中国工程机械学报论文模板：圆形波纹板板壳式换热器的设计

　　摘 要：传统的管壳式滑油冷却器结构复杂、换热效率差，以板式换热器替代管壳式换热器用于在高压工况下冷却润滑油是有效的解决办法。文章分析了造成板式换热器承压能力低的主要原因，并研究了一种适用于高压工况的圆形波纹板板壳式换热器。该换热器结构紧凑，承压能力强。设计并进行了以68#汽轮机润滑油与冷却水为介质的换热器换热特性实验。同时分析了实验结果。针对润滑油与冷却水物性参数的差异，文章利用威尔逊法，分离出两侧的对流传热系数，拟合出其传热关联式。该关联式在实验范围内误差在10%以内，适用于所研制的圆形波纹板板壳式换热器。

　　关键词：中国工程机械学报论文模板,滑油冷却器,圆形波纹板板壳式换热器,耐高压,强化换热,威尔逊法

　　前言

　　滑油冷却器一直存在换热性能差、结构复杂等问题，研制一种紧凑小型化的滑油冷却器有利于该种设备的生产、运输与应用，同时还能节省其成本。以下两个因素是滑油冷却器传热效率低的主要原因。第一，润滑油具有高黏度，在流动时会在换热壁面形成较厚的粘性底层，影响对流传热效率。第二，目前通常采用管壳式换热器来冷却润滑油，该种换热器结构不紧凑，因而体积庞大。而板式换热器结构紧凑，以1m3体积内所能布置的换热面积计算，板式换热器可达管壳式换热器的10倍[1]。板式换热器具有传热效率高、重量轻、便于生产运输等优点，因此在各领域应用广泛，但目前的板式换热器通常只能承受4MPa以下的压力。由于滑油冷却器经常使用在高压工况下，因此需要研究设计一种能够承受6MPa压力的板式换热器，并研究该换热器的传热特性。

　　1 耐高压的板式滑油冷却器结构设计与研究

　　通过研究发现，以下两方面因素是限制板式换热器承压能力的瓶颈。首先，波纹板间有大量的承压边界需要密封，普通的垫片或钎焊形式不能承受高压。此外，在高压力工况下，波纹板板束会在轴向产生较大的应力。为解决上述问题，设计了圆形波纹板，并通过全焊接方式形成板束。同时，将板束置于圆形壳体内，并以具有一定厚度的端板在两侧与壳体焊接并压紧板束。通过研究最终设计了圆形波纹板板壳式换热器来解决板式换热器承压能力差的问题。

　　圆形波纹板板壳式换热器采用图1所示的圆形波纹板，通过“先对焊再组焊”的形式，焊接成板束。波纹板板束置于圆形外壳内，通过支撑板支撑，并由导流块将壳程分割为入口与出口腔室[2]。

　　圆形结构的板片应力分布均匀，承压能力高。同时，圆形壳体的管壳式结构使得换热器可以承受高压。板片焊接后，板间通道是菱形的网格形状。介质以复杂的三维流动方式流过，有效的破坏了热边界层，强化换热效果明显。

　　上述圆形波纹板板壳式换热器通过了6MPa承压实验[2]。

　　2 实验装置及实验方法

　　2.1 实验系统

　　为研究该换热器作为滑油冷却器时的传热以及阻力特性，设计并搭建了如图2所示的传热性能研究实验台。

　　2.2 实验元件

　　表1给出了实验用的两台耐高压的圆形波纹板板壳式换热器的结构参数。

　　2.3 实验方案

　　实验过程中，首先维持冷却水入口流量不变，并确保入口水温恒定。调节润滑油流量到第一实验点，调节加热器使得换热器入口油温保持在设计值。当各项参数达到稳定时，采集换热器的进出口油温(t01、t02)、进出口水温(tw1、tw2)、油、水流量(V0、Vw)和油、水进出口压差(△P0、△Pw)等数据。改变油流量到下一实验点，重复上述步骤。本组实验数据记录为A1。

