滑油冷却器强化换热试验研究_阎昌琪

第 29 卷 第 2 期 2008 年4月
核动力工程
Nuclear Power Engineering
文章编号：0258-0926(2008)02-0016-04
Vol. 29. No.2 Apr. 2 0 0 8
滑油冷却器强化换热试验研究
阎昌琪，侯山高，曹夏昕
（哈尔滨工程大学核科学与技术学院，哈尔滨，150001）
设滑油换热器稳定传热时的换热量为 q，根 据传热方程有：
q = kF∆tm
(1)
式中，k 为总传热系数，W/(m2·K)；F 为换热面积，
m2；Δtm 为热流体和冷流体的对数平均温差，K。
由式(1)可知，要想增大滑油冷却器的总换热量 q，
主要的方法是提高传热系数 k。 在稳定传热工况下，单位长度圆管的总传热
换热器的性能除了与传热管的性能有关外， 还与换热器的结构形式有关(如隔板的形式、管子 的布置等)。本文在前期单管选型实验的基础上， 进行了滑油冷却器的强化传热实验研究，采用了 3 个不同结构的强化管换热器，对其换热效果进 行对比研究，为优化滑油冷却器的结构及工程使 用提供依据。
2 滑油冷却器强化传热方法的选择
在这种针翅管滑油冷却器中，由于传热管外 侧的湿润面积复杂，难以准确计算，壳侧流道的 定性尺寸也很难确定。因此，壳侧的雷诺数很难 确定，很难建立传热系数与雷诺数之间的关系。 图 4 表示的是滑油冷却器的总换热系数随滑油质 量流量的变化关系曲线。油流量为 0.5 kg/s 时， 3#强化管实验件的总换热系数 k 约为光管的 1.5 倍；当油流量为 1.42 kg/s 时，3#强化管换热器的 总换热系数为光管的 2.2 倍。
收稿日期：2007-05-09；修回日期：2007-06-27
阎昌琪等：滑油冷却器强化换热试验研究
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侧的滑油由于流动速度相对较低，粘度较大，换 热系数 ho 仅在 100~300 之间。从这些数据可以看 出，前两项的传热系数都比较高，传热的热阻较 小，而壳侧的传热系数比前两项传热系数小一个 数量级。壳侧热阻成为整个滑油冷却器控制热阻 所在。由此可以得出结论，在换热管材料已定的 情况下，提高壳侧的换热系数 ho 是强化滑油冷却 器传热的主要途径之一。
3
2#强化管实验件 46 16.08 5.359 1 000
5
3#强化管实验件 23 16.08 5.359 1 988
5
图 1 实验装置系统流程简图 Fig. 1 Schematic Diagram of Experiment Facility
1——光管滑油冷却器；2——强化管滑油冷却器；3——电加 热器；4——油箱；5——齿轮油泵；6——腰轮流量计；7——铠 装热电偶；8——水银差压计；9——涡轮流量计；10——离心式 水泵；11——蓄水池
W/(m·K)；do 为传热管外径，m；di 为传热管内径， m。
由式(2)可以看出，要增加总传热系数 k，可 从减小换热管热阻入手。对于滑油冷却器而言，
由水单相对流换热公式可以求出本实验条件下换
热系数 hi 大约在 1 000~3 000 之间；根据实验管的 材料，管壁的导热系数项 2λ / do 大约 10 000；壳
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核动力工程
Vol. 29. No. 2. 2008
图 3 油质量流量与换热量 q 的关系曲线 Fig. 3 Correlations between Oil Mass Flow
Rate and the Quantity of Heat Transfer
管实验件的增加幅度明显高于其他换热器；在油 流量大于 0.8 kg/s 的情况下，3#强化管滑油冷却 器的换热量大于光管。由于两个换热器的管子布 置方式一样，管子长度一样，管子数量减少一半， 这说明在交换出同样热量的情况下 3#强化管滑 油冷却器的体积可以比光管的减小一半以上。其 主要原因是在相同的油流量情况下，3#强化管实 验体内的油流动速度较高(管子数量少因此流通 截面小)，而随着油速的增加，其对油边界层的扰 动作用越明显，从而破坏了油的传热边界层，促 进了油的对流换热，使换热系数显著增加。另外， 3#强化管实验体内的隔板之间的间距较大，滑油 的滞流区较少，这也可能是换热性能好的一个主 要原因。 4.2 总换系数与滑油流量的关系
