一種滑油冷卻器效率的測試系統及其測試方法與流程
2023-07-22 01:12:06
本發明涉及一種油冷卻器設備領域，特別是涉及一種滑油冷卻器效率的測試系統及其測試方法。
背景技術：
：液壓系統和潤滑系統是各種機械設備上的重要組成部分。液壓系統在工作的時候需要持續的保持較高壓力狀態，會產生大量的熱量，在長時間工作後機械中的油溫會快速升高，如果不能及時的將其熱量散發出來，會導致機械中油的粘度會隨著油溫升高而變低，油壓也會達不到機器正常的工作狀態，甚至會造成機械系統內的主要密封元件破損，構成機械的安全隱患，為保證機組能夠在安全穩定的狀態下運行，必須把油溫控制在規定的範圍內，潤滑系統的油溫升高主要原因雖然和液壓系統不完全相同，但是，同樣需要把油溫控制在規定的範圍內，滑油冷卻器是液壓系統和潤滑系統中普遍使用的一種滑油冷卻設備，利用該設備可使具有一定溫差的兩種流體介質實現熱交換，從而達到降低油溫、保證系統正常運行的目的，所以滑油冷卻器的工作效率至關重要。現有技術中，滑油冷卻器多採用理論計算數值，特別是滑油冷卻器的關鍵部件—換熱管的生產製造多採用銅管外纏繞銅翅片加內部擾流片，由於傳熱係數不高，多是通過增加換熱面積、增加流程和增大空氣流量達到換熱要求，增加流程導致流動阻力會造成產品偏大，無法滿足滑油系統對阻力的要求。如果保證滑油冷卻器的阻力和換熱效果滿足滑油系統的要求，則需要增加換熱管數量和管內徑，降低管內介質流速，帶來的問題是滑油冷卻器外形尺寸龐大，無法滿足現場要求。技術實現要素：本發明的目的是一種滑油冷卻器效率的測試系統及測試方法，採用計算機仿真計算，對不同形式的換熱管內部翅片結構進行計算，找出了換熱效果最好的翅片結構形式，根據仿真計算結果確定設計方案，並搭建試驗平臺製造樣機進行試驗驗證，最終完成產品設計，保證了產品換熱管內翅片與換熱管內壁面的有效合理的接觸面積同時，提高了產品換熱效果，而且加工成本低，消除理論值與實際值的差距，使滑油冷卻器能夠完全滿足實際使用數值。本發明的目的通過以下技術方案實現的：一種滑油冷卻器效率的測試系統，包括潤滑油迴路和空氣迴路，其中，所述的潤滑油迴路包括油箱、電加熱器、油泵、冷油器、輸入連接管道和輸出連接管道，所述的空氣迴路包括冷卻風機、整流分配段、輸入連接風道和輸出連接風道，所述的油箱內部設有電加熱器，所述的油箱頂部設有排油煙機，所述的油箱側面頂端設有再循環油管，所述的再循環油管與油箱相連通，所述的油箱右側設有油泵，所述的油泵左右兩端設有油泵進口管和油泵出口管，所述的油泵通過左端設置的油泵進口管與油箱相連通，所述的油泵與冷油器之間設有輸入連接管道，所述的輸入連接管道一端與冷油器入口相連接，另一端與再循環油管和油泵出口管通過三通相連接；所述的輸入連接管道上設有過濾器，所述的冷油器出口通過輸出連接管道與油箱相連通，所述的冷油器下方設有整流分配段，所述的整流分配段通過輸入連接風道與冷油器相連接，所述的整流分配段下方設有冷卻風機，所述的冷卻風機通過輸入連接風道與整流分配段相連接，所述的冷油器頂部設有輸出連接風道，所述的輸入連接管道與冷油器之間依次設有過濾器、油側入口溫度計、油側入口壓力表和油側入口流量計，所述的輸出連接管道依次設有油側出口溫度計和油側出口壓力表，所述的輸入連接風道位於整流分配段與冷油器之間，其上依次設有空氣側入口溫度計和空氣側入口壓力表，所述的輸出連接風道上依次設有氣體流量計、空氣側出口壓力表和空氣側出口溫度計。所述的一種滑油冷卻器效率的測試系統，所述的再循環油管、油泵進口管、輸入連接管道位於油側入口壓力表與油側入口流量計之間，輸入連接管道位於油側入口流量計與冷油器之間，輸出連接管道位於冷油器和油側出口溫度計之間均設有截止閥。