（机械电子工程专业论文）多尘环境下液压系统用冷凝器及螺旋旋风分离器特性研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 冷却器作为一种重要的液压辅件，在液压系统正常工作过程中具有重要作 用。由于风冷式冷却器与冷媒式冷却器相比，其冷却效果差，无法彻底解决液 压系统油温过高的问题。因此，有必要对适应于工程机械的冷媒式冷却器及其 相关组成部件进行研究。本文所研究的冷凝器及螺旋旋风分离器是为在多尘环 境下工作的工程机械液压系统所用冷媒式冷却器的研发打下基础。因此，分析 粉尘在冷凝器换热表面的沉积机理，采用合理的除尘方式降低气流中的含尘量 对冷媒式冷却器的正常工作具有重要意义。 本文以某一应用对象的液压系统为例，根据计算所得散热功率对翅片管冷 凝器的结构进行了设计计算。结合港口的大气环境，分析了港口环境对冷凝器 换热效果所产生的影响。通过分析对比，本文选择螺旋旋风分离器作为多尘环 境下冷媒式冷却器的除尘装置，并利用计算流体力学( c f d ) 分析方法，对分离 器进行了数值模拟仿真。选择基于各向异性的r s m 模型对螺旋旋风分离器内的 三维强旋流动进行了模拟，通过仿真得出了分离器内的速度特性、压力特性及 湍流特性，从而揭示了螺旋旋风分离器内的流动状态和能量损失。采用d p m 模 型对分离器内的气固两相流动进行了模拟，得出了分离器的分级效率，并利用 相间耦合的随机轨道模型对颗粒的轨迹进行了跟踪。在改变操作参数及结构参 数的基础上，分析了不同风速、螺旋圈数及锥体高度时的分离特性。为分离器 的结构优化提供了依据。 利用计算得出的翅片管冷凝器结构参数，建立了翅片管的传热模型。通过 数值模拟分析了翅片的对流耦合换热，并得出了翅片换热性能与风速的对应关 系。本文对污垢的类别进行了阐述，建立了颗粒污垢的沉积模型，揭示了粉尘 颗粒在换热表面的沉积机理，并综合分析了影响粉尘沉积的主要因素。此外， 通过数值模拟得出了在不同污垢厚度下翅片管冷凝器的换热特性。结果表明， 污垢的增加将导致迎面风速降低，流动阻力增加。与洁净换热表面相比，当污 垢厚度达到0 2 5 r a m 时，翅片管的换热量下降了1 6 。 关键词：冷凝器，螺旋旋风分离器，换热特性，污垢特性，数值模拟 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n th y d r a u l i ca c c e s s o r y , t h ec o o l e rh a sa ni m p o r t a n tr o l ed u r i n g n o r m a lo p e r a t i o no ft h eh y d r a u l i cs y s t e m c o m p a r e dw i t hr e f r i g e r a n tc o o l e r , t h e a i r - c o o l e dc o o l e rh a sp o o rc o o l i n ge f f e c ta n dt h eo v e r h e a tp r o b l e mo fh y d r a u l i co i l c a n tb es o l v e dc o m p l e t e l y s o ，a sf o rt h er e f r i g e r a n tc o o l e ru s e di nc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y , i t sn e c e s s a r yt or e s e a r c ho nt h ec o o l e ra n di t sc o m p o n e n tp a r t s t h e c o n d e n s e ra n ds p i r a lc y c l o n es e p a r a t o rs t u d i e di nt h i sp a p e rc a nl a yt h ef o u n d a t i o nf o r t h ed e v e l o p m e n to ft h er e f r i g e r a n tc o o l e r , w h i c hw i l lb eu s e df o rt h eh y d r a u l i cs y s t e m o ft h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ya d a p t e dt od u s t ye n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，f o rt h e n o r m a lw o r ko fr e f d g e r a n tc o o l e r , i t ss i g n i f i c a n tt oa n a l y z et h ed u s td e p o s i t i o n m e c h a n i s mo nt h eh e a tt r a n s f e ra n ds e l e c tar e a s o n