消防泵軸承箱傳熱計(jì)算及控溫措施

摘要：為找到消防泵軸承箱發(fā)熱溫度不一的原因，通過(guò)對(duì)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(duì)泵的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：消防泵 軸承箱 對(duì)流傳熱 共軛熱傳遞(CHT) 容積損失

在大型消防泵運(yùn)行過(guò)程中軸承箱常常發(fā)熱，溫度可達(dá)70ºC以上。溫度過(guò)高將影響潤(rùn)滑劑的性能。試驗(yàn)表明即使同一批產(chǎn)品，箱體最高溫度也有高有低，通過(guò)更換軸承種類(lèi)、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(guò)軸承箱傳熱共軛熱傳遞 (CHT：conjugate heat transfer)數(shù)值計(jì)算找到了導(dǎo)致溫度過(guò)高的主要原因。共軛熱傳遞問(wèn)題可以分成兩個(gè)計(jì)算區(qū)域，充滿(mǎn)流體的區(qū)域和固體區(qū)域。能量流動(dòng)通過(guò)擴(kuò)散過(guò)程在兩個(gè)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(wèn)題，在涉及流體的共軛熱傳遞問(wèn)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



圖1是計(jì)算網(wǎng)格模型，忽略箱體內(nèi)潤(rùn)滑油對(duì)傳熱的影響以及空氣密度差導(dǎo)致傳熱的影響，該問(wèn)題是軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題，因此可以計(jì)算一個(gè)扇形區(qū)域，a、b是軸承安裝位置，線(xiàn)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(duì)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(wèn)題有時(shí)很復(fù)雜，有關(guān)的計(jì)算參數(shù)有一定的近似性。這對(duì)計(jì)算精度有影響，在計(jì)算時(shí)應(yīng)對(duì)這點(diǎn)有充分的認(rèn)識(shí)。在分析計(jì)算結(jié)果時(shí)，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(duì)流換熱是水泵的容積損失產(chǎn)生的強(qiáng)迫對(duì)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(shí)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(duì)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(duì)于比轉(zhuǎn)速ns=76的消防泵，當(dāng)容積效率在90％到98％時(shí)，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(duì)流換熱是自然對(duì)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。考慮消防泵通常安裝在室內(nèi)，空氣流動(dòng)的速度變化不會(huì)很大，因此傳熱系數(shù)的變化不會(huì)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5 W／m2．ºC到25 W／m2·℃的范圍內(nèi)變化。



水對(duì)流傳熱系數(shù)遠(yuǎn)比空氣對(duì)流傳熱系數(shù)大，它是影響傳熱的主導(dǎo)因素，同時(shí)強(qiáng)迫對(duì)流換熱可以由設(shè)計(jì)者控制。因此如圖3所示以水對(duì)流傳熱系數(shù)、平均空氣對(duì)流傳熱系數(shù)這兩個(gè)參數(shù)的變化來(lái)觀察它們對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。圖3所示溫度為軸承箱體的最高溫度，此點(diǎn)通常位于遠(yuǎn)離水泵葉輪的軸承附近。單個(gè)軸承發(fā)熱功率為1000W，環(huán)境溫度為20ºC。可以看出，由于水對(duì)流傳熱系數(shù)的變化范圍比平均空氣對(duì)流傳熱系數(shù)的變化范圍大得多，因此水對(duì)流更能影響軸承箱的最高溫度。



2、有效控溫措施

為了控制溫度可以適當(dāng)降低容積效率，如果最高溫度不大于70ºC，則水對(duì)流傳熱系數(shù)應(yīng)不小于500 w／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。

參考文獻(xiàn)

1俞佐平等．傳熱學(xué)．高等教育出版社，1995

2王振華．實(shí)用軸承手冊(cè)．上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1991