所述的一種滑油冷卻器效率的測試系統，所述油箱1內部設有液位計。所述的一種滑油冷卻器效率的測試系統，所述輸入連接管道位於過濾器與三通之間和冷卻風機底部入口端均設有流量調節閥。所述的一種滑油冷卻器效率的測試方法，其測試方法的具體實施步驟為：步驟1：試驗臺的搭建：實驗平臺主要分為兩部分：1．1潤滑油迴路（高溫）潤滑油迴路為閉式迴路，潤滑油首先在油箱中通過電加熱器加熱到實驗需要的溫度，然後在油泵的作用下，流入冷油器中，在冷油器換熱管中和管外的空氣進行熱交換後，溫度下降，再經管道流回油箱中，從而完成一個流動循環。1.2，空氣迴路（低溫）空氣迴路為開式系統，環境中的空氣在風機的作用下，流經冷油器換熱管的外端，經過換熱後，由風道引出排入大氣中。步驟2：測點2.1壓力測點冷油器潤滑油進口的壓力以及空氣側進口的壓力2．2溫度測點油箱中潤滑油的溫度、冷油器處潤滑油側進口和出口的溫度，冷油器處空氣側進口和出口的溫度2.3壓差測點冷油器處潤滑油進出口的壓差；冷油器處空氣側進出口的壓差2.4流量測點潤滑油迴路中油的流量；空氣側空氣的流量試驗參數滑油牌號為：ISOVG46滑油流量：240lpm；滑油進口最高溫度：80℃；滑油出口最高溫度：55℃；空氣最高進口溫度：35℃；滑油冷卻器設計壓力為：0.7MPa；壓力損失：＜0.2bar風機噪聲等級：與氣流方向成90°處不超過85dB(A)步驟3：油箱系統3.1油箱油箱初步設計容積為3立方米。主要考慮為後續其他研究可能需要大的儲油箱而設計（但就本次冷油器實驗而言，油箱的容積1立方米即可。）初步設計油箱尺寸為長2米，寬1米，高1.5米。3.2油泵實驗潤滑油最大流量為240lpm，留一定餘量，按照300lpm設計（潤滑油密度為876m3/kg）。油迴路總的壓損：可以推測迴路的最大壓損為0.7MP，留一定餘量（包括考慮以後油泵作為其他實驗等用途），油泵壓頭設計為1MPa。因而油泵最終選型：流量壓頭配套電機的功率：K為電動機容量安全系統，一般為1.15~1.5，本次計算取值1.3電機功率取值為：11kW3．3截止閥油箱出口設一個截止閥，當油泵需要檢修時，可以關閉截止閥，切斷油箱和油泵的連通。3.4管道步驟4：潤滑油迴路系統4.1管道基本尺寸參數管道規格：DN50*34.2管道長度設計4.3流量計選型設計工況的流量為，選擇量程為的流量計。4.4潤滑油迴路主要管道尺寸初步設計步驟5：冷油器設計5.1冷油器結構先做23根換熱管的實驗，可以近似認為是整機的1/5，通過試驗件驗證換熱管的換熱效果，實驗表明換熱管滿足換熱要求的前提下再做整機進行換熱器性能測試。5.2基本尺寸換熱器長度：約1700mm換熱器寬度：約310mm換熱器高度：約300mm步驟6：空氣側迴路6.1基本結構整機試驗時，油溫從80度降為55度，空氣溫度從35度升至55度。整機模型，換熱管一共為120根，本次實驗系統模擬24根，為五分之一。油放出的熱量為：因而空氣吸收的熱量與油放出的熱量相等，可以得到：計算得到風量為：6.2風機選型由上述計算可知，風機的最大風量為7200m3/h。風機壓頭的計算如下：採用CFD模型，建立了一個管翅式結構的換熱器，翅片尺寸如圖，翅片厚度為0.2mm，翅片間距為2mm。在額定風速下，流過換熱器的空氣阻力損失為100Pa。其次考慮到實驗系統中連接的管路等配套管道的壓力損失，初步估算為100Pa。其次再留有20%的餘量，可以計算得到需要的總的壓頭為240Pa。