a b l em e t h o dt or e d u c et h ec o n t e n t o fd u s ti nt h ea i rf l o w i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h eh y d r a u l i cs y s t e mo fa na p p l i c a t i o no b j e c t ，t h ed e s i g n c a l c u l a t i o no ft h ef m n e dt u b ec o n d e n s e ri sc o m p l e t e da c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t e dh e a t d i s s i p a t i o np o w e r c o m b i n e dw i t ht h ea t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n to ft h ep o r t , t h e i m p a c to fp o r te n v i r o n m e n to nh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo f t h ec o n d e n s e ri sa n a l y z e d o nt h eb a s i so fc o m p a r i s o n , t h es p i r a lc y c l o n es e p a r a t o ri ss e l e c t e da st h ed u s t r e m o v a ld e v i c eo ft h er e f r i g e r a n tc o o l e ru s e di nd u s t ye n v i r o n m e n t , a n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o no nt h es e p a r a t o ri sc o m p l e t e db yt h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) a n a l y s i sm e t h o d t h et h r e e - d i m e n s i o n a ls t r o n g l ys w i r l i n gf l o wi nt h es e p a r a t o ri s s i m u l a t e db a s e do nt h en o n i s o t r o p i cr s mm o d e l ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs p e e d , p r e s s u r ea n dt u r b u l e n c e ，w h i c hc a nr e v e a lt h ef l o ws t a t ea n de n e r g yl o s si n s i d et h e s p i r a lc y c l o n es e p a r a t o r , h a v ea l s ob e e no b t a i n e db ys i m u l a t i o n t h eg a s s o l i d t w o - p h a s ef l o w i n s i d et h e s e p a r a t o r i ss i m u l a t e db a s e do nd p mm o d e l ，t h e c l a s s i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo ft h es e p a r a t o ri so b t a i n e da n dt h ep a t h so fp a r t i c l e sa r e t r a c k e dw i t ht h ec o u p l i n gd i s c r e t er a n d o mw a l km o d e l o nt h eb a s i so fc h a n g i n gt h e o p e r a t i o na n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，t h es e p a r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa a n a l y z e dw h e n t h ew i n ds p e e d , t h en u m b e ro fs p i r a lc i r c l ea n dt h eh e i g h to fc o n ea r ed i f f e r e n t t h e s e c a l