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摘 要：文章提出了适用于减速器的翅片管式换热器的定量计算方法，并通过该算法分析了翅片外径、冷却水流速和翅片节距与换热量之间的关系，对指导换热器的实际生产设计有一定的帮助。
关键词：减速器；翅片管；换热器
中图分类号：TH132.46 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）11-0035-02
现阶段，运用在减速器上的盘状冷却水管冷却装置多数为光管式，翅片管式换热器在部分领域专机上有所运用，比如煤炭领域刮板输送机用减速器，但国内生产该减速器的厂家多数是通过最大尺寸设计来实现最大的换热性能，并没有开展相关的定量计算和定性分析工作。为了了解和掌握该种换热器的传热性能和规律，本文针对我司设计的某减速器上的翅片管式换热器进行了研究。
1 换热原理
减速器上使用的盘状冷却水管式换热器通常设计为内置于减速器形式，且冷却的介质通常为流动水。当润滑油流过带翅片的壁面时，通过翅片表面与未被翅片根部遮盖的基壁进行换热。一般情况下，润滑油传至冷却水的热流量与润滑油放热热流量及冷却水的吸热热流量三者相等。换热器的传热热流量用式（1）表示：
Q=KmΔtmA （1）
式中：Km—平均传热系数，W/（m2K）；
A—总表面积，m2；
Δtm—平均温差，°C。
2 平均温差算法
在各种流体介质的流动形式中，进口、出口温度相同时，逆流的平均温差最大，其他形式均低于逆流的平均温差。因此，在进行设计时，可以考虑相对保守的算法，通过顺流计算方法计算平均温差。
3 确定表面传热系数
根据换热面结构布置及工作条件计算流体流过壁面的质量流速，确定出流体运动过程中的雷诺数Re。由Re值，根据所用壁面的换热特性确定出对应的传热因子，最终求得传热装置表面的传热系数。
①流体在圆形直管内做强制湍流，Re>10 000，0.650，管内传热系数如式（2）所示：
hi=0.023■（■）■p■■（■）■（2）
式中：λ—导热系数，W/（m·k）；
di—基管内径，mm；
u—流体流速，m/s；
ρ—流体密度，kg/m3；
μ—流体黏性系数，pa.s；
Pr—流体普兰特准数；
（■）0.14—考虑流体方向的校正项，被加热时，此项取1.05，被冷却时，取0.95。
dε—翅片管当量直径，mm。
②流体在管外强制对流Re=2×103～106时，通过凯恩（Kern）法如式（3）所示：
ho=0.36Re0.55pr1/3（■）0.14（3）
式中相关参数换为润滑油的物性参数。
③总体平均传热系数Km，如式（4）所示。
Km=■（4）
式中：δ—翅片厚度，mm；
λ—翅片导热系数，W/（m·k）；
ri—管内污垢系数，此数值通常较小，故忽略不计；
ηfo—翅片管的传热效率；
β—翅化比：在光管表面加装翅片后表面积扩大的倍数，为面积的比值。
4 换热量与设计变量之间的关系
结合以上分析，通过我司某型号刮板输送机用减速器上的换热器的应用分析来获得换热量和设计变量之间的关系。由于减速器的最高许用温度为80 °C，在自然冷却条件下，按照我国相关标准，井下环境温度按20 °C进行计算，基于此温度来确定流体相关的物性参数。见表1。
减速器在不加任何冷却装置下，通过效率计算，油温通常在150 °C左右，冷却水出口温度设定40 °C，得出对数平均温度约为82.5 °C。
初步设定翅片管排数和列数均为4，单根管长245 mm，翅片管距44 mm，片厚0.4 mm，翅片采用T2铜材质，翅片导热系数λ=379.5 W/（m·k），基管为钢管φ22×2，两种材质通过高频焊工艺加工而成。润滑油流速9.75 m/s。通过改变翅片外径do、冷却水流速u和翅片间距t来得到与换热量Q的关系。
4.1 翅片外径do与换热量Q之间的关系
基管直径di为定值，翅片外径do为变量，其他参数不变，得出关系图，如1所示。
翅片外径do随着尺寸的增大，换热量升高，加大到一定限度后，换热量相应减少。因此不能无限加大翅片外径，也即翅片管翅化比的提高是有限度。
4.2 冷却水流速u与换热量Q之间的关系
冷却水流速u为变量，其他参数不变，得出关系图，如图2所示。流速u与冷却装置的换热量Q呈递增关系，即增大冷却水的流速对提高换热量有效果。
4.3 翅片节距t与换热量Q之间关系
翅片节距t为变量，其他参数不变，得出关系图，如图3所示。翅片节距t与换热量Q呈递减关系，即在一定范围内减小翅片节距对提高换热量有效果，但工程应用中，还需要考虑杂质和加工工艺等因素，并非翅片间距t无限小越好。
5 结 语
①通过换热学相关理论，对应用于减速器的翅片管式换热器建立一种算法；
②实现对换热器的定量计算和定性分析，寻找出最佳解，实现换热器的实用性、经济性设计，对实际生产具有一定的指导意义。
参考文献：
[1] 余建祖.换热器原理与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[2] 刘雪玲.螺旋翅片管换热器换热性能试验及计算机辅助试验[D].杭州：浙江大学，2003.