因而風機最終選型：流量壓頭配套電機的功率：K為電動機容量安全系統，一般為1.15~1.5，本次計算取值1.3因而，電機功率取值為：0.8kW。考慮到可能會做一些超額定工況的實驗，因此選擇風機的時候可以選擇一個大一點的風機。可以選擇軸流式風機，風機風量9336m3/h，壓頭483Pa，功率1.5kW。（配一個變頻器，調節轉速和風量）6.3空氣側管道尺寸待風機型號確定後,根據風機出口尺寸和試驗段石村，加工相應的方形的通風管道。步驟7：主要測量儀表7.1主要測量參數實驗過程中，需要測量油箱中油的溫度，油迴路油的流量，冷油器中油側進出口溫度以及壓損。空氣側：需要測量空氣的流量，冷卻器空氣側進出口的溫度和壓損。步驟8，換熱計算分析測試發現，內部翅片採用銅結構，紫銅換熱性能最好。三種翅片結構的計算結果比較接近，採用打斷的肋片，流動擾動可以增加，但是換熱面積會變小，採用通肋，流動擾動不會增強，但是可以增大換熱面積。因此，可以在加工允許的條件下，選擇幾種結構中的一種即可。在綜合考慮三種翅片的換熱效果及優缺點後，通過進一步的優化，內翅片的結構最終定型為如下結構：由於管內為層流換熱，一般地，對於光滑圓管層流，管內換熱對於的Nu數為3.66（等壁溫）或者4.36（等熱流），因而可以得到管內換熱係數在層流狀態下基本為常數，通過採用強化換熱的措施，管內換熱係數將增大，由於流體仍然處於層流狀態，認為管內的換熱係數為某一個定值。管外為空氣外流管束換熱，在維持風速不變的前提下，其換熱係數也近似不變。因此，確定不同功率產品時，可以近似認為本發明中冷油器的傳熱係數K近似相等，不同功率的產品可以通過改變換熱管的換熱面積來確定。本發明的有益效果：本發明通過管路中設置的多個溫度計、壓力表和流量計，可充分監測各環節的數據並記錄，通過分析計算數據得出滑油冷卻器的實際工作效率，避免了因實際效率和理論效率存在差值而導致其他設備運行存在安全隱患和效率降低的問題，利用空氣溫升冷卻，節約寶貴的水資源；空氣可隨意取得，選址不受限制；空氣腐蝕性小，設備使用壽命長，結構緊湊，測試方法準，適合應用於對空間限制比較嚴格的場合，比如海上平臺等。附圖說明：圖1是本發明一種用於滑油冷卻器效率的測試系統。圖中，1-油箱、2-電加熱器、3-油泵、4-冷油器、5-輸入連接管道、6-輸出連接管道、7-冷卻風機、8-整流分配段、9-輸入連接風道、10-輸出連接風道、11-排油煙機、12-再循環油管、13-油泵進口管、14-油泵出口管、15-三通、16-過濾器、17-油側入口溫度計、18-油側入口壓力表、19-油側入口流量計、20-油側出口溫度計、21-油側出口壓力表、22-空氣側入口溫度計、23-空氣側入口壓力表、24-氣體流量計、25-空氣側出口壓力表、26-空氣側出口溫度計、27-截止閥、28-液位計、29-流量調節閥。具體實施方式下面結合附圖通過具體實施例對本發明作進一步詳細說明：實施例1一種滑油冷卻器效率的測試系統，包括潤滑油迴路和空氣迴路，其中，所述的潤滑油迴路包括油箱1、電加熱器2、油泵3、冷油器4、輸入連接管道5和輸出連接管道6，所述的空氣迴路包括冷卻風機7、整流分配段8、輸入連接風道9和輸出連接風道10，所述的油箱1內部設有電加熱器2，所述的油箱1頂部設有排油煙機11，所述的油箱1側面頂端設有再循環油管12，所述的再循環油管12與油箱1相連通，所述的油箱1右側設有油泵3，所述的油泵3左右兩端設有油泵進口管13和油泵出口管14，所述的油泵3通過左端設置的油泵進口管13與油箱1相連通，所述的油泵3與冷油器4之間設有輸入連接管道5，所述的輸入連接管道5一端與冷油器4入口相連接，另