系数 k 可以按下式确定：
k=
1
(2)
do + do ln(do / di ) + 1
hi d i
2λ
ho
式中，Ri 为管内对流换热热阻，(m2·K)/W；Rw 为 换热管导热热阻，(m2·K)/W；R0 为管外侧对流换 热热阻，(m2·K)/W；k 为总传热系数，W/(m2·K)；
hi 为管内换热系数，W/(m2·K)；h0 为管外换热系 数，W/(m2·K)； λ 为传热管材料的导热系数，
图 4 油质量流量与换热系数的关系曲线 Fig. 4 Correlations between Oil Mass Flow
Rate and Heat Transfer Coefficient
1#次之，2#效果最差。由图 4 可以看出，传热效 果与管板的间距成正比，即在实验参数范围内， 管板的间距加大，传热效率增加，这与光管换热 器的结论正好相反。在光管换热器中，为了使壳 侧的传热效率增加一般都用增加隔板数量的方法 来实现。
摘要：对 3 个采用整体针翅管的滑油冷却器实验体进行了对比实验研究。结果表明：当换热管长度和油 质量流量相同，且针翅管数量比光管减少一半时，针翅管滑油冷却器的换热系数是光管滑油冷却器的 2.2 倍。 对实验结果的分析说明了针翅管滑油冷却器具有管板数量少、强化传热效果好的特点。
关键词：针翅管；强化换热；滑油冷却器 中图分类号：TK124 文献标识码：A
滑油冷却器强化传热的方法主要是采用扩展 表面管，最理想的是整体针翅管。它具有扩展面 积大、可产生流体交混、传热系数高等特点。
流量计(LL-25)测量，精度等级为 0.5；冷却水流 量由涡轮流量计(LWGY-40A)测量，精度等级为 0.5；油侧流动阻力采用水银差压计测量。
实验所用的整体针翅管外形和结构形式见图 2。针翅管的内径为 12 mm，外径(翅尖的外径)为 24 mm，翅间距 2.1 mm。实验中采用了 3 个强化 管实验件，其主要设计参数见表 1。
表 1 实验所用各换热器的参数
Table 1 Heat Transfer Exchanger Parameters
实验件
换热 管数 量
水流量 /m3 · h-1
油流量 /m3 · h-1
换热段 长度 /mm
折流 板数 量
光管实验件
46 16.08 5.359 1 988 19
1#强化管实验件 46 16.08 5.359 1 000
实验时选择某一水流量保持不变，入口油温 恒定在 55 ℃左右，以 0.5 m3/h 间隔调节油流量， 调节范围为 2～6 m3/h。达到热平衡后测定相应进 出口油温、水温、油流量、水流量、进出口压差 等各项参数。
实验段油的进、出口温度和水的进、出口温 度均由铜-康铜铠装热电偶测量；油的流量由腰轮
由表 1 可看出，在光管和 1#强化管实验件的 基础上，2#强化管实验件增加了折流板的数量。 由于 2#强化管实验体的换热特性不如 1#实验体， 为此设计了 3#强化管实验体，换热管数量减少一 半为 23 根，长度增加到 1 988 mm(与光管换热器 相同)。在换热面积不变的情况下，如果冷却水和 滑油的流量相同，则 3#换热器的管程和壳侧的流 体流速可以提高一倍，这样对两侧换热均有好处。
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流动阻力比光管还低。
图 6 水流量 16 m3/h 时阻力压降的关系曲线 Fig. 6 Correlation of Pressure Drop for Flow
Rate 16 m3/h
阻力进行了实验测量。图 6 给出了冷却水流量为 16 m3/h 时，阻力压降与润滑油流量的关系曲线。
从图 6 的油侧流动阻力的数据可知，3#强化 管滑油冷却器的阻力压降与光管滑油冷却器相差 不大，这主要是由于 3#强化管滑油冷却器的隔板 数量(5 块隔板)远少于光管滑油冷却器(19 块隔 板)。因此，尽管针翅管的流动阻力大于光管，但 做成滑油冷却器后由于减少了管板数量，流动阻 力并不一定比光管大。1#和 2#强化管滑油冷却器 的换热管长度比光管小一半，其阻力压降约为光 管的 1/3。因此，在换热管数量不变的情况下，减 少强化换热管的长度和隔板的数量，可保证在换 出同样热量的情况下使强化管滑油冷却器壳侧的
