大冷量離心機組油冷板式換熱器的設計與分析

□ 李 媛

特靈科技亞太研發中心 上海 200051

1 工作原理

原小冷量水冷離心機組油管是位于經濟器中的螺線形換熱油管,溫度不受控制,不同工況的油溫差異很大,存在冷卻不足或者過度冷卻的情況,同時軸承可靠性也存在風險。在優化后的大冷量水冷離心機組中,增加了油冷板式換熱器對潤滑油進行控制,油溫可以控制和調節,確保軸承的性能和可靠性。

大冷量水冷離心機組由壓縮機、電機、蒸發器、冷凝器、經濟器、油箱、油冷板式換熱器、油分離器、管道等部件組成,系統原理與構成如圖1所示。

▲圖1 大冷量水冷離心機組系統原理與構成

實線部分為制冷劑循環系統。冷凝器出口的液體制冷劑進入制冷劑泵加壓后,大部分從電機上下部的兩個節流孔進入電機進行冷卻,冷卻后的制冷劑從電機出口回到冷凝器。制冷劑泵出口分流一部分制冷劑,通過油冷板式換熱器冷卻油箱出口的潤滑油再回到冷凝器,并被冷凝成液體制冷劑。

虛線部分為油路循環。油箱中的潤滑油經過油泵加壓及油冷板式換熱器降溫后,進入電機兩端對軸承進行潤滑。之后潤滑油從電機出口分別進入油分離器,在油分離器中分離出制冷劑,再回到油箱。

2 油冷板式換熱器設計

在進行大冷量水冷離心機組設計時,基于換熱能力對油冷板式換熱器進行選型,油冷板式換熱器接口如圖2所示。制冷劑與潤滑油采用逆流方式,制冷劑下進上出,潤滑油上進下出。F3 為制冷劑入口,F1為制冷劑出口,F2為潤滑油入口,F4為潤滑油出口。

▲圖2 油冷板式換熱器接口

為了節省空間,使結構緊湊,通過支撐板將油冷板式換熱器固定在與冷凝器連接的側板上。油冷板式換熱器的位置高于油箱,方便油箱拆卸。連接電機軸承的管道通過支撐板固定在冷凝器上,以減少管道振動。油冷板式換熱器連接如圖3所示。F1、F3連接制冷劑連接管,制冷劑泵出口的制冷劑經F3進入油冷板式換熱器,換經過換熱后由F1出口回到冷凝器。F2、F4連接油管連接管,潤滑油經油泵出口從F2進入油冷板式換熱器,進行換熱后由F4出口進入電機軸承,對軸承進行潤滑和冷卻。

▲圖3 油冷板式換熱器連接

3 支撐板設計

支撐板固定在與冷凝器連接的側板上,背面安裝油冷板式換熱器。支撐板設計方案如圖4所示。初始方案中,兩邊折彎處可能存在應力集中。一種解決方案是變為斜邊加強形式,但由于空間限制,實際采用三角邊的最終方案。油冷板式換熱器與支撐板最終裝配如圖5所示。支撐板厚度為2.5 mm,材料為Q235B鋼。三角邊寬為25 mm,長為70 mm。支撐板焊接位置及焊腳尺寸如圖6所示。

▲圖4 支撐板設計方案

▲圖5 油冷板式換熱器與支撐板最終裝配▲圖6 支撐板焊接示意圖

油冷板式換熱器與支撐板的連接方式如圖7所示。兩個通孔A與油冷板式換熱器背面的螺柱連接,四個通孔B分別焊接M10螺母,方便螺栓從冷凝器側板外側穿過進行連接。

▲圖7 油冷板式換熱器與支撐板連接方式

4 有限元仿真分析

大冷量水冷離心機組在運輸過程中受到振動激勵,可能造成結構破壞,因此需要對油冷板式換熱器的支撐結構強度進行評估。根據以往設計經驗,筆者采用有限元仿真方法,對支撐板施加等效載荷進行有限元分析。

油冷板式換熱器仿真模型如圖8所示。冷凝器側板及銅管端部為固定約束,采用線性彈性材料模型對油冷板式換熱器進行建模與網格劃分,網格劃分如圖9所示。零件特性參數見表1。施加三種靜力等效荷載進行分析,分別為豎直方向3倍重力加速度載荷、豎直方向及水平方向1倍重力加速度載荷、豎直方向及軸向1倍重力加速度載荷。分析中應力標準取60%極限應力。

▲圖8 油冷板式換熱器仿真模型▲圖9 油冷板式換熱器網格劃分

表1 零件特性參數

油冷板式換熱器應力分析結果如圖10所示。

由分析結果可知最大應力位于焊縫根部附近。對于支撐板材料Q235B鋼而言,除豎直方向3倍重力加速度載荷工況下應力略高于應力標準限值222 MPa以外,其余均低于標準限值。根據工程經驗判斷,支撐板為低風險的應力集中。因此,在上述三種工況下,采用Q235B鋼均符合標準要求。

5 結束語

筆者設計了大冷量離心機組油冷板式換熱器,油冷板式換熱器通過四個螺栓固定在冷凝器側板上,支撐板背后焊有螺母,方便安裝。油冷板式換熱器安裝位置高于油箱,方便油箱拆卸,利于維修。

通過對支撐板進行結構優化,緩解應力集中。

通過有限元分析,研究了靜態等效荷載下油冷板式換熱器的應力情況。結果表明,采用Q235B鋼的油冷板式換熱器在裝載和運輸條件下均符合標準要求。

▲圖10 油冷板式換熱器應力分析結果