lp r o v i d eb a s i sf o r t h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no ft h es e p a r a t o r b a s e do nt h ec a l c u l a t e dp a r a m e t e r so ft h ef i n n e dt u b ec o n d e n s e r , t h eh e a t 武汉理工大学硕士学位论文 t r a n s f e rm o d e lo ft h ef i n n e dm b ei sb u i l t n ec o u p l e dh e a tt r a n s f e ro ff i n si sa n a l y z e d b ys i m u l a t i o n , a n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e nt h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e a n d w i n ds p e e di so b t a i n e d n es p e c i e so ff o u l i n ga r cd e s c r i b e di nt h i sp a p e r , a n dt h e d e p o s i t i o nm o d e lo fp a r t i c l ef o u l i n gi sb u i l t , a tl a s t , t h em e c h a n i s mo fp a r t i c l e d e p o s i t i o no nt h eh e a te x c h a n g e rs u r f a c ei sr e v e a l e da n dt h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c t t h ep a r t i c l ed e p o s i t i o na r ea n a l y z e d i na d d i t i o n , t h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e so ft h e f i n n e dt u b ec o n d e n s e rw i t hd i f f e r e n tf o u l i n gt h i c k n e s sa r eo b t a i n e db ys i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n c r e a s eo ft h ef o u l i n gw i l ll e a dt ol o w e rw i n ds p e e da n d h i g h e rf l o wr e s i s t a n c e c o m p a r e dw i t ht h ec l e a nh e a tt r a n s f e rs u r f a c e ，t h eh e a t t r a n s f e rr a t eo ft h ef i n n e dt u _ b eh a sd e c r e a s e db v16 w h e nt h et h i c k n e s so ff o u l i n g r e a c h e st o0 2 5 r a m k e yw o r d s ：c o n d e n s e r , s p i r a lc y c l o n e s e p a r a t o r , h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e ， f o u l i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第1 章绪论 工程机械作为我国装备工业的重要组成部分，广泛应用于国防建设、交通 运输、能源工业、矿山开发、农林水利建设及民用建筑等诸多领域。工程机械 主要由液压系统驱动，液压油是液压系统的工作介质，在液压系统中起传递动 力、润滑及冷却等重要作用。液压系统的功率损失，几乎全部转变为热量，这 些热量大部分被液压油吸收，导致系统的温度升古【1 1 。 液压油温的升高不仅会降低油液的粘度，破坏元件润滑部位的油膜，增加 液压系统的泄漏量，还会加速密封材料的老化并引起气蚀等现象，导致液压系 统的工作效率及其使用寿命降低。因此，严格限制液压系统的工作温度范围显 得极为重要。工程机械所用液压油的工作温度范围一般推荐为( 3 0 6 5 ) ，因为 此时油液的粘度、润滑性和耐磨性均处于最佳状态，系统传动效率最高。当液压 油温度超过极限工作温度范围( 7 0 ( 2 - - 8 0 ( 2 ) 时，系统工作效率将会严重下降【2 引。 目前，常用的液压油冷却器主要有水冷式、风冷式和冷媒式三种 4 1 。水冷式 冷却器以水作为冷却介质，具有结构简单、冷却效果好、传热效率高等特点。 