由表 1 可知，3#强化管滑油冷却器换热管数 量是其它两个换热器的一半，相应的壳侧流体的 流通截面也大约减小一半。因此，在相同的滑油 质量流量情况下，3#强化管滑油冷却器壳侧滑油 的流动速度是其他两个换热器的 2 倍，所以，3# 滑油冷却器换热系数较高。从图 5 中可以看出， 在以滑油的质量流速为横坐标的情况下，在同样 质量流量范围内，3#滑油冷却器的质量流速变化 范围大于其他几个滑油冷却器；这就是 3#换热器 强化传热效果好的主要原因。这说明滑油冷却器 采用强化传热管后可以减少管子数量和隔板数 量，这样增加壳侧流体的纵向流速从而可以达到 增加传热系数的目的。
1前言
在热能动力装置中，滑油冷却器担负着降低 滑油温度、保证主机正常运行的重要功能。由于 滑油的粘度较大、传热系数低、油的流量较大， 因此目前所使用的滑油冷却器的体积庞大。采用 强化传热方法提高传热系数、减小滑油冷却器的 体积，对减小设备重量和所占的空间具有非常重 要的意义。
根据目前国内外研究现状分析[1]，滑油冷却 器强化换热主要是通过改变管子形状或表面性质 来改变流体在管壁处的流动方式和传热机理。采 用的各种扩展表面管有螺纹管、肋片管和翅片管 等。由于滑油的粘度较大，这些扩展表面管可以 大幅度地增加管壁与滑油的接触面积。目前，最 好的扩展表面管是针翅管，已发展到第 3 代三维 非连续针翅管。国内外学者对这种三维强化管进 行了很多研究[2~4]，结果表明，管外介质为高粘度 油时强化传热效果显著。
4 实Hale Waihona Puke Baidu结果及分析
实验数据处理后可得图 3～图 6 的关系曲线， 其中，G 为光管实验体，Q1、Q2、Q3 分别为 1#、 2#、3#强化管实验体，t 为入口水温。 4.1 总换热量与滑油流量的关系
在滑油冷却器可变的运行参数中，壳侧的滑 油流量是影响总换热量的一个重要参数。图 3 给 出了 4 个滑油冷却器的换热量与油侧滑油的质量 流量的关系。从图 3 中可看出，各滑油冷却器的 换热量都随着油流量的增加而增加，其中 3#强化
5结论
(1)针翅管滑油冷却器的管板数量不宜太多， 但是否越少越好还需要进一步的实验验证。
(2)采用强化管后，在保证换热量不变的情况 下，可以减少管子数量。这样可以增加壳侧滑油 的纵向流速，同时也可以大幅度减少冷却水的流 量，这在有些场合有特殊意义。
(3)在冷却同样滑油流量的条件下，3#强化管 滑油冷却器的强化换热效果明显优于其他两个。 在油流量为 5.359 m3/h、水流量为 16 m3/h 的工况 下，其总换热系数是光管滑油冷却器的 2.2 倍， 其壳侧的阻力压降与光管换热器基本相同。
从图 4 可以看出，在滑油流量较高时，4 个 滑油冷却器的传热效果有较大的差别。实验中所 用的 3 个强化管滑油冷却器管子结构尺寸基本一 样，管子间距一样，主要的差别是管板的间距不 同。1#滑油冷却器的管板平均间距约为 240 mm； 2#滑油冷却器的管板平均间距约为 160 mm；3# 滑油冷却器的管板平均间距约为 320 mm。3 个换 热器的传热管面积基本相同，传热效果 3#最好，
图 5 油质量流速与换热系数关系曲线 Fig. 5 Correlations between Oil Mass Flux and
Heat Transfer Coefficient
4.3 滑油冷却器的流动阻力 换热器采用了强化传热方法以后，一般都会
使流动阻力增加，对几个滑油冷却器的壳侧流动
阎昌琪等：滑油冷却器强化换热试验研究
3 实验装置与实验方法
实验装置如图 1 所示；整个实验回路由滑油 和冷却水 2 个系统组成。滑油在油箱中被加热到 指定温度后，由油泵输送进入滑油冷却器的壳程， 经冷却后又回到油箱，重新被加热；水池中冷却 水由水泵抽出，进入滑油冷却器的管程，对滑油 冷却后流回水池。
图 2 整体针翅管结构形式 Fig. 2 Structure of Pin-Fin Tube