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技術(shù)文章
消防泵軸承箱傳熱計(jì)算以及控溫措施
點(diǎn)擊次數(shù)：214 發(fā)布時間：2013-9-29
摘要：為找到消防泵軸承箱發(fā)熱溫度不一的原因，通過對箱體傳熱的共軛熱傳遞（CHT）數(shù)值計(jì)算，得出容積損失是影響泵軸承箱體發(fā)熱程度的主要因素，從而對泵的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了改進(jìn)。
在大型消防泵運(yùn)行過程中軸承箱常常發(fā)熱，溫度可達(dá)70ºC以上。溫度過高將影響潤滑劑的性能。試驗(yàn)表明即使同一批產(chǎn)品，箱體zui高溫度也有高有低，通過更換軸承種類、調(diào)整向心推力軸承安裝間隙也不能控制溫度。因此需要找到溫度不確定的根本原因，并且有效加以控制。通過軸承箱傳熱共軛熱傳遞（CHT：conjugateheattransfer）數(shù)值計(jì)算找到了導(dǎo)致溫度過高的主要原因。共軛熱傳遞問題可以分成兩個計(jì)算區(qū)域，充滿流體的區(qū)域和固體區(qū)域。能量流動通過擴(kuò)散過程在兩個區(qū)域間傳遞。在離散計(jì)算方法方面，有限元法（FEM）非常適用于純粹的固體傳熱問題，在涉及流體的共軛熱傳遞問題中基于有限元的有限體積法（FVM）更為有效。本文采用有限體積法。
1、傳熱計(jì)算結(jié)果分析
忽略箱體內(nèi)潤滑油對傳熱的影響以及空氣密度差導(dǎo)致傳熱的影響，該問題是軸對稱問題，因此可以計(jì)算一個扇形區(qū)域，a、b是軸承安裝位置，線框內(nèi)為水，其余為箱體與軸，箱體、軸與空氣接觸部分為空氣對流傳熱邊界。圖2是計(jì)算結(jié)果，暖色為高溫，冷色為低溫。雖然計(jì)算機(jī)的計(jì)算分析能力很強(qiáng)，但實(shí)際工程問題有時很復(fù)雜，有關(guān)的計(jì)算參數(shù)有一定的近似性。這對計(jì)算精度有影響，在計(jì)算時應(yīng)對這點(diǎn)有充分的認(rèn)識。在分析計(jì)算結(jié)果時，要注意到邊界條件的不確定性所產(chǎn)生的影響。軸承箱傳熱計(jì)算中，水對流換熱是水泵的容積損失產(chǎn)生的強(qiáng)迫對流換熱，它的傳熱系數(shù)與水泵的容積損失相關(guān)聯(lián)，應(yīng)該可以由設(shè)計(jì)控制。但制造加工時的尺寸偏差導(dǎo)致了容積損失的不確定性，也就導(dǎo)致了水對流傳熱系數(shù)的不確定性。計(jì)算表明傳熱系數(shù)的變化范圍很大，對于比轉(zhuǎn)速ns=76的消防泵，當(dāng)容積效率在90%到98%時，與其流量相等價(jià)的傳熱系數(shù)通常在390W／m2·ºC~·1240W／m2·℃范圍內(nèi)變化。空氣對流換熱是自然對流換熱，它的傳熱系數(shù)與水泵所處的環(huán)境相關(guān)，因此也有不確定性?？紤]消防泵通常安裝在室內(nèi)，空氣流動的速度變化不會很大，因此傳熱系數(shù)的變化不會很大。如果風(fēng)速在0m／s~6.4／s范圍內(nèi)變化，按照經(jīng)驗(yàn)公式，空氣平均傳熱系數(shù)在5W／m2.ºC到25W／m2·℃的范圍內(nèi)變化。
水對流傳熱系數(shù)遠(yuǎn)比空氣對流傳熱系數(shù)大，它是影響傳熱的主導(dǎo)因素，同時強(qiáng)迫對流換熱可以由設(shè)計(jì)者控制。因此如圖3所示以水對流傳熱系數(shù)、平均空氣對流傳熱系數(shù)這兩個參數(shù)的變化來觀察它們對計(jì)算結(jié)果的影響。圖3所示溫度為軸承箱體的zui高溫度，此點(diǎn)通常位于遠(yuǎn)離水泵葉輪的軸承附近。單個軸承發(fā)熱功率為1000W，環(huán)境溫度為20ºC。可以看出，由于水對流傳熱系數(shù)的變化范圍比平均空氣對流傳熱系數(shù)的變化范圍大得多，因此水對流更能影響軸承箱的zui高溫度。
2、有效控溫措施