按结构型式划分，水冷式冷却器主要有多管式、翅片管式、滚牙管式、翅片板 式等。风冷式冷却器以空气作为冷却介质，利用风机强制吹( 吸) 风进行冷却， 其热交换组件主要有管翅式和板翅式。风冷式冷却器的冷却效果较水冷式差， 但由于结构简单、价格低廉、安装使用方便( 不需要水源) 等特点而被广泛应 用于工程机械中的液压系统。冷媒式冷却器利用冷媒介质在压缩机内做绝热压 缩，以冷凝器散热，蒸发器吸热的原理，带走液压油的热量，使液压油得到冷 却。这种方法冷却效果明显，但成本较高，常用于精密机械( 如数控机床等) 等设备中的液压系统。 我国从日本三井精机株式会社引进的h r 5 b 和h r 7 a 加工中心上使用的一种 冷媒式冷却装置的原理如图1 1 所示。该冷却装置以r 2 2 ( 即二氟一氯甲烷) 作为 冷媒介质，其优点为：1 ) 冷却性能可靠；2 ) 能对室温及机床体温度的变化作 出反应并进行控制；3 ) 不需使用冷却水；4 ) 操作简便1 5 j 。 虽然冷媒式冷却器在精密设备上得到了一定地应用，但由于工程机械所处 武汉理工大学硕士学位论文 的环境较为恶劣( 高温、多尘环境等) ，使得这些研究成果无法直接应用于工程 机械设备上。因此，适用于特殊环境条件下的特种制冷设备越来越多的被人们 所关注，很多学者对其进行了深入研究。随着特种制冷装置研究地深入，将冷 媒式冷却器应用于恶劣环境下工程机械液压系统的冷却将成为可能。对于工程 机械液压系统的冷却问题，首要解决的课题就是冷媒式冷却器的除尘和抗震。 以本文研究的某5 0 型装载机为例，因其长期工作于粉尘浓度较高的环境，换热 器( 特别是冷凝器) 随着使用时间的持续会逐渐积灰，势必影响到换热器的散热 效果。因此，掌握粉尘在散热器表面的粘附机理，并选择合适的除尘装置以降 低气流中的粉尘在冷凝器表面的积聚具有重要的现实意义和应用价值。 图1 1 冷媒式冷却装置原理图 1 油温热敏电阻；2 - 室温热敏电阻；3 温差调节器：禾风机：5 油泵：6 - 溢流阀： 7 软管；8 一蒸发器：9 低压表接头；1 0 蓄能器；1 1 电机；1 2 压缩机；1 3 高压 压力继电器；1 4 高压表接头；1 5 冷凝器；1 6 干燥过滤器；1 7 膨胀阀 1 2 技术方案的拟定 冷凝器是蒸气压缩式制冷系统的主要换热组件之一，高温高压制冷蒸气通 过其与冷却介质发生热量交换而使自身得到冷凝。根据冷却介质和冷却方式的 不同，冷凝器可分为水冷、风冷和蒸发式三种类型。本文着重介绍应用最为广 泛的风冷式冷凝器。 风冷式冷凝器以空气为冷却介质，根据空气的流动状况可分为自然对流式 2 武汉理工大学硕士学位论文 和强制对流式。由于光管的对流传热系数较低，故通常在盘管外侧以增加翅片 的方式增大空气侧的传热面积，翅片管通常采用铜管铝片式。在风机的驱动下， 当迎面风速为2 - - 3 m s 时，其传热系数约为2 4 - - - 2 8 w ( m 2 酗 6 1 。目前，由于水 源紧张，而空气又易造成蒸发式冷凝器腐蚀。因此，与水冷式及蒸发式冷凝器 相比，风冷式冷凝器受到了更广泛地关注。对于移动式制冷机组及缺水地区的 中型氟利昂制冷系统，风冷式冷凝器已得到了应用。 本文所研究的冷凝装置拟应用于移动式工程机械液压系统中。由于工程机 械的自身特点，无法利用冷却水进行冷却，因此，本文选择结构轻巧、安装灵 活的翅片管式冷凝器作为换热组件，并以风机进行强制对流冷却。 灰尘在冷凝器表面的沉积会对冷凝器的正常工作产生极大的负面影响，因 此，对于流经冷凝器的空气介质要先进行除尘操作。目前常用的除尘方式有重 力除尘、惯性除尘、旋风除尘、湿式除尘和电除尘等。 旋风分离器利用旋转产生的离心力将粉尘从含尘气流中分离出来，对于 ( 5 1 0 ) l a i n 以上的粉尘具有较高的分离效率，因而被广泛地应用于石油、化 工、冶金、建筑及矿山等工业领域。与其它除尘装置比较，旋风分离器具有以 下特点忉。 1 ) 结构简单，自身无运动部件，占地面积小，制造安装成本低； 2 ) 操作维护简单，压力损失中等，运转维护费用低； 3 ) 性能稳定，不受气流含尘浓度及温度的限制。 1 9 9 2 年崔亚伟等【8 j 提出了多层式旋风分离器( 螺旋旋风分离器) 的结构型 式并对其进行了理论研究。潘效刚9 j 经过研究发现，相较于传统的旋风分离器， 螺旋旋风分离器具有流动阻力低、分离效率高、高径比小、结构紧凑及成本低 等明显优势。各种旋风分离器的性能比较如表1 1 所示。 表1 1 四种旋风分离器的性能比较 进口风速风量压力损失分离效率高度体积 型号 t , ( n g s )q ( m 3 h )a p 0 a )叩( )月【衄)v ( m 3 ) c l p a - 3 o ( 旁路式) 1 28 3 05 8 98 5 9 01 3 1 0o 3 9 c l g - 9 1 5 ( 多管式) 8 51 9 1 06 1 89 51 3 5 21 0 8 c l k - 2 5 ( 扩散式) 1 27 1 51 2 7 0 - - - 1 5 7 09 0 - - 9 92 0 3 90 5 l 螺旋式 1 2 1 83 7 0 - - 9 7 01 0 0 , - 4 0 0灿54 3 4o 0 3 综上所述，本文选取性能优良的螺旋旋风分离器作为翅片管冷凝器的除尘 装置，对降低粉尘颗粒对翅片管冷凝器的影响具有明显优势。