一種耐高壓的圓形波紋板板殼式換熱器的設(shè)計(jì)及其傳熱特性的實(shí)驗(yàn)研究

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(rùn)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(rùn)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(duì)潤(rùn)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(duì)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(wèn)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(rùn)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(duì)流傳熱效率。第二，目前通常采用管殼式換熱器來(lái)冷卻潤(rùn)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(guò)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(wèn)題，設(shè)計(jì)了圓形波紋板，并通過(guò)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(guò)研究最終設(shè)計(jì)了圓形波紋板板殼式換熱器來(lái)解決板式換熱器承壓能力差的問(wèn)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(guò)“先對(duì)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(guò)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(guò)，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(guò)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(guò)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(rùn)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(duì)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(rùn)滑油流量、依次增加水流量，實(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)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(duì)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(duì)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(lái)擬合出新板片在該范圍內(nèi)的傳熱關(guān)聯(lián)式。對(duì)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(guò)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)更快。水流量對(duì)換熱器換熱系數(shù)的影響較小。

3.2.2 阻力特性分析

評(píng)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(rùn)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(guò)程中實(shí)際流動(dòng)中所繞行的距離越長(zhǎng)，擾動(dòng)越劇烈。

3.2.3 傳熱關(guān)聯(lián)式

4 結(jié)束語(yǔ)

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(rùn)滑油和冷卻水為介質(zhì)，對(duì)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(guò)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(duì)新型圓形波紋板板殼式換熱器的一種威爾遜分離法，通過(guò)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(duì)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)

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