為了控制溫度可以適當(dāng)降低容積效率，如果zui高溫度不大于70ºC，則水對流傳熱系數(shù)應(yīng)不小于500w／m2·℃，并以此為依據(jù)計(jì)算水泵容積效率及相應(yīng)零件尺寸。
在大型消防泵運(yùn)行過程中軸承箱常常發(fā)熱，溫度可達(dá)70ºC以上。溫度過高將影響潤滑劑的性能。試驗(yàn)表明即使同一批產(chǎn)品，箱體zui高溫度也有高有低，通過更換軸承種類、調(diào)整向心推力軸承安裝間隙也不能控制溫度。因此需要找到溫度不確定的根本原因，并且有效加以控制。通過軸承箱傳熱共軛熱傳遞（CHT：conjugateheattransfer）數(shù)值計(jì)算找到了導(dǎo)致溫度過高的主要原因。共軛熱傳遞問題可以分成兩個計(jì)算區(qū)域，充滿流體的區(qū)域和固體區(qū)域。能量流動通過擴(kuò)散過程在兩個區(qū)域間傳遞。在離散計(jì)算方法方面，有限元法（FEM）非常適用于純粹的固體傳熱問題，在涉及流體的共軛熱傳遞問題中基于有限元的有限體積法（FVM）更為有效。本文采用有限體積法。
1、傳熱計(jì)算結(jié)果分析
忽略箱體內(nèi)潤滑油對傳熱的影響以及空氣密度差導(dǎo)致傳熱的影響，該問題是軸對稱問題，因此可以計(jì)算一個扇形區(qū)域，a、b是軸承安裝位置，線框內(nèi)為水，其余為箱體與軸，箱體、軸與空氣接觸部分為空氣對流傳熱邊界。圖2是計(jì)算結(jié)果，暖色為高溫，冷色為低溫。雖然計(jì)算機(jī)的計(jì)算分析能力很強(qiáng)，但實(shí)際工程問題有時很復(fù)雜，有關(guān)的計(jì)算參數(shù)有一定的近似性。這對計(jì)算精度有影響，在計(jì)算時應(yīng)對這點(diǎn)有充分的認(rèn)識。在分析計(jì)算結(jié)果時，要注意到邊界條件的不確定性所產(chǎn)生的影響。軸承箱傳熱計(jì)算中，水對流換熱是水泵的容積損失產(chǎn)生的強(qiáng)迫對流換熱，它的傳熱系數(shù)與水泵的容積損失相關(guān)聯(lián)，應(yīng)該可以由設(shè)計(jì)控制。但制造加工時的尺寸偏差導(dǎo)致了容積損失的不確定性，也就導(dǎo)致了水對流傳熱系數(shù)的不確定性。計(jì)算表明傳熱系數(shù)的變化范圍很大，對于比轉(zhuǎn)速ns=76的消防泵，當(dāng)容積效率在90%到98%時，與其流量相等價(jià)的傳熱系數(shù)通常在390W／m2·ºC~·1240W／m2·℃范圍內(nèi)變化。空氣對流換熱是自然對流換熱，它的傳熱系數(shù)與水泵所處的環(huán)境相關(guān)，因此也有不確定性?？紤]消防泵通常安裝在室內(nèi)，空氣流動的速度變化不會很大，因此傳熱系數(shù)的變化不會很大。如果風(fēng)速在0m／s~6.4／s范圍內(nèi)變化，按照經(jīng)驗(yàn)公式，空氣平均傳熱系數(shù)在5W／m2.ºC到25W／m2·℃的范圍內(nèi)變化。
水對流傳熱系數(shù)遠(yuǎn)比空氣對流傳熱系數(shù)大，它是影響傳熱的主導(dǎo)因素，同時強(qiáng)迫對流換熱可以由設(shè)計(jì)者控制。因此如圖3所示以水對流傳熱系數(shù)、平均空氣對流傳熱系數(shù)這兩個參數(shù)的變化來觀察它們對計(jì)算結(jié)果的影響。圖3所示溫度為軸承箱體的zui高溫度，此點(diǎn)通常位于遠(yuǎn)離水泵葉輪的軸承附近。單個軸承發(fā)熱功率為1000W，環(huán)境溫度為20ºC。可以看出，由于水對流傳熱系數(shù)的變化范圍比平均空氣對流傳熱系數(shù)的變化范圍大得多，因此水對流更能影響軸承箱的zui高溫度。
2、有效控溫措施
為了控制溫度可以適當(dāng)降低容積效率，如果zui高溫度不大于70ºC，則水對流傳熱系數(shù)應(yīng)不小于500w／m2·℃，并以此為依據(jù)計(jì)算水泵容積效率及相應(yīng)零件尺寸。
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