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 国内外发展现状 1 3 1 换热器的研究现状 换热器是一种重要的液压辅件，在工程机械液压系统中获得了广泛应用。 虽然换热器的类型较多，但如何强化换热器的传热一直是当前的研究方向与热 点内容。强化传热主要有两种途径，一是增大传热面积，二是提高传热系数。 由于换热器的面积不能无限制地增大，因而研究者们就如何提高换热器的传热 系数做了很多有意义的研究。此外，换热器的污垢问题也逐渐受到众多研究者 的关注。 当前，对换热器的研究主要包括实验研究与数值模拟。m u l e y 和m a n g l i k 1 0 】 对多种型式的板式换热器进行了实验研究，得到了一系列传热及流动阻力的综 合关系式。b p r a b h a k a r ar a o 等人【l l 】对板式换热器中的流动不均匀性进行了研究。 通过在实验中考虑非均匀流动的分布因素，建立了更为准确的传热与流动阻力 公式，其计算结果与实验较为吻合。l o z z ag i o v a n n i 等【1 2 j 通过l u v ec o n t a r d o 实 验台对不同翅片结构换热器的换热能力进行了研究。实验结果表明，翅片的类 型对换热性能有较大影响。相对于其它形式的翅片，百叶窗式翅片的换热性能 最好。张建成等【1 3 】对流体绕流单管和直翅片管进行了研究，定性分析了流速变 化对积灰地影响，并通过实验模拟高含尘气流绕流直翅片管束，提出了建议选 用的流速范围，使其具有较好的自吹灰效应；此外，还给出了实验条件下计算 阻力压降的经验公式。丁国良等【1 4 】通过对4 种不同污垢程度的管翅式换热器进 行了对比试验，分析比较了不同微生物污垢面积的换热器与清洁换热器在不同 雷诺数下的换热和压降特性。 张薇【1 5 】通过数值模拟的方法对三种典型换热单元进行了模拟，对其流动状 态及换热过程进行了分析计算。通过对比发现板翅式芯体的综合性能最好，而 管束式最差，其结果与实际情况相符。王厚华等【16 】以矩形平翅片为例，通过数 值模拟方法对空气横掠圆孔翅片表面的流动和传热特性进行了模拟，模拟值与 实验值最大误差小于1 0 。结果表明，圆孔翅片是一种传热效果优越的片型。 李鹤【1 7 】对用于多尘环境的行车空调冷凝器进行了实验研究，通过实验测试 发现冷凝器的积灰直接导致了冷凝风量的减少和冷凝器前后静压差的增大，使 空调冷量下降和能耗增加。其利用颗粒沉积模型对各沉积影响因素进行了分析， 结果表明，为了减少灰尘沉积量，换热器应该选择平直翅片，且其结构应具有 4 武汉理工大学硕士学位论文 较薄的翅片、较大的翅片间距和较宽的管间距等特点。但考虑到紧凑性和经济 性，设计者应反复校核以获取最佳的结构配置。 综上所述，实验研究是分析换热器流动与传热性能的有效方式，其可靠性 较高，但往往需要耗费较大的人力和物力，且不能得到流场中任一点的测量资 料，使得实验研究方法的发展受到了限制。数值模拟方法由于成本低，能模拟 复杂的流场与温度场，可以省去大量重复低效的劳动等优点而得到了广泛应用。 将数值模拟方法应用于多尘环境下换热器的设计，将为换热器传热特性分析、 污垢特性分析、能耗分析及结构优化提供极大地帮助。 1 3 2 旋风分离器的研究现状 旋风分离器问世已逾百年，最早可追溯至1 8 8 6 年o m o r s e 1 8 j 获得的第一个 旋风分离器专利。此后，各国学者通过实验或数值模拟方法对旋风分离器内的 特性进行了深入研究，极大地推动了旋风分离技术的发展。 p r o c k a c t i l8 】作为对旋风分离器进行科学分析的第一人，于1 9 2 8 年首次对旋 风分离器进行了测定，结束了人们对旋风分离器的盲目使用。1 9 3 2 年，r o s i n t 2 0 j 等提出了著名的转圈理论。即进入分离器的颗粒由于受到离心力的作用，其速 度方向可以分解为切向旋转速度及径向向外的离心沉降速度。因此，只要旋转 圈数足够多( 即含尘气流在分离区内的停留时间与颗粒沉降到分离器壁面所需 时间相平衡) ，则颗粒就能从内筒半径位置到达外筒边壁处的分离面而被捕集分 离。为了修正转圈理论的缺点，1 9 5 6 年，b a r t h 【2 i 】等人提出了平衡轨道理论。即 流场中的颗粒所受的力包括由旋涡流场产生的向外的离心力及由汇场产生的向 内的s t o k e s 阻力，s t o k e s 力与离心力分别正比予颗粒粒径磊及。因而必定有 一临界粒径( 工程上常称为分割粒径反。) 使两者大小相等，从而达到平衡。平 衡轨道没有考虑湍流扩散等因素，而其对细小颗粒的影响是不容忽视的。为了 弥补这一缺陷，d l e i t h 与w l i c h t i z z j 于1 9 7 2 年提出了边界层分离理论。即认为 气流中的颗粒在分离器任一横断面上呈均匀分布，但在近壁面处流动处于层流 状态，受离心力作用的颗粒一旦进入此边界层便可被捕集分离。由于该理论与 实际情况相符且理论完备，现已被广泛应用。 旋风分离器内的流动属于三维强旋及高湍流强度的气固两相流动，流动状 况极为复杂，目前尚未有成熟的方法进行预报。随着计算机硬件的升级，数值 模拟技术为我们提供了新的研究手段，研究成果层出不穷。