　　在不同水流量下，重复上述步骤。每个水流量工况点对应的实验组数据为A1，A2，A3……，An。上述实验统称A组实验。

　　完成A组实验后，固定润滑油流量、依次增加水流量，实验过程与上述类似，该组实验为B组。

　　3 板式滑油冷却器传热及阻力特性研究

　　3.1 实验数据处理方法

　　由于圆形波纹板板壳式换热器是一种新形式的换热器，因此在进行上述油、水换热实验后，需要结合其结构特点，找到分离油水两侧传热系数的方法。

　　3.1.1 介质在板间通道内流速的计算

　　圆形波纹板板壳式换热器油水两侧流道结构相同，两种介质的流速可用计算公式相同。

　　重复上述迭代过程直到两次的p1相差小于某一收敛准则时结束。根据得到的滑油侧传热关联式，计算水、滑油的壁面温度，最终拟合出形如(7)式的油侧对流传热系数关联式。

　　得到油侧传热关联式后，即可根据Bm组数据拟合出水侧传热关联式。

　　通常板式换热器设计中，对于一种新型板片是采用在其两侧采用同种介质进行换热实验，来拟合出新板片在该范围内的传热关联式。对于滑油冷却器，若采用传统方法，需分别进行水-水换热实验与油-油换热实验。而利用上述威尔逊法分离油-水换热实验，节省了大量实验工程与实验周期。此外，由于进行了多组A、B组实验，而拟合过程只选取了Am、Bm两组数据，因此有大量的实验数据可用于验证上述分离法拟合的传热关联式的精度。

　　3.2 圆形波纹板板壳式换热器的传热特性

　　3.2.1 传热特性分析

　　对滑油冷却器，油侧热阻是其主要热阻。图3、4分别反映了在不同水流量下，YBK-1与YBK-2的换热系数随油侧雷诺数的变化规律。换热器的换热系数随油侧雷诺数增加而增加，且换热系数的增长速度逐渐降低。在整个实验范围内YBK-2换热器的换热系数的增长更快。水流量对换热器换热系数的影响较小。

　　3.2.2 阻力特性分析

　　评价换热器性能的另一项重要是其阻力特性。在滑油冷却器研究中，主要关注润滑油侧阻力特性。

　　图5是YBK-1及YKB-2在21m3/h的水流量下，油侧阻力系数随油侧雷诺数变化的规律。阻力系数随雷诺数的增加而减小，在雷诺数越大，阻力系数减小的越慢。

　　此外，比较两台换热器可知，相同雷诺数下，圆形波纹板板壳式换热器的阻力系数随波纹深度增加而增加。原因是流体绕板间接触点做的螺旋形的流动，在雷诺数相同时，波纹深度越大，流体在流动过程中实际流动中所绕行的距离越长，扰动越剧烈。

　　3.2.3 传热关联式

　　4 结束语

　　文章研究了板式换热器承压性能差的原因，在此基础上研究了一种耐高压、结构紧凑的圆形波纹板板壳式换热器。该换热器适合用作高压工况的滑油冷却器。同时，以68#汽轮机润滑油和冷却水为介质，对该换热器的传热特性进行了实验研究，并得到了这种新型换热器的传热关联式。

　　(1)这种新型圆形波纹板板壳式换热器能在6MPa以上高压下工作。该换热器与传统板式换热器相比具有更广泛适用范围，应用前景良好。

　　(2)圆形波纹板板壳式换热器适用于滑油冷却工况，其强化换热效果较好。在设计工况下，YBK-1、YBK-2换热系数分别达到325.7W/(m2℃)与417.3W/(m2℃);油侧阻力分别为39.9kPa与64.3kPa。同时通过研究分析实验结果，总结了该这种换热器的传热特性。

　　(3)提出了针对新型圆形波纹板板壳式换热器的一种威尔逊分离法，通过该方法拟合出了两台圆形波纹板板壳式换热器的传热关联式。该关联式在实验范围内的误差在10%以内。

　　圆形波纹板板壳式换热器具有较强的强化传热能力，结构紧凑，能够承受高压工况，具有较好的工业应用价值。文中所提出的针对该种换热器的传热关联式拟合的方法具有较高的精度，能够反映圆形波纹板板壳式换热器的传热特性。

　　参考文献

　　[1]林宗虎，汪均，李瑞阳，等.强化换热技术[M].北京：化学工业出版社，2006：4-5

　　[2]王佳卓，阎昌琪，丁铭，等.高压圆形板壳式换热器的设计与研究[J].核动力工程，2014，2.

　　[3]朱志彬，王华明，白平南.一种综合非线性回归法和Wilson图解法计算对流换热系数的新方法[J].化工机械，2008，35(4).

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