其中未計(jì)算的針翅面積帶來(lái)?yè)Q熱量的提高看作是傳熱系數(shù)提高引起的。

換熱溫差采用對(duì)數(shù)平均溫差進(jìn)行計(jì)算：

式中字母代表含義見(jiàn)參考文獻(xiàn)［6］。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

針翅管由于其特殊的幾何形狀，流動(dòng)形態(tài)不同于圓管，而且針翅形狀復(fù)雜，數(shù)量巨大，面積很難準(zhǔn)確計(jì)算。流體流經(jīng)針翅管時(shí)，運(yùn)動(dòng)發(fā)生復(fù)雜變化，不可能精確計(jì)算出雷諾數(shù)，因此對(duì)其進(jìn)行合理簡(jiǎn)化是十分必要的。針對(duì)本文選定的特定類型的結(jié)構(gòu)，將基管外徑作為當(dāng)量直徑de，這樣和換熱面積A0的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)相統(tǒng)一，可以方便工程應(yīng)用。殼側(cè)雷諾數(shù)采用以下公式計(jì)算：

管側(cè)水流動(dòng)屬于管內(nèi)強(qiáng)制紊流，流量和溫度都保持穩(wěn)定，不予研究。本文以殼側(cè)Re為橫坐標(biāo)，分別對(duì)單位體積換熱量、總換熱系數(shù)、殼側(cè)流動(dòng)阻力壓降、殼側(cè)努謝爾數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究。

3．1 單位體積換熱量和Re關(guān)系

在冷卻水入口溫度為24℃，流量為16m3／h時(shí)，圖3分別給出N滑油冷卻器與T滑油冷卻器的單位體積換熱量Qv。

圖3 單位體積換熱量和Re關(guān)系曲線Fig．3 Correlations between heat transfer unit volume and Re

可以看出，N單位體積換熱量明顯大于T，隨著Re的增加，N換熱量幾乎直線上升，而T趨于平緩，在Re為30～160實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，N與T單位體積換熱量之比在1．34～1．54之間。在Re＝159時(shí)，N的單位體積換熱量達(dá)到1 402kW／m3，T才達(dá)到916kW／m3。反映出N具有體積小、傳熱效率高的特點(diǎn)，其原因主要是N采用的是單流程，水和油逆流布置，流程是T的一半，溫差大，而且無(wú)分程隔板，滯留區(qū)少，換熱充分。當(dāng)Re≥140時(shí)，N增加就比較緩慢，單位體積換熱量接近最大值，而T還繼續(xù)上升。

3．2 總傳熱系數(shù)和Re關(guān)系

圖4為N與T總傳熱系數(shù)k的對(duì)比。從圖中看出，小流量時(shí)，N對(duì)T并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，隨著Re的增加，N的總傳熱系數(shù)增加幅度大于T，說(shuō)明大Re時(shí)，N的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)強(qiáng)于T。當(dāng)Re達(dá)到一定數(shù)值后，N增加幅度均趨于平緩，而T還在繼續(xù)增加，說(shuō)明T總傳熱系數(shù)還有加大的潛力。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，N的總傳熱系數(shù)是T的1．31～1．37倍。在Re＝159時(shí)，N和T的K值分別能達(dá)到554W／m2·℃和405W／m2·℃，N和文獻(xiàn)［3］的759W／m2·℃相比小了27%。這主要是N的傳熱面積是針翅管和光管之和，比率高達(dá)40%的光管面積被視為與針翅管基管面積同等性質(zhì)而計(jì)入總的傳熱面積中導(dǎo)致的。

圖4 總傳熱系數(shù)K和Re關(guān)系曲線Fig．4 Correlations between heat transfer coefficient and Re

3．3 殼側(cè)壓降和Re關(guān)系

圖5是N與T殼側(cè)流動(dòng)阻力壓降△P的對(duì)比曲線，結(jié)果顯示：T滑油冷卻器殼側(cè)流動(dòng)阻力壓降△P是N的3．4～3．8倍，由表1可知，T的殼側(cè)流程長(zhǎng)度是N的2倍，而阻力壓降不是2倍，這主要是雙流程的T增加了分程隔板，殼側(cè)流體通過(guò)隔板時(shí)由縱流變?yōu)闄M流，而橫流的阻力比縱流大；同時(shí)隔板處又增加了局部阻力，說(shuō)明隔板的設(shè)計(jì)很大程度上影響了殼側(cè)阻力。

圖5 殼側(cè)壓降和Re關(guān)系曲線Fig．5 Correlations between pressure drop in shell and Re

3．4 殼側(cè)Nu和Re關(guān)系

圖6是N與T殼側(cè)Nu和Re對(duì)比圖，結(jié)果顯示：N的殼側(cè)Nu是T的1．04～1．30倍，隨著Re的增加，N比T殼側(cè)Nu增加更快。這主要是雙流程的T增加了分程隔板，第二流程的滑油比第一流程平均溫度低，滑油黏度增大，殼側(cè)換熱系數(shù)較小引起的。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到φ16mm×2mm針翅管和φ12mm×1mm光管組成的混合管束，分別在單流程和雙流程條件下的換熱準(zhǔn)則關(guān)系式：

單流程：（30＜Re＜160）

雙流程：（30＜Re＜200）

圖6 殼側(cè)Nu和Re關(guān)系曲線Fig．6 Correlations between Nuof the shell and Re

4 結(jié)論

（1）整體針翅管混合管束滑油冷卻器單位體積換熱量大。在Re＝159時(shí)，單流程為1 402kW／m3，雙流程達(dá)到916kW／m3，單流程可以使滑油冷卻器進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化。

（2）混合管束滑油冷卻器單流程和雙流程具有不同特性。單流程在Re＜159時(shí)，傳熱系數(shù)高，殼側(cè)Nu大；雙流程在Re≥159時(shí)，這些指標(biāo)具有很大潛力，換句話說(shuō)，在高雷諾數(shù)時(shí)適宜選用雙流程。

（3）擬合出滑油在混合管束縱向流動(dòng)時(shí)的換熱準(zhǔn)則關(guān)系式，在低雷諾數(shù)下該經(jīng)驗(yàn)公式可以在工程中應(yīng)用。

（4）自支撐的混合管束，不采用任何附加結(jié)構(gòu)，制造、安裝更加方便快捷，提高了經(jīng)濟(jì)性；采用縱流形式，減少了管束的振動(dòng)，增加了有效換熱溫差，傳熱效果好，適合工程應(yīng)用，值得大力推廣。

［1］ 楊麗明，錢頌文．針翅管的強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)研究［J］．流體機(jī)械，2002，30（9）：10－12．

［2］ 楊麗明，高麗萍等．流體縱向流過(guò)針翅管傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究［J］．華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，30（7）：20－23．

［3］ 丁銘，閻昌琪，繆紅建，等．整體針翅管強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)研究［J］．核動(dòng)力工程，2005，26（5）：452－455．

［4］ 閻昌琪，侯山高，曹夏昕．滑油冷卻器強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)研究［J］．核動(dòng)力工程，2008，29（2）：16－19．

［5］ Bergles A E．EXHFT for Fourth Generation Heat Transfer Technology［J］．Experimental Thermal and Fluid Science，2002，26（2－4）：335－344．

［6］ 牛廣林，閻昌琪，孫中寧，等．整體針翅管混合管束滑油冷卻器強(qiáng)化換熱試驗(yàn)研究［J］．核科學(xué)與工程，2010，30（2）：155－159．