1 9 8 2 年，b o y s a n l 2 3 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 首次利用c f d 技术模拟了旋风分离器内的流动。s m m o u s a v i a n 和a e n a j a f i l 2 4 1 运用c f d 分析软件，分别采用k 一占模型、r s m 模型以及v o f 模型对旋风分离 器流场进行了模拟。结果表明，k s 模型不能准确地预测分离器内强旋的回流 或滞留现象，因而误差较大。而基于各向异性的r s m 模型所得的模拟结果与实 验值吻合较好，说明在三维强旋流动的数值模拟方面，r s m 模型要优于k 一占模 型。王浩1 2 5 j 利用f l u e n t 软件中的r s m 模型、q u i c k 差分格式、p r e s t o 压力 插补格式和s i m p l e c 算法，对旋风分离器中的双层旋流结构进行了模拟，并分 析了排气管插入深度、排气管直径、排灰口直径以及直管长度等参数对分离性 能的影响。此外，其还提出了一种优化方案，通过对进风风道的改进使分离器 的分离效率提高了2 3 9 。易林 2 6 1 利用f l u e n t 软件对螺旋型旋风分离器内的气 固两相流动进行了模拟。结果表明，螺旋通道内的流动较稳定，类似于自由涡， 而中心简体区域则是包含强旋和回流的复杂流场。同时还发现螺旋圈数和阿 基米德螺旋线常数k 对分离效率影响较大。基于数值模拟结果，推导出了螺旋型 旋风分离器分离效率和压力损失系数的半经验化公式。 旋风分离器内的气固分离过程极为复杂，致使理论与实验研究十分困难。 此外，分离器的结构尺寸、气固两相自身物理性质的差异以及操作条件的变化 都会对分离器的性能产生显著影响。因此，至今仍没有一套完整而又成熟的理 论模型对其进行分析，也无法全面地掌握其内在的运动规律。 1 3 3 颗粒沉积特性的研究现状 1 9 5 9 年，k e r n 和s e a t o n 2 7 以单位面积上污垢沉积量的净增长率等于沉积率 与剥蚀率之差这一微分形式建立了污垢的分析模型( 后称为k e m - s e a t o n 模型) ， 该模型很快得到了同仁的一致认同，具有里程碑式的意义。在颗粒沉积机理方 面，e p s t e i n t 2 8 】提出污垢沉积过程是由起始、输运、附着、剥蚀和老化五个阶段 组成，并以五阶矩阵的形式对其做了概括。m a r o n 和a n d r e 2 9 1 对受流体作用时表 面单层粒子重新悬浮的统计特性进行了研究，确定了颗粒污垢中粒子发生重夹 时某些参数( 如流速、粒子与表面及粒子间的粘附力等) 的临界值，对揭示污 垢的剥离机制具有重要意义。 国内学者徐志明等1 3 0 根据湍流猝发理论，提出了一种基于易测参数的污垢 热阻预测模型。与上述k e r n s c m o n 模型相比，该模型待定系数较少、所需参数 也更易被测量。毕月虹【3 1 j 等利用小规模实验装置对影响微粒污垢沉积率的因素 6 武汉理工大学硕士学位论文 进行了分析，通过实验得到了污垢沉积率最大时换热表面自由能与悬浮液温度 之间的关联式。刘洪涛【3 2 j 以数值模拟的方法对颗粒在直管内壁的沉积进行了研 究，得出粒径为( 1 - 3 0 ) i n n 的颗粒在下壁面的沉积速率最大，侧壁次之。颗 粒沉积速率与管内流速成正比，且颗粒在壁面的沉积速率也受到湍流波动的影 响。“和a h m a d i l 3 3 例利用拉格朗日模型，并结合粗糙壁面边界条件模拟了颗粒 在粗糙通道中的沉积。结果表明，颗粒的沉积速率随着管壁粗糙度地增加而增 加。此外，还对通道中存在障碍物时颗粒在壁面的沉积进行了模拟，结果表明， 颗粒主要沉积在障碍物的迎风面。 尽管研究者对颗粒的沉积机理进行了大量研究，但至今仍没有一个普遍接 受的模型。其原因是颗粒在固壁表面的沉积过程过于复杂，是多种机制共同作 用的结果，人们至今尚未完全认清。因此，当前所有的污垢机理分析都无法准 确预测颗粒的沉积特性，预测结果必然出现较大的偏差。 1 4 研究内容及意义 本文着眼于工程实际，对适用于多尘环境的冷媒式冷却器中的冷凝器进行 了结构设计，并对其进行了模拟计算。由于含尘气流进入冷凝器将对其性能产 生不利影响，本文选取螺旋式旋风分离器作为气流的除尘装置，结合计算流体 力学软件对其性能进行了分析。主要研究内容如下： 1 ) 对应用对象液压系统的散热量进行计算，从而确定所需制冷装置的冷负 荷。对翅片管冷凝器的结构进行设计，确定冷凝器的结构参数并对其阻力特性 进行分析，最后对流经翅片管冷凝器的空气品质进行说明。 2 ) 利用f l u e n t 软件对螺旋旋风分离器内的三维两相流场进行数值模拟，分 析其三维速度分布、压力场分布及流场的湍流特性。 3 ) 采用欧拉一拉格朗日离散相模型( d p m 模型) ，分析颗粒的运动轨迹及 螺旋旋风分离器的分离效率。 4 ) 对管翅式冷凝器的传热特性和污垢特性进行研究，分析粉尘在冷凝器表 面的沉积机理并对沉积过程进行数值模拟。最后分析粉尘沉积引起的污垢对冷 凝器散热特性的影响。 5 ) 对本文所做的研究内容进行总结，并指出了其中存在的不足。 目前，对于工程机械液压系统油温过高，散热不良的现象，采取的措施主 要为加装风冷式散热器进行强制冷却。