摘 要：傳統(tǒng)的管殼式滑油冷卻器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、換熱效率差，以板式換熱器替代管殼式換熱器用于在高壓工況下冷卻潤滑油是有效的解決辦法。文章分析了造成板式換熱器承壓能力低的主要原因，并研究了一種適用于高壓工況的圓形波紋板板殼式換熱器。該換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，承壓能力強(qiáng)。設(shè)計(jì)并進(jìn)行了以68#汽輪機(jī)潤滑油與冷卻水為介質(zhì)的換熱器換熱特性實(shí)驗(yàn)。同時(shí)分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。針對潤滑油與冷卻水物性參數(shù)的差異，文章利用威爾遜法，分離出兩側(cè)的對流傳熱系數(shù)，擬合出其傳熱關(guān)聯(lián)式。該關(guān)聯(lián)式在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)誤差在10%以內(nèi)，適用于所研制的圓形波紋板板殼式換熱器。

關(guān)鍵詞：滑油冷卻器；圓形波紋板板殼式換熱器；耐高壓；強(qiáng)化換熱；威爾遜法

前言

滑油冷卻器一直存在換熱性能差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，研制一種緊湊小型化的滑油冷卻器有利于該種設(shè)備的生產(chǎn)、運(yùn)輸與應(yīng)用，同時(shí)還能節(jié)省其成本。以下兩個(gè)因素是滑油冷卻器傳熱效率低的主要原因。第一，潤滑油具有高黏度，在流動(dòng)時(shí)會(huì)在換熱壁面形成較厚的粘性底層，影響對流傳熱效率。第二，目前通常采用管殼式換熱器來冷卻潤滑油，該種換熱器結(jié)構(gòu)不緊湊，因而體積龐大。而板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，以1m3體積內(nèi)所能布置的換熱面積計(jì)算，板式換熱器可達(dá)管殼式換熱器的10倍[1]。板式換熱器具有傳熱效率高、重量輕、便于生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因此在各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但目前的板式換熱器通常只能承受4MPa以下的壓力。由于滑油冷卻器經(jīng)常使用在高壓工況下，因此需要研究設(shè)計(jì)一種能夠承受6MPa壓力的板式換熱器，并研究該換熱器的傳熱特性。

1 耐高壓的板式滑油冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

通過研究發(fā)現(xiàn)，以下兩方面因素是限制板式換熱器承壓能力的瓶頸。首先，波紋板間有大量的承壓邊界需要密封，普通的墊片或釬焊形式不能承受高壓。此外，在高壓力工況下，波紋板板束會(huì)在軸向產(chǎn)生較大的應(yīng)力。為解決上述問題，設(shè)計(jì)了圓形波紋板，并通過全焊接方式形成板束。同時(shí)，將板束置于圓形殼體內(nèi)，并以具有一定厚度的端板在兩側(cè)與殼體焊接并壓緊板束。通過研究最終設(shè)計(jì)了圓形波紋板板殼式換熱器來解決板式換熱器承壓能力差的問題。

圓形波紋板板殼式換熱器采用圖1所示的圓形波紋板，通過“先對焊再組焊”的形式，焊接成板束。波紋板板束置于圓形外殼內(nèi)，通過支撐板支撐，并由導(dǎo)流塊將殼程分割為入口與出口腔室[2]。

圓形結(jié)構(gòu)的板片應(yīng)力分布均勻，承壓能力高。同時(shí)，圓形殼體的管殼式結(jié)構(gòu)使得換熱器可以承受高壓。板片焊接后，板間通道是菱形的網(wǎng)格形狀。介質(zhì)以復(fù)雜的三維流動(dòng)方式流過，有效的破壞了熱邊界層，強(qiáng)化換熱效果明顯。

上述圓形波紋板板殼式換熱器通過了6MPa承壓實(shí)驗(yàn)[2]。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為研究該換熱器作為滑油冷卻器時(shí)的傳熱以及阻力特性，設(shè)計(jì)并搭建了如圖2所示的傳熱性能研究實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

2.2 實(shí)驗(yàn)元件

表1給出了實(shí)驗(yàn)用的兩臺(tái)耐高壓的圓形波紋板板殼式換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)過程中，首先維持冷卻水入口流量不變，并確保入口水溫恒定。調(diào)節(jié)潤滑油流量到第一實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，調(diào)節(jié)加熱器使得換熱器入口油溫保持在設(shè)計(jì)值。當(dāng)各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，采集換熱器的進(jìn)出口油溫（t01、t02）、進(jìn)出口水溫（tw1、tw2）、油、水流量（V0、Vw）和油、水進(jìn)出口壓差（△P0、△Pw）等數(shù)據(jù)。改變油流量到下一實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，重復(fù)上述步驟。本組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄為A1。

在不同水流量下，重復(fù)上述步驟。每個(gè)水流量工況點(diǎn)對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)為A1，A2，A3……，An。上述實(shí)驗(yàn)統(tǒng)稱A組實(shí)驗(yàn)。

完成A組實(shí)驗(yàn)后，固定潤滑油流量、依次增加水流量，實(shí)驗(yàn)過程與上述類似，該組實(shí)驗(yàn)為B組。

3 板式滑油冷卻器傳熱及阻力特性研究

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

由于圓形波紋板板殼式換熱器是一種新形式的換熱器，因此在進(jìn)行上述油、水換熱實(shí)驗(yàn)后，需要結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，找到分離油水兩側(cè)傳熱系數(shù)的方法。

