消防泵軸承箱傳熱計算以及控溫措施

    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)尺寸進行了改進。 
    在大型消防泵運行過程中軸承箱常常發(fā)熱，溫度可達70ºC以上。溫度過高將影響潤滑劑的性能。試驗表明即使同一批產(chǎn)品，箱體最高溫度也有高有低，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：conjugate heat transfer)數(shù)值計算找到了導(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。能量流動通過擴散過程在兩個區(qū)域間傳遞。在離散計算方法方面，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雖然計算機的計算分析能力很強，但實際工程問題有時很復(fù)雜，有關(guān)的計算參數(shù)有一定的近似性。這對計算精度有影響，在計算時應(yīng)對這點有充分的認識。在分析計算結(jié)果時，要注意到邊界條件的不確定性所產(chǎn)生的影響。軸承箱傳熱計算中，水對流換熱是水泵的容積損失產(chǎn)生的強迫對流換熱，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。考慮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。 
    水對流傳熱系數(shù)遠比空氣對流傳熱系數(shù)大，它是影響傳熱的主導(dǎo)因素，同時強迫對流換熱可以由設(shè)計者控制。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，此點通常位于遠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，則水對流傳熱系數(shù)應(yīng)不小于500 w／m2·℃，并以此為依據(jù)計算水泵容積效率及相應(yīng)零件尺寸。