多流程數板殼式滑油冷卻器的流動與換熱研究

沈亞杰,高永恒,王澄瀚,楊 嗣,鄧云李

(1.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.中國核動力研究設計院，四川 成都 610005)

滑油冷卻器在能源動力、化工生產、制冷以及機械加工等領域應用廣泛，尤其在核電廠動力裝置領域是不可或缺的[1]。滑油冷卻器的主要作用是將核電站二回路中汽輪機的潤滑油冷卻到合適的溫度[2]，使汽輪機能夠安全穩定運行。

傳統的滑油冷卻器長期以來存在著換熱效率低、體積龐大等問題。這給其生產、運輸及應用帶來了很大不便，也增加了成本。傳統的滑油冷卻器效率低的原因主要包括兩方面。一方面由于潤滑油黏度高，流動能力差，其邊界層尤其是粘性底層較厚，導致換熱器的換熱系數偏低；另一方面是由于滑油冷卻器通常采用管殼式換熱器，尤其是光管換熱器，這種換熱器的換熱能力差，結構不緊湊，因而體積龐大。

板式換熱器是一種高效緊湊式換熱器，將其應用于滑油冷卻器比管殼式滑油冷卻器更具優勢。但方形板式換熱器應力集中于4個角上，易發生變形而導致泄露。王佳卓等人[3]在此基礎上設計了一種圓形板殼式換熱器。這種板殼式滑油冷卻器采用圓形波紋板作為傳熱元件，可以承6 MPa的高壓，很好地解決了耐高壓的問題。但其結構上不如板式換熱器緊湊，換熱效率也相對低于方板式換熱器。在保持其小型結構的基礎上，增加流程是主要強化換熱手段之一。

在原有的結構基礎上，增加流程數，不增加板片，每個流程的并聯流道減少。仇嘉等[4]對傳統方形板式換熱器通過CFD數值模擬得到：流道分配不均勻性隨并聯流道的增加而增加；張哲[5]對板翅式換熱器數值模擬也得：流量分布不均勻性隨雷諾數的增加而增加；SRIHARI和DAS[6]的研究表明：隨流道間流體分配的不均勻性增加，換熱器的換熱能力逐漸降低。此外，增加流程，每個流程的工況也會有所改變，潤滑油的物性參數也會隨溫度發生變化，對其流動和換熱也會產生一定的影響[7]。

本文通過實驗的方法對多流程數圓形板殼式滑油冷卻器的流動和換熱性能進行研究。

1 實驗裝置及實驗方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，整個實驗回路由潤滑油和冷卻水兩個系統組成。滑油在油箱中被加熱到指定溫度后，由油泵輸送進入圓形板式滑油冷卻器的殼程，經冷卻后又回到油箱，重新被加熱；水池中冷卻水由水泵抽出，進入圓形板式滑油冷卻器的板程，對滑油冷卻后流回水池。

圖1 實驗系統流程圖

實驗對象都為圓形板殼式換熱器，其參數如表1所示：

表1 實驗所用換熱器結構參數表

1.2 實驗方法

1)對YBK 1號在不同入口油溫下進行試驗，入口油溫分別為55 ℃、50 ℃、47 ℃，入口參數為水溫25 ℃，水和油流量相等，流量調節范圍為3～8 m3/h，調節間隔為1 m3/h，達到熱平衡后記錄下相關參數。

2)分別對YBK 2號和YBK 3號進行實驗，將水側流量控制在21 m3/h，入口水溫和油溫分別恒定在24 ℃和55 ℃，以2 m3/h間隔調整油流量，調節范圍為4～20 m3/h，達到熱平衡后測定相應進出口油溫、水溫、油流量、水流量、進出口壓差等各項參數。

1.3 實驗數據處理

在實驗過程中發現，潤滑油介質入口溫度與出口溫度在實驗范圍內變化較大，而冷卻水的入口溫度與出口溫度變化較小。因此，以潤滑油側換熱量Qo作為總的換熱量Q誤差更小。這是因為冷卻水側溫度差較小，計算出的水側換熱量Qw的相對誤差相對較大。所以總換熱量采用以下公式計算：

Q=Qo=Vo1ρo1(Cpo1to1-Cpo2to2)

(1)

板式滑油冷卻器實驗元件在換熱中的熱散失主要有兩部分組成。第一是通過實驗元件壁面與實驗室內空氣間的自然對流換熱。自然對流換熱的傳熱系數較低，壁面散熱損失很小，可以忽略不計。第二是實驗元件在環境中的通過熱輻射導致的熱散失。由于在實驗過程中整個實驗元件的溫度較低，不超過55 ℃，因此這部分熱量散失也很小。因此，在數據處理的過程中可以忽略實驗元件在環境中的熱散失。

傳熱系數是換熱器的重要性能參數之一，也是衡量換熱器的換熱能力的重要指標。實驗元件傳熱系數的計算過程如下。

由傳熱學方程：

Q=kAΔtm

(2)

可計算出總傳熱系數k的值：

(3)

平均換熱溫差Δtm可按下面公式計算：

(4)

