探究磁性浮子液位計冷卻效率試驗
摘 要 為了研究內循環軸承磁性浮子液位計的熱交換效率,設計了磁性浮子液位計熱交換效率試驗裝置,試驗裝置可以采集油和水溫度、流量等參數。同時設計了三種材料( 銅、不銹鋼和銅鎳合金) 、兩種結構( 光管式和翅片式) 的磁性浮子液位計,對磁性浮子液位計進行試驗研究,根據試驗結果經過計算得到各磁性浮子液位計的熱交換系數,研究結果可以為磁性浮子液位計設計提供依據。
引言
循環冷卻系統是水輪發電機重要組成部分,循環冷卻方式包括內循環和外循環冷卻方式兩種[1、2]。內循環冷卻方式是指和推力軸承安裝在同一油槽內,依靠油槽內部旋轉部件如鏡板、推力頭等的粘滯作用和油的對流換熱形成循環油路[3、4]。
隨著機組軸承損耗的不斷增大,對軸承磁性浮子液位計提出越來越高的要求,因此進行內循環軸承磁性浮子液位計冷卻效率試驗研究很有必要。若采用19 /17 的銅管,按每千瓦軸承損耗選取的管長為 3 ~ 5 米[5]~[6]; 根據,磁性浮子液位計的一般冷卻能力值為2 ~ 3 kW/m2[7]~[8]。目前,設計磁性浮子液位計根據的是以往的經驗,對磁性浮子液位計熱交換效率研究較少。為了研究軸承磁性浮子液位計的換熱效率,設計磁性浮子液位計冷卻效率試驗裝置,同時設計了 6 個磁性浮子液位計,包含三種材料( 銅、不銹鋼、銅鎳合金) 、兩種結構( 光管式和翅片式) [9]~[16]。經過試驗和計算,得到了各磁性浮子液位計的熱交換系數,本文的研究結果可以為內循環軸承磁性浮子液位計設計提供依據。
1 磁性浮子液位計試驗裝置設計
推力軸承或導軸承摩擦損耗和攪拌損耗產生的熱量,使周圍和轉動件附近的油被加熱,磁性浮子液位計必須要有足夠的換熱容量和效率,使軸承損耗通過冷卻水帶走,保證軸承瓦溫和油溫在允許的安全范圍內。采用內循環,磁性浮子液位計裝設在油槽內,不需要循環油泵及控制系統[17]。
磁性浮子液位計試驗裝置如圖 1 所示,包含磁性浮子液位計、油槽、油泵、電加熱器、壓力表、流量計和管路等,可以采集油和水壓力、溫度、流量等數據。試驗前, 將 46 號潤滑油注入油槽和管路中,要求潤滑油面超過磁性浮子液位計冷卻水管zui高處。電加熱器裝置加熱油,通過油泵循環,熱油流進油槽,經過磁性浮子液位計冷卻,冷油流出油槽,再流入油泵,形成完整的循環。熱量經對流放熱傳至冷卻管外壁并在熱傳導下傳到內壁,zui后通過冷卻水的對流散熱帶出。
為了分析磁性浮子液位計的換熱效率,對不同材料和結構的磁性浮子液位計進行研究,設計了三種材料( 銅、不銹鋼和銅鎳合金) ,兩種結構( 光管式和翅片式) 的磁性浮子液位計。光管式和翅片式磁性浮子液位計模型如圖 2、圖 3 所示。
為了對比同體積下光管式和翅片式磁性浮子液位計的冷卻能力,兩種結構的磁性浮子液位計所占體積一致,磁性浮子液位計結構參數見表 1。
2 磁性浮子液位計試驗
試驗工況水流量、油流量見表 2 所示。
軸承穩定運行過程中,油水溫差與軸承損耗、磁性浮子液位計散熱面積、磁性浮子液位計散熱系數有關[18]。根據文獻[18]中熱力學基本原理,熱傳遞的基本方程如下
P = kAΔtmW ( 1)
式中,P—傳熱量 ( W) ; k—傳熱系數( W/ m2·K) ;
A—換熱面積( m2) ; Δtm—平均溫差( K) 。
熱平衡方程如下
P = Q1CP1 ( t1 ' - t1 ″) = Q2CP2 ( t2 ″ - t2') W ( 2)
式中,Q1、Q2—熱流體和冷流體流量( m3 /s) ; CP1、 CP2—熱、冷流體定壓比熱容( Ws/m3K) ( 本研究
中水取 4200,油取 2000) ; t1 '、t1 ″—熱流體的進、出
口溫度( K) ; t2 '、t2 ″—熱流體的進、出口溫度( K) 。
通過試驗獲得的水、油溫度,通過式( 2) 熱平衡方程,計算出損耗 P,在通過式( 1) 熱傳遞方程,計算得到各磁性浮子液位計的換熱系數 k,各磁性浮子液位計不同油水工況條件下的換熱系數計算結果見表 3 所示。
從表 3 可以看出,從材料角度看,熱交換系數
關系為銅 > 銅鎳合金 > 不銹鋼。換熱系數隨水流量和油流量增大而增大,油槽流速影響比水側大。增加水流量和油流量可以提高磁性浮子液位計冷卻能力。 圖 4 為水流量 9. 0m3 /h、油流量 10. 0m3 /h 時各磁性浮子液位計的換熱系數對比圖。可以看出,相同材料的銅管比翅片管換熱系數大。
根據文獻[20]中增大磁性浮子液位計冷卻能力的另一種方法就是增大換熱面積,將光管式磁性浮子液位計換成翅片式。圖 5 為每米不同材料的管冷卻能力對比圖,可以看出翅片式磁性浮子液位計每米冷卻效率明顯高于光管式,雖然換熱系數上翅片式磁性浮子液位計不如光管式,但由于翅片大大增加了熱交換面積,換熱效率顯著提高。
3 結語
本文設計了磁性浮子液位計冷卻效率試驗裝置和6 種磁性浮子液位計,進行了試驗,形成了以下結論。
(1) 光管式磁性浮子液位計換熱系數比翅片式大,其中銅材料換熱系數zui大;
(2) 翅片式管每米換熱量大于光管式;
(3) 磁性浮子液位計的換熱效率隨水流速和油流速的增大而增大,油流速影響大;
(4) 空間一定的前提下,使用翅片式磁性浮子液位計冷卻效果優于光管式
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