大冷量离心机组油冷板式换热器的设计与分析

□ 李 媛

特灵科技亚太研发中心 上海 200051

1 工作原理

原小冷量水冷离心机组油管是位于经济器中的螺线形换热油管,温度不受控制,不同工况的油温差异很大,存在冷却不足或者过度冷却的情况,同时轴承可靠性也存在风险。在优化后的大冷量水冷离心机组中,增加了油冷板式换热器对润滑油进行控制,油温可以控制和调节,确保轴承的性能和可靠性。

大冷量水冷离心机组由压缩机、电机、蒸发器、冷凝器、经济器、油箱、油冷板式换热器、油分离器、管道等部件组成,系统原理与构成如图1所示。

▲图1 大冷量水冷离心机组系统原理与构成

实线部分为制冷剂循环系统。冷凝器出口的液体制冷剂进入制冷剂泵加压后,大部分从电机上下部的两个节流孔进入电机进行冷却,冷却后的制冷剂从电机出口回到冷凝器。制冷剂泵出口分流一部分制冷剂,通过油冷板式换热器冷却油箱出口的润滑油再回到冷凝器,并被冷凝成液体制冷剂。

虚线部分为油路循环。油箱中的润滑油经过油泵加压及油冷板式换热器降温后,进入电机两端对轴承进行润滑。之后润滑油从电机出口分别进入油分离器,在油分离器中分离出制冷剂,再回到油箱。

2 油冷板式换热器设计

在进行大冷量水冷离心机组设计时,基于换热能力对油冷板式换热器进行选型,油冷板式换热器接口如图2所示。制冷剂与润滑油采用逆流方式,制冷剂下进上出,润滑油上进下出。F3 为制冷剂入口,F1为制冷剂出口,F2为润滑油入口,F4为润滑油出口。

▲图2 油冷板式换热器接口

为了节省空间,使结构紧凑,通过支撑板将油冷板式换热器固定在与冷凝器连接的侧板上。油冷板式换热器的位置高于油箱,方便油箱拆卸。连接电机轴承的管道通过支撑板固定在冷凝器上,以减少管道振动。油冷板式换热器连接如图3所示。F1、F3连接制冷剂连接管,制冷剂泵出口的制冷剂经F3进入油冷板式换热器,换经过换热后由F1出口回到冷凝器。F2、F4连接油管连接管,润滑油经油泵出口从F2进入油冷板式换热器,进行换热后由F4出口进入电机轴承,对轴承进行润滑和冷却。

▲图3 油冷板式换热器连接

3 支撑板设计

支撑板固定在与冷凝器连接的侧板上,背面安装油冷板式换热器。支撑板设计方案如图4所示。初始方案中,两边折弯处可能存在应力集中。一种解决方案是变为斜边加强形式,但由于空间限制,实际采用三角边的最终方案。油冷板式换热器与支撑板最终装配如图5所示。支撑板厚度为2.5 mm,材料为Q235B钢。三角边宽为25 mm,长为70 mm。支撑板焊接位置及焊脚尺寸如图6所示。

▲图4 支撑板设计方案

▲图5 油冷板式换热器与支撑板最终装配▲图6 支撑板焊接示意图

油冷板式换热器与支撑板的连接方式如图7所示。两个通孔A与油冷板式换热器背面的螺柱连接,四个通孔B分别焊接M10螺母,方便螺栓从冷凝器侧板外侧穿过进行连接。

▲图7 油冷板式换热器与支撑板连接方式

4 有限元仿真分析

大冷量水冷离心机组在运输过程中受到振动激励,可能造成结构破坏,因此需要对油冷板式换热器的支撑结构强度进行评估。根据以往设计经验,笔者采用有限元仿真方法,对支撑板施加等效载荷进行有限元分析。

油冷板式换热器仿真模型如图8所示。冷凝器侧板及铜管端部为固定约束,采用线性弹性材料模型对油冷板式换热器进行建模与网格划分,网格划分如图9所示。零件特性参数见表1。施加三种静力等效荷载进行分析,分别为竖直方向3倍重力加速度载荷、竖直方向及水平方向1倍重力加速度载荷、竖直方向及轴向1倍重力加速度载荷。分析中应力标准取60%极限应力。

▲图8 油冷板式换热器仿真模型▲图9 油冷板式换热器网格划分

表1 零件特性参数

油冷板式换热器应力分析结果如图10所示。

由分析结果可知最大应力位于焊缝根部附近。对于支撑板材料Q235B钢而言,除竖直方向3倍重力加速度载荷工况下应力略高于应力标准限值222 MPa以外,其余均低于标准限值。根据工程经验判断,支撑板为低风险的应力集中。因此,在上述三种工况下,采用Q235B钢均符合标准要求。

5 结束语

笔者设计了大冷量离心机组油冷板式换热器,油冷板式换热器通过四个螺栓固定在冷凝器侧板上,支撑板背后焊有螺母,方便安装。油冷板式换热器安装位置高于油箱,方便油箱拆卸,利于维修。

通过对支撑板进行结构优化,缓解应力集中。

通过有限元分析,研究了静态等效荷载下油冷板式换热器的应力情况。结果表明,采用Q235B钢的油冷板式换热器在装载和运输条件下均符合标准要求。

▲图10 油冷板式换热器应力分析结果