然而，由于风冷式散热器的散热系数较 7 武汉理工大学硕士学位论文 低，冷却效果较差，并不能很好的解决液压系统的散热问题。本文提出将冷媒 式冷却器应用于工程机械，借助其良好的制冷性能来改善液压系统散热不良的 现象。由于工程机械多用于高温多尘的恶劣环境中，粉尘的侵袭将对冷凝器的 散热性能产生较大的负面影响。因此，对流经冷凝器的制冷空气要先进行除尘 操作。本文选取新型螺旋式旋风分离器作为除尘装置，该装置与传统型旋风分 离器相比，具有流动阻力低、分离效率高、高径比小、体积小、造价低等优点， 较适用于空间结构紧凑的移动设备上。随着特种制冷技术的发展和成熟，为冷 媒式制冷装置应用于条件恶劣的工程机械上提供了可能。因此，研制出一种适 用于多尘环境的冷媒式冷却器将极大地改善工程机械液压系统散热不良等问 题，从而提高工程机械的作业效率。 1 5 本章小结 本章提出了课题的选题背景，确定了冷凝器的结构型式及除尘方式，以管 翅式冷凝器和螺旋旋风式分离器为应用对象和分析目标；综合前人的研究成果， 对换热器、分离器及颗粒沉积机理的研究现状进行了阐述；最后，提出了本文 研究的主要内容及研究意义。本章所做的工作对后续研究内容的开展具有极大 地参考和指导作用。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章翅片管冷凝器的结构设计与分析 冷凝器是冷媒式冷却系统的四大基本组成部件之一。翅片管冷凝器是最常 用的风冷冷凝器的结构型式，冷媒蒸气在铜管内与外界冷空气产生热量交换， 其自身放热并冷凝为液体。本章选择某一特定应用场合，对应用对象中的液压 系统热平衡进行了计算，从而得到了该液压系统在正常工况下所需的冷凝热负 荷；通过选择合适的冷媒介质及翅片结构参数，对翅片管传热进行了计算，并 确定了翅片管冷凝器的结构尺寸；同时对风机的压力损失及能耗进行了分析； 最后，结合该冷凝器的结构及使用场合，探讨了港口大气环境对翅片管冷凝器 的影响。 2 1 液压系统能耗分析 本文以某5 0 型轮式装载机为应用对象，分析其液压系统的功率损失。该轮 式装载机液压系统原理如图2 1 所示【3 5 】。 图2 1 某5 0 型轮式装载机液压系统原理图 1 转向泵：2 全液压转向器：3 流量放大器；4 - 转向液压缸；5 过滤器；每 工作泵：7 溢流阀；8 单向阀；9 - 铲斗液压缸换向阀：1 0 动臂液压缸换向阀； 1 1 动臂液压缸；1 2 安全阀：1 3 铲斗液压缸；1 4 冷却器 9 武汉理工大学硕士学位论文 该5 0 型轮式装载机的功率损失主要包括以下几个方面 1 ) 液压泵的功率损失 n 。= ( 1 - r ) q p t t 式中积的输出流量，l m i n ； r 泵的工作效率； 晦的工作压力，p a ； 卜工作周期，s ； 卜泵的工作时间，s 。 2 ) 液压油缸的功率损失 c = ( 1 - r ) q p t t 式中r 油缸的输出流量，l m i n ； ，广油缸的工作效率； 矿一油缸的工作压力，p a ； 卜工作周期，s g 卜油缸的工作时间，s 。 3 ) 液压阀的功率损失为 m = a p q t t 式中 卸一油液流经液压阀时的压降，p a ； g 一流经液压阀的流量，l m i n ； 丁一工作周期，s ； f 一阀的工作时间，s 。 4 ) 管路的功率损失 n t = a p q 式中卸一油液流经管路时的压力损失，p a 鼋一管内的流量，l m i n ： 管路的压力损失由沿程压力损失和局部压力损失组成，可由下式计算 卸：a 兰丝+ 丝 d22 式中五一沿程阻力系数； 三管长，m ； d 管道内径，1 3 1 ； d 管截面平均流速，m s ： 1 0 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 武汉理工大学硕士学位论文 p 一液压油密度，k g m 3 。 f 一局部阻力系数。 整个液压系统的功率损失由上述各种功率损失所构成，可由下式表示 = 坼+ c + m + g ( 2 - 6 ) 该装载机液压系统参数如下：工作泵排量v l = 10 0 m l r ，额定压力矿l7 5 m p a ， 转向泵排量v 2 = 8 0 m l r ，发动机转速n = 2 0 0 0 r m i n ( 转向泵减速比f = 0 8 1 6 ) ，转 向泵和工作泵合流。取3 0 s 为一个工作循环，则每分钟内可完成两次循环。单次 循环内铲掘物料的时间为3 s ，动臂下铰接高度为4 1 m ，铲斗及动臂重约3 x 1 0 3 k g ， 负载为5 x 1 0 3 k g 。计算可得该5 0 型轮式装载机作业时的功率损失约为n h = 1 6 k w 。 液压系统的散热形式主要包括油箱表面散热、各类元件及管路表面的散热。 当系统的热平衡温度超过所规定的允许值时，则需加装冷却装置进行强制冷却。 液压系统的散热功率按下式计算 3 6 1 m = k a t 4 ( 2 - 7 ) j = i 式中足一散热系数，通风条件良好时取胙1 7 ； 出一液压油与环境温度之差，； m 一散热元件的数量： 4 一散热元件的散热面积，m 2 。 对于该5 0 型轮式装载机液压系统，各类阀件的总散热面积约为o 5 m 2 ，执 行元件的散热面积约为3 m 2 ，油箱的散热面积约为l m 2 。