[3] 柳梅，罗建华.管束式内循环油冷却器设计与计算[J].水电站机电技术，2015，（6）.
关键词：减速器；翅片管；换热器
中图分类号：TH132.46 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）11-0035-02
现阶段，运用在减速器上的盘状冷却水管冷却装置多数为光管式，翅片管式换热器在部分领域专机上有所运用，比如煤炭领域刮板输送机用减速器，但国内生产该减速器的厂家多数是通过最大尺寸设计来实现最大的换热性能，并没有开展相关的定量计算和定性分析工作。为了了解和掌握该种换热器的传热性能和规律，本文针对我司设计的某减速器上的翅片管式换热器进行了研究。
1 换热原理
减速器上使用的盘状冷却水管式换热器通常设计为内置于减速器形式，且冷却的介质通常为流动水。当润滑油流过带翅片的壁面时，通过翅片表面与未被翅片根部遮盖的基壁进行换热。一般情况下，润滑油传至冷却水的热流量与润滑油放热热流量及冷却水的吸热热流量三者相等。换热器的传热热流量用式（1）表示：
Q=KmΔtmA （1）
式中：Km—平均传热系数，W/（m2K）；
A—总表面积，m2；
Δtm—平均温差，°C。
2 平均温差算法
在各种流体介质的流动形式中，进口、出口温度相同时，逆流的平均温差最大，其他形式均低于逆流的平均温差。因此，在进行设计时，可以考虑相对保守的算法，通过顺流计算方法计算平均温差。
3 确定表面传热系数
根据换热面结构布置及工作条件计算流体流过壁面的质量流速，确定出流体运动过程中的雷诺数Re。由Re值，根据所用壁面的换热特性确定出对应的传热因子，最终求得传热装置表面的传热系数。
①流体在圆形直管内做强制湍流，Re>10 000，0.6
hi=0.023■（■）■p■■（■）■（2）
式中：λ—导热系数，W/（m·k）；
di—基管内径，mm；
u—流体流速，m/s；
ρ—流体密度，kg/m3；
μ—流体黏性系数，pa.s；
Pr—流体普兰特准数；
（■）0.14—考虑流体方向的校正项，被加热时，此项取1.05，被冷却时，取0.95。
dε—翅片管当量直径，mm。
②流体在管外强制对流Re=2×103～106时，通过凯恩（Kern）法如式（3）所示：
ho=0.36Re0.55pr1/3（■）0.14（3）
式中相关参数换为润滑油的物性参数。
③总体平均传热系数Km，如式（4）所示。
Km=■（4）
式中：δ—翅片厚度，mm；
λ—翅片导热系数，W/（m·k）；
ri—管内污垢系数，此数值通常较小，故忽略不计；
ηfo—翅片管的传热效率；
β—翅化比：在光管表面加装翅片后表面积扩大的倍数，为面积的比值。
4 换热量与设计变量之间的关系
结合以上分析，通过我司某型号刮板输送机用减速器上的换热器的应用分析来获得换热量和设计变量之间的关系。由于减速器的最高许用温度为80 °C，在自然冷却条件下，按照我国相关标准，井下环境温度按20 °C进行计算，基于此温度来确定流体相关的物性参数。见表1。
减速器在不加任何冷却装置下，通过效率计算，油温通常在150 °C左右，冷却水出口温度设定40 °C，得出对数平均温度约为82.5 °C。
初步设定翅片管排数和列数均为4，单根管长245 mm，翅片管距44 mm，片厚0.4 mm，翅片采用T2铜材质，翅片导热系数λ=379.5 W/（m·k），基管为钢管φ22×2，两种材质通过高频焊工艺加工而成。润滑油流速9.75 m/s。通过改变翅片外径do、冷却水流速u和翅片间距t来得到与换热量Q的关系。
4.1 翅片外径do与换热量Q之间的关系
基管直径di为定值，翅片外径do为变量，其他参数不变，得出关系图，如1所示。
翅片外径do随着尺寸的增大，换热量升高，加大到一定限度后，换热量相应减少。因此不能无限加大翅片外径，也即翅片管翅化比的提高是有限度。
4.2 冷却水流速u与换热量Q之间的关系
冷却水流速u为变量，其他参数不变，得出关系图，如图2所示。流速u与冷却装置的换热量Q呈递增关系，即增大冷却水的流速对提高换热量有效果。
4.3 翅片节距t与换热量Q之间关系
翅片节距t为变量，其他参数不变，得出关系图，如图3所示。翅片节距t与换热量Q呈递减关系，即在一定范围内减小翅片节距对提高换热量有效果，但工程应用中，还需要考虑杂质和加工工艺等因素，并非翅片间距t无限小越好。
5 结 语
①通过换热学相关理论，对应用于减速器的翅片管式换热器建立一种算法；
②实现对换热器的定量计算和定性分析，寻找出最佳解，实现换热器的实用性、经济性设计，对实际生产具有一定的指导意义。
参考文献：
[1] 余建祖.换热器原理与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[2] 刘雪玲.螺旋翅片管换热器换热性能试验及计算机辅助试验[D].杭州：浙江大学，2003.
[3] 柳梅，罗建华.管束式内循环油冷却器设计与计算[J].水电站机电技术，2015，（6）.