整体针翅管混合管束滑油冷却器 强化换热试验研究
牛广林1，阁昌琪，孙中宁，石帅，王错
（1.哈尔滨工程大核能科学与技术学院，黑龙江哈尔满15000]： 2.黑龙江科技学院，黑龙江哈尔美150001）
摘要：对混合管束滑油冷却器和光管滑油冷却器进行对比试验研究，发现当滑油体积流量相同时，前者 单位体积换热量较高，压降较小，换热能力强，综合性能优越，表明在同样换热量条件下可以使冷却器小型化.关健调：冷油器：双演程：整体针题管：混合管束：强化换热
中图分类号：TL172 文藏标识码：A文章编号：0258-0918（2010)02-0155-05
Experimental Research on heat transfer enhancement of lubricating-oil cooler with mixingintegralpin-fin tubesand plain tubes
NIU Guang-lin- YAN Chang-qi' SUN Zhong-ning . SHI shuai? WANG lei
(1. School of Nucleer Scicnce and Technciogy Harbin Engineering University Harbin of Heilongjiang Prov ISoo01 Chinet2. Helomgjing University ol Scienoe and Technology Harbin ef Heilongjiang Prov. 150001 China)
Abstract ; A lot of parison experimental research has been done to the lubricating-oilcooler with mixing integral pin-fin tubes and plain tubes It is discovered that the mixingintegral pin-fin tubes heat transfer capacity in unit volume is higher pressure drop israte is at constant value. The results show the performance of lubricating-oil cooler with lower. and the very strong heat transfer ability than plain tubes when oil volume flowmixing integral pin-fin tubes and plain tubes is superiority. So this can made lubricating-oil cooler miniaturize in the same Heat changing condition.
Key words;oil cooler;double-flow;integral pin-fin tube;tubes mixed bundle; heat trans-fer enhancement
目前滑油冷却器一般采用光管作为换热元备中占用了宝贵的空间资源，因此，必须采取有
件，存在传热效率低、体积大的缺点，在船用设效强化换热措施，提高滑油冷却器的换热效率、
减小体积.
冷却器（简称G）进行对比试验研究，为滑油冷却器的优化和工程应用提供依据.
油冷却器总热阻的80%以上，因此，如果能将 从热阻来看，管外壳程油的热阻一般占滑壳侧的传热系数提高，可获得很好的强化换热效果.对粘性流体的强化传热主要从两个方面考虑，一是考虑破坏其边界层，使其尽早达到素 流状态，成为新流换热.二是采用扩展表面法，提高单位体积的表面积.
1试验装置与试验方法
1.1试验装置
冷却水2个系统组成.滑油在油箱中被加热到 试验装置如图1所示：试验回路由滑油和指定温度后，由油泵输送进人滑油冷却器的壳程，经冷却后回到油箱，重新被加热：水池中冷却水由水泵抽出，进人滑油冷却器的管程，对滑 油冷却后流回水池：
在前期单管选型试验和1号2号3号试验体研究基础上，新开发一种具有工程应用 价值、纵流式混合管束双流程滑油冷却器（简称M），与工程中经常使用的光管弓形折流板滑油
图1试验装置系统流程简图
Fig. 1 Schematic Diagrar of Experirment Facility1-G香油冷却器：2-M试验体：3-可调式温感电加热器：4-油看：5-齿轮消泵：6-腰轮流量计；7-胞装热电偶：5-水银差压计：9-满轮流量计：10-离心水聚：11-蓄水池
1.2试验元件
试验的冷却器利用整体针翅管和光管管间用正方形排布，双流程逆流形式，结构更加紧 自支撑，制或混合管束，减小换热管管间距，采凑，其单元结构如图2所示
整体针翅管参数如图3及表1所示.试验的另一冷却器是工程中常用的光管弓形折流板 滑油冷却器，换热管材料都为B30.它们的主要技术参数如表2所示.