3.1.1 介質(zhì)在板間通道內(nèi)流速的計(jì)算

圓形波紋板板殼式換熱器油水兩側(cè)流道結(jié)構(gòu)相同，兩種介質(zhì)的流速可用計(jì)算公式相同。

重復(fù)上述迭代過程直到兩次的p1相差小于某一收斂準(zhǔn)則時(shí)結(jié)束。根據(jù)得到的滑油側(cè)傳熱關(guān)聯(lián)式，計(jì)算水、滑油的壁面溫度，最終擬合出形如（7）式的油側(cè)對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式。

得到油側(cè)傳熱關(guān)聯(lián)式后，即可根據(jù)Bm組數(shù)據(jù)擬合出水側(cè)傳熱關(guān)聯(lián)式。

通常板式換熱器設(shè)計(jì)中，對于一種新型板片是采用在其兩側(cè)采用同種介質(zhì)進(jìn)行換熱實(shí)驗(yàn)，來擬合出新板片在該范圍內(nèi)的傳熱關(guān)聯(lián)式。對于滑油冷卻器，若采用傳統(tǒng)方法，需分別進(jìn)行水-水換熱實(shí)驗(yàn)與油-油換熱實(shí)驗(yàn)。而利用上述威爾遜法分離油-水換熱實(shí)驗(yàn)，節(jié)省了大量實(shí)驗(yàn)工程與實(shí)驗(yàn)周期。此外，由于進(jìn)行了多組A、B組實(shí)驗(yàn)，而擬合過程只選取了Am、Bm兩組數(shù)據(jù)，因此有大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可用于驗(yàn)證上述分離法擬合的傳熱關(guān)聯(lián)式的精度。

3.2 圓形波紋板板殼式換熱器的傳熱特性

3.2.1 傳熱特性分析

對滑油冷卻器，油側(cè)熱阻是其主要熱阻。圖3、4分別反映了在不同水流量下，YBK-1與YBK-2的換熱系數(shù)隨油側(cè)雷諾數(shù)的變化規(guī)律。換熱器的換熱系數(shù)隨油側(cè)雷諾數(shù)增加而增加，且換熱系數(shù)的增長速度逐漸降低。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)YBK-2換熱器的換熱系數(shù)的增長更快。水流量對換熱器換熱系數(shù)的影響較小。

3.2.2 阻力特性分析

評價(jià)換熱器性能的另一項(xiàng)重要是其阻力特性。在滑油冷卻器研究中，主要關(guān)注潤滑油側(cè)阻力特性。

圖5是YBK-1及YKB-2在21m3/h的水流量下，油側(cè)阻力系數(shù)隨油側(cè)雷諾數(shù)變化的規(guī)律。阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增加而減小，在雷諾數(shù)越大，阻力系數(shù)減小的越慢。

此外，比較兩臺(tái)換熱器可知，相同雷諾數(shù)下，圓形波紋板板殼式換熱器的阻力系數(shù)隨波紋深度增加而增加。原因是流體繞板間接觸點(diǎn)做的螺旋形的流動(dòng)，在雷諾數(shù)相同時(shí)，波紋深度越大，流體在流動(dòng)過程中實(shí)際流動(dòng)中所繞行的距離越長，擾動(dòng)越劇烈。

3.2.3 傳熱關(guān)聯(lián)式

4 結(jié)束語

文章研究了板式換熱器承壓性能差的原因，在此基礎(chǔ)上研究了一種耐高壓、結(jié)構(gòu)緊湊的圓形波紋板板殼式換熱器。該換熱器適合用作高壓工況的滑油冷卻器。同時(shí)，以68#汽輪機(jī)潤滑油和冷卻水為介質(zhì)，對該換熱器的傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并得到了這種新型換熱器的傳熱關(guān)聯(lián)式。

（1）這種新型圓形波紋板板殼式換熱器能在6MPa以上高壓下工作。該換熱器與傳統(tǒng)板式換熱器相比具有更廣泛適用范圍，應(yīng)用前景良好。

（2）圓形波紋板板殼式換熱器適用于滑油冷卻工況，其強(qiáng)化換熱效果較好。在設(shè)計(jì)工況下，YBK-1、YBK-2換熱系數(shù)分別達(dá)到325.7W/（m2℃）與417.3W/（m2℃）；油側(cè)阻力分別為39.9kPa與64.3kPa。同時(shí)通過研究分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)了該這種換熱器的傳熱特性。

（3）提出了針對新型圓形波紋板板殼式換熱器的一種威爾遜分離法，通過該方法擬合出了兩臺(tái)圓形波紋板板殼式換熱器的傳熱關(guān)聯(lián)式。該關(guān)聯(lián)式在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的誤差在10%以內(nèi)。

圓形波紋板板殼式換熱器具有較強(qiáng)的強(qiáng)化傳熱能力，結(jié)構(gòu)緊湊，能夠承受高壓工況，具有較好的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。文中所提出的針對該種換熱器的傳熱關(guān)聯(lián)式擬合的方法具有較高的精度，能夠反映圓形波紋板板殼式換熱器的傳熱特性。

參考文獻(xiàn)

[1]林宗虎，汪均，李瑞陽，等.強(qiáng)化換熱技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：4-5

[2]王佳卓，閻昌琪，丁銘，等.高壓圓形板殼式換熱器的設(shè)計(jì)與研究[J].核動(dòng)力工程，2014，2.

[3]朱志彬，王華明，白平南.一種綜合非線性回歸法和Wilson圖解法計(jì)算對流換熱系數(shù)的新方法[J].化工機(jī)械，2008，35（4）.