在耐高壓圓形波紋板板殼式換熱器中，以介質在板間通道內沿長度方向上的平均質量流速作為介質在板間通道內的定性流速，這種方式計算出的質量流速較為符合實際情況。對于上述平均流速uavg，有如下公式：

mavg=ρavg×uavg

(5)

(6)

(7)

2 結果分析

2.1 入口流量的影響

圖2和圖3是在不同水側質量流量下，YBK 2號和YBK 3號的總傳熱系數和油側壓降隨油側質量流量的變化關系。從圖中可知：水側質量流量改變對總傳熱系數影響比較小，油側質量改變對總傳熱系數影響比較大。這主要是因為在該工況范圍內，水的粘性遠小于油，導致水側對流傳熱系數遠大于油側對流傳熱系數，所以增加水側流速使水側對流傳熱系數增加，對總傳熱系數影響較小，而增加油側流速，對總傳熱系數增加非常明顯。因此，在后續分析中重點對油測進行分析說明。

從圖2和圖3中還可知：當水側和油側質量流量都相同時，YBK 3號的總傳熱系數k約為YBK 2號的1.5～2.5倍，YBK 3號的壓降約為YBK 2號的2.5～2.9倍。這是因為YBK 2號和YBK 3號的板片結構參數、板間距和板片數量都相同，但YBK 3號的每個流程的流道(30個)比YBK 2號(45個)的少，即流通截面減少。在相同入口流量下，YBK 3號的板間平均流速是YBK 2號的1.5倍，所以YBK 3號的總傳熱系數和壓降都大于YBK 2號。

圖2 總傳熱系數與油質量流量的關系

圖3 油側壓降與油質量流量的關系

2.2 入口油溫的影響

圖4給出了在不同油入口溫度下YBK 1號總傳熱系數k與油側質量流量的關系。從圖中可得：在水側入口溫度和流量相同的情況下，總傳熱系數k隨油側質量流量的增加而增加，且在相同油側質量流量下，油入口溫度高的總傳熱系數略高于油入口溫度低的；這主要是由于潤滑油黏度對溫度變化較為敏感，黏度隨著溫度的增加而降低，粘性底層變薄，導致傳熱增加。

圖4 不同入口油溫時，YBK 1號總傳熱系數與油質量流量的關系

圖5為在不同油入口溫度下YBK 1號油側壓降與油側質量流量的關系。在相同的油側質量流速下，油入口溫度高的壓降小于油入口溫度低的。這是由于潤滑油黏度對溫度變化較為敏感，黏度隨著溫度的增加而降低，所以壓降降低。

圖5 不同入口油溫時，YBK 1號油側壓降與油質量流量的關系

2.3 質量流速的影響

圖6為在相同水側質量流速下，YBK 3號和YBK 2號的總傳熱系數k與油側質量流速的變化關系。從圖中可得：在相同的油板間質量流速下，三流程的總傳熱系數k比兩流程的高。由于兩個換熱器除了流程數和每個流程中的并聯流道數不同，其他結構如板片結構、總板片數和板間距完全相同。且從圖3中可知，在相同油質量流速下，由于后一個流程的溫度低，油黏度大，總傳熱系數k相對前一個流程低。所以在不考慮流量分配不均勻性的影響，板間流速相同時，兩流程的總傳熱系數應該高于三流程的。然而，這與實驗結果相違背，說明了此時流量分配均勻性效應強于黏度變化效應。兩流程改成三流程后，每個流程的并聯流道數較少了，流道流量分配不均勻性變小，其換熱性能相應改善，這與現有的CFD對并聯流道的流量分配的研究結果相符，所以在相同的油板間質量流速下，三流程的總傳熱系數高于兩流程。

圖6 YBK 2號和YBK 3號總傳熱系數與油質量流速的關系

圖7為相同水側質量流速下，YBK 3號和YBK 2號的壓降隨油流速的變化關系。從圖中可得：在相同的油板間質量流速下，三流程的油側阻力也大于兩流程，且增長速度更快。一方面是因為后一個流程的油溫低于前一個流程，黏度變大，導致阻力變大；另一方面三流程比兩流程多一流程，也就多了一個流程的流動阻力。

圖7 YBK 2號和YBK 3號油側壓降與油質量流速的關系

3 結論

本文通過實驗的手段，從入口流量、入口溫度和質量流速三個影響因素對不同流程數的滑油冷卻器的流動和傳熱性能進行對比分析，得到如下結論：

1)試驗工況下，潤滑油黏度隨著入口油溫升高而降低，粘性底層變薄，使流動和傳熱性能得到明顯改善；

2)油側入口流量相同時，YBK 3號的總傳熱系數約為YBK 2號的1.5～2.5倍，YBK 3號的壓降約為YBK 2號的2.5～2.9倍；

3)油側板間流速相同時，由于并聯流道的減少，導致流道流量分布不均勻性改善，其效應大于黏度變化產生的效應，YBK 3號的總傳熱系數約為YBK 2號的1.1～1.5倍。YBK 3號的壓降約為YBK 2號的1.9～2.2倍；

4)在滑油冷卻器設計過程中，增加適當的流程數可明顯改善換熱性能。