1.3试验方法
试验时选择某一水流量不变，人口油温恒
图2混合管束单元结构图
Fig. 2 Structure of tubes mixed bundle unite
图3整体针翅管结构图
Fig. 3 Structure of integrsl pin-fin tube
Table 1 Parameters of Pin-fin Tube chosen 表1所选用整体针翅管主要参数
主要外那尺寸/m管子名称 基管 针细管 基营 通胞7针他管 外径D 16 直径 D 24 2 2 5
表2滑油冷却器M和G参数
Table 2 Parameters of oil cooler M and G
却器 消冷 换热管数 折流板 数量 长度/mm 换热段 截面积/m² 管流通86（针）M 68（光管） 无 1000 0 018 5G 46（光管） 19 1 988 0 005 2
定在55C左右，以2m²/h间隔调节油流量，调节范围4~18m²/h，试验过程中，通过校核滑油的放热量和冷却水的吸热量之间的热平衡来判断系统是否达到了稳态条件.为此设计了计算机程序，该程序通过检测滑油和冷却水测点 的和流量和温度变化可以方便地判断系统是否达到热平衡，当换热量误差小于5%进行下一个测点.滑油和水的热物性是用实验段进出口的平均温度确定的.
热平衡后测定进出口油温、水温、油流量、水流量、进出口压差等各项参数.温度均由铜、康铜铠装热电偶测量：油侧流动阻力采用水银差压计测量：油流量由腰轮流量计（LL-25）测量.根据测量仅器的产品说明书和校验数据， 量；冷却水流量由涡轮流量计（LWGY-40A）测滑油和冷却水流量测量的不确定度分别是
4%、2%；温差测量的不确定度是±0.5℃.
2试验数据处理
单位体积换热量Q.采用下列公式计算：
式中：Q，总换热量，kJ：V.滑油冷却器换热段上 下管板间壳体积，m.
总传热系数采用以下公式计算：
=A壁面因包有绝热材料散热忽略不计，总换热量Q取油侧换热量Q..
算，为此，换热面积A按照基管的表面积进行 由于针翅管外形复杂、实际表面积难以计计算（G：4.6m²；M：7.6m²），这样可以统一各滑油冷却器换热面积计算标准，有利于各滑油冷却器之间进行比较.其中未计算的针翅面积带来换热量的提高看作是传热系数提高引起 的.换热温差采用对数平均湿差进行计算.
式中：V，润滑油体积流量，m/h：%Pa，人口、出口温度下润滑油的密度，kg/m²、4、为润滑油在进口处和出口处的定压比热，kJ/的湿度，Ct、.为冷却水在进口处和出口 （kg℃）；、f，为润滑油在进口处和出口处处的温度.C.
下标“o"代表油侧（oil）或壳侧，“1"、“2"分别代表“进口”和”出口”.
3 试验结果分析
在滑油冷却器研究中，经常将试验数据处理成无因次数形式，一般以雷诺数作为变量，比较传热及阻力特性.但是以本试验中光管折流板滑油冷却器G为例，将换热管外径作为特征 尺寸的Donohue法和将水力直径作为特征尺寸Kern法则，前者计算的雷诺数是后者的2倍.此外，如果作比较的换热器同为横流式或纵流式结构，采用统一的数据处理方法，得出的 结论比较可信，然而G是横流式，M是纵流式，因此若采用Re作为横坐标进行对比，无法
得到统一的结论，而且，采用折流板后，针翅各定，很难建立传热系数和雷诺数之间的关系.
在滑油冷却器可变的运行参数中，滑油流量是影响总换热量的重要参数，因此采用质量流量为横坐标比较滑油冷却器各项性能，可直接为工程技术人员优化滑油冷却器的结构及 运行提供依据.
3.1单位体积换热和滑油流量关系
在冷却水人口平均湿度为24C，流量为16m²/h时，图4给出M滑油冷却器与G试验 体的单位体积换热量Q.的对比.