一端與再循環油管12和油泵出口管14通過三通15相連接；所述的輸入連接管道5上設有過濾器16，所述的冷油器4出口通過輸出連接管道6與油箱1相連通，所述的冷油器4下方設有整流分配段8，所述的整流分配段8通過輸入連接風道9與冷油器4相連接，所述的整流分配段8下方設有冷卻風機7，所述的冷卻風機7通過輸入連接風道9與整流分配段8相連接，所述的冷油器4頂部設有輸出連接風道10，所述的輸入連接管道5與冷油器4之間依次設有過濾器16、油側入口溫度計17、油側入口壓力表18和油側入口流量計19，所述的輸出連接管道6依次設有油側出口溫度計20和油側出口壓力表21，所述的輸入連接風道9位於整流分配段8與冷油器4之間，其上依次設有空氣側入口溫度計22和空氣側入口壓力表23，所述的輸出連接風道10上依次設有氣體流量計24、空氣側出口壓力表25和空氣側出口溫度計26。實施例2所述的再循環油管12、油泵進口管13、輸入連接管道5位於油側入口壓力表18與油側入口流量計19之間，輸入連接管道5位於油側入口流量計19與冷油器4之間，輸出連接管道5位於冷油器4和油側出口溫度計20之間均設有截止閥27。實施例3所述油箱1內部設有液位計28。實施例4所述輸入連接管道5位於過濾器16與三通15之間和冷卻風機7底部入口端均設有流量調節閥29。實施例5油箱1最佳方案的規格為容積3000L實施例6油泵3最佳方案的規格為：流量300L/min，壓力1.0Mpa，對應驅動油泵的電機規格為功率為11KW，變頻範圍5Hz-50Hz，驅動電壓AC380V。實施例7冷油器4最佳方案的規格為：最大功率210KW，入口油溫為85°C、出口油溫為55°C，入口空氣溫度為35°C，出口溫度55°C。實施例8電加熱器2最佳方案的規格為：功率為0.16KW、接入電壓AC220V。實施例9排油煙機11最佳方案的規格為：功率0.37KW、接入電壓AC380V、轉送2800r/min。實施例10工作介質即潤滑油最佳方案的型號為：ISOVG46號汽輪機油。實施例11冷卻風機7最佳方案的規格為：功率30KW、流量600m³/min、壓升2.6KPa。實施例12各測量儀表的最佳方案推薦測量範圍：油側入口溫度計17、油側出口溫度計20、空氣側入口溫度計22和空氣側出口溫度計26：0-100°C，油側入口壓力表18和油側出口壓力表21：0-1MPa，空氣側入口壓力表23和空氣側出口壓力表25：0-0.16MPa，油側入口流量計19：0-20m³/h，氣體流量計24：0-600m³/min，液位計28：0-1M。實施例13所述的一種滑油冷卻器效率及其測試方法，其測試方法的具體實施步驟為：步驟1：試驗臺的搭建：實驗平臺主要分為兩部分：1．1潤滑油迴路（高溫）潤滑油迴路為閉式迴路，潤滑油首先在油箱中通過電加熱器加熱到實驗需要的溫度，然後在油泵的作用下，流入冷油器中，在冷油器換熱管中和管外的空氣進行熱交換後，溫度下降，再經管道流回油箱中，從而完成一個流動循環。1.2空氣迴路（低溫）空氣迴路為開式系統，環境中的空氣在風機的作用下，流經冷油器換熱管的外端，經過換熱後，由風道引出排入大氣中。步驟2：測點2.1壓力測點冷油器潤滑油進口的壓力以及空氣側進口的壓力2．2溫度測點油箱中潤滑油的溫度、冷油器處潤滑油側進口和出口的溫度，冷油器處空氣側進口和出口的溫度2.3壓差測點冷油器處潤滑油進出口的壓差；冷油器處空氣側進出口的壓差2.4流量測點潤滑油迴路中油的流量；空氣側空氣的流量2.5試驗參數滑油牌號為：ISOVG46；滑油流量：240lpm；滑油進口最高溫度：80℃；滑油出口最高溫度：55℃；空氣最高進口溫度：35℃；滑油冷卻器設計壓力為：0.7MPa；壓力損失：＜0.2bar風機噪聲等級：與氣流方向成90°處不超過85dB(A)。