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磁性浮子液位計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?？梢钥闯?，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