图4单位体积换热量和滑油体积流量关系曲线Fig. 4Correlations between Oil volume Flow Rateand the Heat
可以看出，M单位体积换热量明显大于G，随着油流量的增加，M换热量几乎直线上升，而G趋于平缓，上升趋势不明显，在油流量 为4.5~17m²/h试验范围内时，M与G单位体积换热量之比大在1.46~1.56之间，反映出M具有体积小、传热效率高的特点，其原因传热效果显著，提高了单位体积换热能力.
3.2总换热系数和滑油流量关系
图5为M与G总换热系数k的对比，从图中看出，小流量时，M对G并没有表现出明显优势，油流量大于9.8m/h时，M的总换热系 数高于G，说明大流量时，M的换热系数强于G.原因首先是M的流通横截面积是G的
3.56倍，流速不到G的30%.其次M的传热部分流速难于计算，壳流道定性尺寸很难确面积是针翅管和光管之和，比率高达40%的光 管面积被视为与针翅管基管面积同等性质面计人总的传热面积中.尽管小流量时M的总换热系数比G的总换热系数并没有明显提高，但由于M滑油冷却器结构紧凑，在相同的体积 里，M传热面积是G的1.8倍，所以相比于G，M的换热能力优势是非常明显的.而且随着流量增加总换热系数M超过G，说明在较大流量下，油的扰动更强，M有更强的换热能力，
图5总传热系数和指淮体积流量关系由线Fig. 5 Correlations between Oil volume Flow Rate snd the Heat Transfer Coefficient
3.3壳侧压降和滑油流量关系
显示：M的壳侧压降明显小于G，井且随油流 图6是M与G壳侧压降△P的比较，结果量的增加，M的压降增长速度相对G的压降增长速度较为缓慢.说明在同样流量的条件下，M流动阻力较小在油流量为17m²/h时，M压 降仅仅是G的0.52倍.
3.4综合性能
单位体积换热量与壳侧压降比值Q./△P主要是M管束布置紧奏，所采用的针翅管强化是冷却器的综合性能指标，图7给出M与G的 Q./△P的曲线，可以看出M的Q./△P远高于G.在油流量为4.5m²/h时，M是G的1.36倍，在油流量为17m²/h时是3.14倍.
4结论
（）是单位体积换热量大，在试验范围内是光管的
1.5倍左右，即在相同的换热量下，所需换热段 体积较小，可减少33.3%，使滑油冷却器进一步实现小型化.
（2）整体针翅管滑油冷却器另一显著特点滑油冷却器壳侧压降仅仅是G的0.52倍，压 是压降相对较小.在油流量为17m²/h时，M降小，消耗聚功少，是高效节能的换热器，
（3）滑油在管束间纵向流动，增加了有效换热温差，由于不采用任何附加管间支撑，制造，安装将更加方便快捷，适合工程应用.
（4）整体针翅管滑油冷却器的突出特点是综合性能指标Q./△P比较高，随着流量的增加，优势更加明显，值得大力推广应用.
图6壳侧压降和滑油体积流量关系曲线
Fig s Correlations between Oil volume Flow Rate and Pressure Drop
参考文献：
[1]会高敏，募业彬，几种换热管强化传热性能实验分析与[2]丁储，阁品琪，挥红建，等，整体针组管强化传热实验研 比较[J].流体机械，2003 31(6）：7-10 究[J]，核动力工程，2005 5（26);452-455 [3] 民品琪，候山高，曹夏昕，滑注冷却器强化换热实验研究 [J].核动力工程.2008 29(2)16-19.[4]周昌琪，候山高，曹夏新，滑浩冷却基强化换热实验要究 [J].核动力工程.2008.29(2)16-19 [5] Bergles A E. EXHFT for Fourth Generstion HeatTransfer Technology [J. Experimemtal Thbermal and Fluid Sciemee 2002 26(2-4 ) 335-344.
图？单位体积换热量与壳例压降比值和滑油流量曲线图Fig. 7Correlations between Oil volume Flow Rateand ratio of the Heat from Pressure Drop