步驟3：油箱系統3.1油箱油箱初步設計容積為3立方米。主要考慮為後續其他研究可能需要大的儲油箱而設計；初步設計油箱尺寸為長2米，寬1米，高1.5米。3.2油泵實驗潤滑油最大流量為240lpm，留一定餘量，按照300lpm設計。（潤滑油密度為876m3/kg）；油迴路總的壓損：可以推測迴路的最大壓損為0.7MP，留一定餘量（包括考慮以後油泵作為其他實驗等用途），油泵壓頭設計為1MPa。因而油泵最終選型：流量壓頭配套電機的功率：K為電動機容量安全系統，一般為1.15~1.5，本次計算取值1.3電機功率取值為：11kW3．3截止閥油箱出口設一個截止閥，當油泵需要檢修時，可以關閉截止閥，切斷油箱和油泵的連通。3.4管道步驟4：潤滑油迴路系統4.1管道基本尺寸參數管道規格：DN50*3。4.2管道長度設計4.3流量計選型設計工況的流量為，選擇量程為的流量計。4.4潤滑油迴路主要管道尺寸初步設計步驟5，冷油器設計5.1冷油器結構先做23根換熱管的實驗，可以近似認為是整機的1/5，通過試驗件驗證換熱管的換熱效果，實驗表明換熱管滿足換熱要求的前提下再做整機進行換熱器性能測試。5.2基本尺寸換熱器長度：約1700mm；換熱器寬度：約310mm；換熱器高度：約300mm；步驟6：空氣側迴路6.1基本結構整機試驗時，油溫從80度降為55度，空氣溫度從35度升至55度。整機模型，換熱管一共為120根，本次實驗系統模擬24根，為五分之一。油放出的熱量為：因而空氣吸收的熱量與油放出的熱量相等，可以得到：計算得到風量為：6.2風機選型由上述計算可知，風機的最大風量為7200m3/h。風機壓頭的計算如下：採用CFD模型，建立了一個管翅式結構的換熱器，翅片尺寸如圖，翅片厚度為0.2mm，翅片間距為2mm；在額定風速下，流過換熱器的空氣阻力損失為100P；其次考慮到實驗系統中連接的管路等配套管道的壓力損失，初步估算為100Pa；其次再留有20%的餘量，可以計算得到需要的總的壓頭為240Pa。因而風機最終選型：流量壓頭配套電機的功率：K為電動機容量安全系統，一般為1.15~1.5，本次計算取值1.3因而，電機功率取值為：0.8kW。考慮到可能會做一些超額定工況的實驗，因此選擇風機的時候可以選擇一個大一點的風機。可以選擇軸流式風機，風機風量9336m3/h，壓頭483Pa，功率1.5kW（配一個變頻器，調節轉速和風量）。6.3空氣側管道尺寸待風機型號確定後,根據風機出口尺寸和試驗段石村，加工相應的方形的通風管道。步驟7：主要測量儀表7.1主要測量參數實驗過程中，需要測量油箱中油的溫度，油迴路油的流量，冷油器中油側進出口溫度以及壓損；空氣側：需要測量空氣的流量，冷卻器空氣側進出口的溫度和壓損。7.2測量儀表選型序號名稱規格數目1流量計（油）流量：10m3/h，耐壓：1MPa12流量計（空氣）流量：36000m3/h13溫度計（油）帶數據顯示和模數轉換單元的氣體溫度計，範圍0-100℃24溫度計（空氣）帶數據顯示和模數轉換單元的氣體溫度計，範圍0-100℃25壓力表（油）帶數據顯示和模數轉換單元的氣體壓力表，表壓範圍1MPa16壓力表（空氣）帶數據顯示和模數轉換單元的氣體壓力表，表壓範圍0-6000Pa17壓差計（油）帶數據顯示和模數轉換單元的氣體壓力表，表壓範圍0-50kPa18壓差計（空氣）帶數據顯示和模數轉換單元的氣體壓力表，表壓範圍0-5kPa1步驟8：冷油器產品分析8.1換熱計算分析（1）內部翅片長、短翅片（八針）結構計算結果1）翅片結構圖長翅片：截面尺寸1mm*5mm；中心棒直徑：7mm；翅片間距：5mm；長翅片：截面尺寸1mm*2mm；中心棒直徑：7mm；翅片間距：1mm。