假设液压系统的油温不 可超过7 5 c ，根据式( 2 7 ) 可得装载机液压系统自身的散热功率为s = 3 0 6 k w 。 由计算结果可知，该5 0 型轮式装载机液压系统自身的散热功率不足以使液 压系统的油温达到热平衡，因而需要在回路中增加散热器辅助散热。所需散热 器的散热功率为 n = n h m = 1 2 9 4 k w 2 2 翅片管冷凝器的结构设计及其阻力特性 2 2 1 制冷剂的选择 虽然蒸气压缩式制冷循环的应用场合不同，但其对制冷剂均有一些共性的 要求 3 7 1 。 1 ) 临界温度不能过低，以便在常温或低温下也能液化； 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 饱和蒸气压力应适宜。蒸发压力过低将导致外界气体从不严密处进入系 统，而冷凝压力过高将增加压缩机的能耗； 3 ) 单位容积制冷量大，以使压缩机结构紧凑； 4 ) 粘度小，热传导率高。较小的粘度能够减小流动阻力，较高的热传导率 则可以减少换热设备的传热面积； 5 ) 不燃烧、不爆炸，高温下不易分解，毒性低且对金属无腐蚀性； 6 ) 价格低廉且易获得，对环境友好。 满足上述要求的制冷剂尚未被发现，但氟利昂介质由于其优良的热力学特 性而广泛应用于蒸气式制冷装置中。当前车辆空调所用制冷剂主要有碳氢化合 物，r 1 2 ( 二氟二氯甲烷) 及r 1 3 4 a ( 四氟乙烷) 。碳氢化合物被公认为绿色环 保制冷剂，但由于其易燃易爆，安全性较差，因而使用较少。r 1 2 属于传统的 c f c ( 氯氟烃) 类制冷剂，其热力学性能较好，冷凝压力较低，因而曾被广泛应 用于制冷装置中。但由于其对环境污染较大，现已停止生产。r 1 3 4 a 是一种h f c ( 氢氟烃) 类制冷剂，该制冷剂被认为是用来代替r 1 2 的过渡性制冷剂。r 1 3 4 a 的热力学性质与r 1 2 相似，但性能更优越，主要表现为【3 8 1 1 ) 气化潜热及比定压热容大，制冷能力强： 2 ) 饱和气体比体积大，熟传导率高，粘度低，流动性能好； 3 ) 对臭氧层无破坏作用，温室效应只有r 1 2 的十分之一。r 1 3 4 a 对金属的 腐蚀性小，且不溶于水。 按照当前的国际协议，r 1 3 4 a 可长期使用。因此，作为一种良好的替代制冷 剂，r 1 3 4 a 的应用前景非常广泛，目前已成为汽车和工程车行业首选的制冷剂。 所以本文选择性能较为优良，且对环境相对友好的r 1 3 4 a 制冷剂作为该装载机 液压系统冷却器的冷媒介质。 2 2 2 翅片管冷凝器的结构设计 翅片管式冷凝器的结构如图2 2 所示。图中冷空气横掠冷凝器，与传热管内 的冷媒介质产生热交换，传热管外嵌套着薄翅片来强化传热。为了减少弯头的 数量及焊接工作量，传热管一般采用u 型管。 1 ) 翅片管冷凝器的结构设计及计算 对于空冷式冷凝器，冷却介质的温升及对数平均温升取值范围分别为( 8 1 0 ) 和( 8 - - - 1 2 ) 。本文选取以下初始条件进行设计计算。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 进风温度t 加= 3 5 c ，出风温度一3 c ； ( 2 ) 冷媒介质冷凝温度t 严5 0 c ，过冷度5 ，蒸发温度为2 ，过热度5 ； ( 3 ) 压缩机指示效率r i = 0 7 5 ； ( 4 ) 应用对象的热负荷n = 1 2 9 4 k w ； ( 5 ) 冷媒介质为r 1 3 4 a 。 a ) 翅片管局部剖视图b ) 翅片结构图 图2 2 翅片管冷凝器结构图 在蒸气压缩式制冷循环中，冷媒介质的状态是不断变化的，单级压缩式制 冷循环原理如图2 3 所示。1 点为冷媒介质离开蒸发器进入压缩机时的状态；2 。 点为冷媒介质离开压缩机进入冷凝器时的状态，由于压缩机做功也会产生热量， 故实际循环曲线为l 2 ；3 点为冷媒介质离开冷凝器时的状态；4 点为冷媒介 质离开膨胀阀进入蒸发器时的状态。由于冷媒介质具有一定的过冷度，所以l 点和3 点并未在压焓曲线上。 岛 - r 幽 籁 靛 图2 3 单级压缩式制冷循环原理 1 4 四个过程组成了一个标准的逆向卡诺循环( c a m o tc y c l e ) 。4 1 为等 温吸热过程；l 2 为等熵压缩过程；2 3 为等温放热过程；3 4 为等熵膨胀过 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 程。根据r 1 3 4 a 的压焓图，可得出制冷循环内各状态点的数值如表2 1 所示。 表2 - 1 制冷循环内各状态点的数值 状态点温度t ( ) 对数压力l g ( p )焓值h ( k j k g ) l7 o o3 1 44 0 2 9 3 2 。5 8 4 71 3 1 04 3 3 1 5 25 0 0 01 3 1 02 6 3 6 2 3 4 5 o o3 1 42 6 3 6 2 r 13 4 a 制冷剂的质量流量按下式计算 = n q o ( 2 - 8 ) 式中一应用对象的散热功率，k w ； 吼一单位质量冷媒介质的制冷量，k j k g 。 单位质量冷媒介质制冷量的计算公式为 q o = 啊一缟 ( 2 - 9 ) 式中鬼各状态点处的焓值，k j k g 。 压缩机对冷媒蒸气