管束式内循环油冷却器设计与计算

2015-07-28罗建华

水电站机电技术 2015年6期

柳　梅，罗建华

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040）

管束式内循环油冷却器设计与计算

柳梅，罗建华

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040）

摘要：介绍了管束式内循环油冷却器的两种计算方法：过流面积和散热面积。引出单管流量和单管容量设计参数，规定了不同直径的冷却管温升的取值，冷却器冷却水管根数的确定，可方便轴承油冷却器设计，目的是建立轴承油冷却器计算公式，对轴承设计人员有一定的指导意义。

关键词：过流面积；散热面积；单管流量；单管容量；管束的回路数

1　前言

发电机轴承的油冷却器是冷却系统中的主要设备，轴承运转产生的损耗使油温上升，由润滑油为载体，将热量传给冷却管，再通过管壁传入水中，即传热介质为油-铜-水，最后损耗由水带走，热交换达到平衡，瓦温稳定在一个安全运行的温度（如40℃～55℃）。所以设计油冷却器之前，首先明确水电站技术供水系统参数——如：水质、水温、工作水压和最高水压等。

目前普遍采用的内循环冷却器的冷却水管材料为纯铜管和不锈钢管。由于油的导热系数很小，一般为=0.1 kcal/m·h℃，纯铜冷却管的导热系数为=25 kcal/m·h℃，不锈钢冷却管的导热系数为λ=23 kcal/m·h℃，由于冷却管的导热系数与热阻成反比关系，计算中，管材的热阻可忽略不计，仅计算油的热阻。

同时还需考虑水量问题——水量过小，瓦温可能高，水量过大，水温升就过低，对热交换有利无害，对带走的损耗有利，但对水电站经济运行是一种浪费。还有冷却系统输水管道规定水速不超过3m/s，水速低点，对热交换影响不大。总之应按实际条件，综合各种因素设计油冷却器。

本文引出过流面积，单管流量和单管容量设计参数，可方便轴承油冷却器的设计，目的是建立油冷却器设计计算公式。

2　过流面积设计方法

冷却管与承管板采用胀管工艺连接，这样两端带有承管板的所有冷却管统称管束过流面积：冷却水在油冷却器内一个流程流过的截面积，单位：m2；

式中：——冷却水管内径，mm。

单位：kW。

轴承内循环冷却系统都属于浸没式热交换，自身泵内循环冷却系统。冷却水计算温升不宜选择较大数值，建议不同规格的冷却管选取不同的△，详见表1中有*符号的数值。

表1　不同水温升的单管容量()

单管容量规格水温升△t=1 　△t=1 　　△t=1 　　△t=1 　　△t=1 φ19 　1.43 　* 1.7 　2.14 　2.57 　2.85 φ25 　2.39 　2.87 　*3.59 　4.3 　4.78 φ28 　3.11 　3.7 　4.63 　*5.55 　6.17 φ30 　3.34 　4 　5 　6 　*6.67

表2　常用的冷却管规格及设计参数

在进行计算时，由损耗算出总水量的水温升高值应与计算单管容量的水温升值相同。这样总水量1比单管水量d应等于总损耗比单管容量d即，也说明供水量和用水量达到平衡。

利用上述引出单管流量和单管容量参数很容易求出单回路过流面积所包含的冷却管根数1，即，利用表3可算出各种规格冷却管的不同所带走损耗不同，所设计的油冷却器每回路过流面积所含冷却管根数1称为理论值。实际在设计冷却器时，为了排列冷却管布置合理，有一实际每回路冷却管数2，原则2≥1，但不能偏离太远。最后应按下式核算用水量2=s×d×2×6×104（ L/min）式中：s水速取1.5（m/s），d单管过流面积，查表2，m2实际设计管数（过流面积所含冷却管数）。

表3　过流面积所含冷却管数的计算

3　散热面积设计方法

轴承冷却器热交换条件前面讲了很多，主要有：水流量，水温升，水的过流面积等，还有一个必要条件就是冷却管所形成的散热面积应足够。通常散热面积应通过热交换计算来确定。因轴承冷却器属全浸没式内循环润滑冷却结构，进入油冷却器的水流速度很难确定，能够计算也不准确。经多年生产实践的经验总结，采用17的纯铜冷却管，对轴承按每千瓦管长取5～6m作为判定数据，设计油冷却器足够满足散热面积的要求。随着采用冷却管规格的不同，若管径增大，每米表面积增加，每千瓦管长应减小，判定值可参考表4。

表4　油冷却器的冷却管常用管径及设计参数统计表

4　强调过流面积和散热面积一同考虑引出回路概念

轴承油冷却器的冷却管，在排列设计时，既要考虑过流面积所含的管数，还要考虑其总管长所形成的散热面积是否满足要求。即在有限的空间内，结合过流面积所含管的数量来增加横排或纵排冷却管的数量，满足每千瓦损耗对应管长的要求，所以就出现了油冷却器内部的回路数，亦称油冷却器管束的回路数。

管束回路数计算：设管束所包含冷却管数为x（由确定散热面积应该排列的管数），此值除以，应得整数，即，（整数）=1,2,3,4……。应在1,2,3,4,5,6中选取，称n为管束回路数

管束回路数在结构上借助于前、后水箱盖来实现，前水箱盖装配在管束进水端的承管板上，后水箱盖装配在出水管的承管板上。管束为单回路时，水从前水箱盖进入，流经管束所有冷却管，再从后水箱盖流出。若把管束分成两等分，使冷却水从前水箱盖进入，仅流经管束一半，流到后水箱盖后再从另一半管束返回到前水箱盖引出，称管束为2回路。以此类推油冷却器管束可设计成3，4回路，详见表5。回路数为1，3等奇数时，进、出引水管在管束前后端各1个，回路数为2，4等偶数时，进、出引水管都在前端。

表5　管束回路数与水箱盖结构

5　油冷却器结构尺寸设计

冷却管在排列设计时应遵循的规则:根据所放的空间，可排列成方阵，也可排列成矩阵。冷却器排列方式有两种：交错排列和直排列，直排列亦称棋布。

从表6所列数据，可分析交错排列尺寸和冷却管直径的关系。遵循的原则是热交换，使流体阻力尽量小，通常t2/dw应大于1.25，h2/h1在0.7～0.85最佳。表6中所列19/17所列尺寸为典型交错排列。冷却管径加大，增加热交换的面积，管加粗也使流阻增加，适当选取t1和t2是必要的。如对25/22冷却管取t1和t2为25和43，这样t2/dw=1.72，比1.32增幅较大，目的是减小流阻，使得h2/h1=1，这样使流程有扩大和缩小情况，使流阻增加。为改善此情况，将t2由43改为37，使h2/h1=0.79，有效的改善了流道中扩大和缩小程度，并可在相同的外形尺寸下，多布置些冷却管。

图1　冷却管直排列方式

图2　冷却管交错排列方式

表6　交错排列尺寸对比

从表7所列数据，可分析直排和冷却管直径的关系，所遵守的原则也是便于热交换，使其流体阻力尽量小。直排列和交错排列比较，直排列的流道有明显的扩大和缩小状况，即通过h1缩小，通过h2扩大，所以直排列使冷却器的阻力压降较大，用于内循环轴承，对油冷却器阻力压降要求不是很严格，而直排列最显著的优点是在相同的外形下，可多布置冷却管来满足散热要求，这也正是内循环轴承，一般油槽容积有限所要求的，所以，内循环轴承冷却器，推荐采用直排列结构是可行的。