2）計算結果長翅片結構：材質為紫銅：進口速度流量平均換熱量m/sLPMkW0.0251.1291.270.05127.80133.010.1255.60161.14額定參數240157.70材質為黃銅：進口速度流量平均換熱量m/sLPMkW0.0251.1286.030.05127.80123.370.1255.60148.32額定參數240145.27材質為碳鋼：進口速度流量平均換熱量m/sLPMkW0.0251.1279.040.05127.80113.740.1255.60134.13額定參數240131.64短翅片結構：材質為紫銅：進口速度流量平均換熱量m/sLPMkW0.0251.1292.150.05127.80133.920.1255.60163.43額定參數240159.82材質為黃銅：進口速度流量平均換熱量m/sLPMkW0.0251.1286.910.05127.80130.250.1255.60158.39額定參數240154.96材質為碳鋼：進口速度流量平均換熱量m/sLPMkW0.0251.1280.350.05127.80115.580.1255.60137.79額定參數240135.08（2）內部翅片通肋結構計算結果3）翅片結構圖4）計算結果材質為紫銅：進口速度流量平均換熱量m/sLPMkW0.0251.1293.460.05127.80136.220.1255.60166.63額定參數240162.92材質為黃銅：進口速度流量平均換熱量m/sLPMkW0.0251.1290.400.05127.80130.250.1255.60158.39額定參數240154.96材質為碳鋼：進口速度流量平均換熱量m/sLPMkW0.0251.1285.600.05127.80122.000.1255.60146.95額定參數240143.90（3）國外產品換熱性能參數SHE公司產品的型號如下：名稱換熱功率額定流量電機功率長寬換熱管根數SHE140kW2403kW17801480120（4）對比分析確定參數對於幾種結構的計算匯總如下：（5）換熱計算分析測試發現：內部翅片採用銅結構，紫銅換熱性能最好。三種翅片結構的計算結果比較接近，採用打斷的肋片，流動擾動可以增加，但是換熱面積會變小，採用通肋，流動擾動不會增強，但是可以增大換熱面積，因此，可以在加工允許的條件下，選擇幾種結構中的一種即可。在綜合考慮三種翅片的換熱效果及優缺點後，通過進一步的優化，內翅片的結構最終定型為如下結構：由於管內為層流換熱，一般地，對於光滑圓管層流，管內換熱對於的Nu數為3.66（等壁溫）或者4.36（等熱流），因而可以得到管內換熱係數在層流狀態下基本為常數，通過採用強化換熱的措施，管內換熱係數將增大，由於流體仍然處於層流狀態，認為管內的換熱係數為某一個定值。管外為空氣外流管束換熱，在維持風速不變的前提下，其換熱係數也近似不變。因此，確定不同功率產品時，可以近似認為本發明中冷油器的傳熱係數K近似相等，不同功率的產品可以通過改變換熱管的換熱面積來確定。以上的僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明創造構思的前提下，還可以做出若干改進和位置變換，這些都屬於本發明的保護範圍。當前第1頁1 2 3