摘 要 為了研究?jī)?nèi)循環(huán)軸承磁性浮子液位計(jì)的熱交換效率，設(shè)計(jì)了磁性浮子液位計(jì)熱交換效率試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)裝置可以采集油和水溫度、流量等參數(shù)。同時(shí)設(shè)計(jì)了三種材料( 銅、不銹鋼和銅鎳合金) 、兩種結(jié)構(gòu)( 光管式和翅片式) 的磁性浮子液位計(jì)，對(duì)磁性浮子液位計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)計(jì)算得到各磁性浮子液位計(jì)的熱交換系數(shù)，研究結(jié)果可以為磁性浮子液位計(jì)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

 

    引言

    循環(huán)冷卻系統(tǒng)是水輪發(fā)電機(jī)重要組成部分，循環(huán)冷卻方式包括內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)冷卻方式兩種［1、2］。內(nèi)循環(huán)冷卻方式是指磁性浮子液位計(jì)和推力軸承安裝在同一油槽內(nèi)，依靠油槽內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部件如鏡板、推力頭等的粘滯作用和油的對(duì)流換熱形成循環(huán)油路［3、4］。

 

    隨著機(jī)組軸承損耗的不斷增大，對(duì)軸承磁性浮子液位計(jì)提出越來(lái)越高的要求，因此進(jìn)行內(nèi)循環(huán)軸承磁性浮子液位計(jì)冷卻效率試驗(yàn)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(zhǎng)為 3 ～ 5 米［5］～［6］; 根據(jù)，磁性浮子液位計(jì)的一般冷卻能力值為2 ～ 3 kW/m2［7］～［8］。目前，設(shè)計(jì)磁性浮子液位計(jì)根據(jù)的是以往的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)磁性浮子液位計(jì)熱交換效率研究較少。為了研究軸承磁性浮子液位計(jì)的換熱效率，設(shè)計(jì)磁性浮子液位計(jì)冷卻效率試驗(yàn)裝置，同時(shí)設(shè)計(jì)了 6 個(gè)磁性浮子液位計(jì)，包含三種材料( 銅、不銹鋼、銅鎳合金) 、兩種結(jié)構(gòu)( 光管式和翅片式) ［9］～［16］。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算，得到了各磁性浮子液位計(jì)的熱交換系數(shù)，本文的研究結(jié)果可以為內(nèi)循環(huán)軸承磁性浮子液位計(jì)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 

 

    1 磁性浮子液位計(jì)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

    推力軸承或?qū)лS承摩擦損耗和攪拌損耗產(chǎn)生的熱量，使周圍和轉(zhuǎn)動(dòng)件附近的油被加熱，磁性浮子液位計(jì)必須要有足夠的換熱容量和效率，使軸承損耗通過(guò)冷卻水帶走，保證軸承瓦溫和油溫在允許的安全范圍內(nèi)。采用內(nèi)循環(huán)，磁性浮子液位計(jì)裝設(shè)在油槽內(nèi)，不需要循環(huán)油泵及控制系統(tǒng)［17］。

 

    磁性浮子液位計(jì)試驗(yàn)裝置如圖 1 所示，包含磁性浮子液位計(jì)、油槽、油泵、電加熱器、壓力表、流量計(jì)和管路等，可以采集油和水壓力、溫度、流量等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)前， 將 46 號(hào)潤(rùn)滑油注入油槽和管路中，要求潤(rùn)滑油面超過(guò)磁性浮子液位計(jì)冷卻水管zui高處。電加熱器裝置加熱油，通過(guò)油泵循環(huán)，熱油流進(jìn)油槽，經(jīng)過(guò)磁性浮子液位計(jì)冷卻，冷油流出油槽，再流入油泵，形成完整的循環(huán)。熱量經(jīng)對(duì)流放熱傳至冷卻管外壁并在熱傳導(dǎo)下傳到內(nèi)壁，zui后通過(guò)冷卻水的對(duì)流散熱帶出。

 

 

 

 

     為了分析磁性浮子液位計(jì)的換熱效率，對(duì)不同材料和結(jié)構(gòu)的磁性浮子液位計(jì)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了三種材料( 銅、不銹鋼和銅鎳合金) ，兩種結(jié)構(gòu)( 光管式和翅片式) 的磁性浮子液位計(jì)。光管式和翅片式磁性浮子液位計(jì)模型如圖 2、圖 3 所示。

 

 

    為了對(duì)比同體積下光管式和翅片式磁性浮子液位計(jì)的冷卻能力，兩種結(jié)構(gòu)的磁性浮子液位計(jì)所占體積一致，磁性浮子液位計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表 1。

 

 

 

    2    磁性浮子液位計(jì)試驗(yàn)

    試驗(yàn)工況水流量、油流量見(jiàn)表 2 所示。

 

 

 

    軸承穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，油水溫差與軸承損耗、磁性浮子液位計(jì)散熱面積、磁性浮子液位計(jì)散熱系數(shù)有關(guān)［18］。根據(jù)文獻(xiàn)［18］中熱力學(xué)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(shù)( 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(jìn)、出

口溫度( K) ; t2 '、t2 ″—熱流體的進(jìn)、出口溫度( K) 。

 

    通過(guò)試驗(yàn)獲得的水、油溫度，通過(guò)式( 2) 熱平衡方程，計(jì)算出損耗 P，在通過(guò)式( 1) 熱傳遞方程，計(jì)算得到各磁性浮子液位計(jì)的換熱系數(shù) k，各磁性浮子液位計(jì)不同油水工況條件下的換熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 3 所示。

 

 

 

    從表 3 可以看出，從材料角度看，熱交換系數(shù)

關(guān)系為銅 ＞ 銅鎳合金 ＞ 不銹鋼。換熱系數(shù)隨水流量和油流量增大而增大，油槽流速影響比水側(cè)大。增加水流量和油流量可以提高磁性浮子液位計(jì)冷卻能力。 圖 4 為水流量 9． 0m3 /h、油流量 10． 0m3 /h 時(shí)各磁性浮子液位計(jì)的換熱系數(shù)對(duì)比圖?？梢钥闯?，相同材料的銅管比翅片管換熱系數(shù)大。 

 

 

 

    根據(jù)文獻(xiàn)［20］中增大磁性浮子液位計(jì)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(jì)換成翅片式。圖 5 為每米不同材料的管冷卻能力對(duì)比圖，可以看出翅片式磁性浮子液位計(jì)每米冷卻效率明顯高于光管式，雖然換熱系數(shù)上翅片式磁性浮子液位計(jì)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(jié)語(yǔ)

     本文設(shè)計(jì)了磁性浮子液位計(jì)冷卻效率試驗(yàn)裝置和6 種磁性浮子液位計(jì)，進(jìn)行了試驗(yàn)，形成了以下結(jié)論。 

     (1) 光管式磁性浮子液位計(jì)換熱系數(shù)比翅片式大，其中銅材料換熱系數(shù)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(jì)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(jì)冷卻效果優(yōu)于光管式