高温热油泵传热数值模拟

刘玉莹刘卫伟魏培茹蒋敦军

（上海东方泵业（团体）有限公司，上海201906）

工业泵网 摘要：以公司改进设计的某型号高温热油泵为研究对象，对其传热特性进行了研究。利用数值模拟手段分析得到了其传热机理和温度场的分布，着重分析了密封腔的温度分布，计算出在输送介质为400℃时油泵密封腔的最高温度，为密封的选取提供了参考，也为设计类似结构油泵打下了基础。

关键词：传热；数值模拟；温度场

1前言

热油泵是一种理想的热油轮回泵，是热交换设备上理想的配套用泵，广泛应用于石油化工、筑养路和造纸等行业。因为热油泵工作介质温度高,密封失效引起泄露不仅会造成大量的原料损失，还可能造成安全隐患和环境污染，因此高温热油泵对密封的可靠性要求很高。高温热油泵通过热传导将介质的温度传递到密封腔，加上摩擦产生的热量，若密封选取不当或密封腔的温渡过高，都会使得密封产生热裂、结焦和老化，继而失效。因此，研究和探讨高温热油泵传热机理，公道选择密封，对设备的安全运行有重要的意义。

跟着现代工程技术的发展，对传热题目的研究已从以相似理论为指导的实验研究为主逐步转到数值研究方面`1`。近十余年来,计算机技术和计算方法的发展,大大地推动了数值传热学的进展。本文就是利用数值方法对公司改进设计的某型号高温热油泵进行了传热模拟，旨在探讨高温热油泵的传热特性，得出密封腔温度分布，在没有试验前提的情况下，为密封的选择提供参考和依据。

2计算模型

2.1研究对象简介及其主要参数

公司某型号的热油泵，在原有热油泵的基础上对泵盖和悬架进行了改进设计，泵盖设计为带有散热肋片和冷却夹套的结构，目的是降低密封腔的温度；悬架设计为带有散热片的结构，增大了和空气的接触面积，加快散热。该油泵设计点参数为：流量Q=180m3/h；扬程H=80m；效率=75%；转速n=2950r/min；输送介质温度为400℃。

图1油泵结构示意图

2.2计算模型的建立

主要热源为输送的介质，而叶轮和介质接触较多，温度和介质温度相同，同时考虑到一些小零件和细小的结构特征对油泵传热的影响很小，同时还会影响网格的划分及网格的质量，于是对模型进行了简化(见图2)。

图2模型简化示意图

油泵的主要散热方式为对流换热和热传导。油泵和空气接触的面，因为空气温度场的不平均，和空气发生天然对流换热；通冷却水的腔体也和冷却水发生对流换热；其余部门通过热传导方式进行热量的传递。考虑到以上因素，计算过程中做了一些简化：

⑴将油泵作为一个整体，所有零件材料都为铸钢。该热油泵主要零件泵体、泵盖、叶轮、轴均为铸钢，悬架为灰铁。铸钢的导热系数为60.5W/mK，灰铁的导热系数为58W/mK，两者差距不大，因此将整泵的材料都简化为铸钢。

⑵只考虑热传导和对流传热，忽略流场的影响。因为本文的着重点是温度场的分布，以输送介质为热源，因此可以忽略内部流场的影响。

将计算模型划分为三部门：①一个足够大的布满空气的圆柱形区域；②通冷却水的区域；③油泵固体区域。在建模的过程中，对油泵和冷却水腔体的进出口段进行了延长，终极计算模型如图3所示。

(a)空气区域(b)冷却水区域

(c)油泵固体区域

图3计算模型

3网格划分及边界前提的设置

3.1网格的划分

网格是模拟过程中不可分割的一部门。网格直接影响到精度、收敛性和解决方案的速度`2`。本文采用有限元法进行离散，利用网格划分工具天生非结构四面体网格`3`，对部门区域进行了细化，接壤面采用同一大小的网格尺寸，终极网格数为3,638,883个。

(a)空气区域(b)冷却水区域

(c)油泵固体区域

图4网格划分

3.2边界前提的设置

主要热源为输送的介质，故泵体内与介质有接触的壁面均给定温度为400℃，与空气和冷却水接触的面为接壤面；空气域上表面和圆柱面给定为opening边界前提，相对压力为0Pa，外界空气的温度设定为25℃，与泵接触的面为接壤面；冷却水区域入口给定压力0.3MPa，水温为25℃，出口为outlet，相对压力为0Pa，与泵接触的面为接壤面；其余设置为无滑移、绝热壁面。传热模型为Thermal Energy，湍流模型为κ-模型`4-9`，壁面函数采用Scalable。

4模拟计算及结果分析

1）空气区域结果及分析

图7空气域接壤面四周温度分布

由图6、7可以看出，温度由泵体外表面向外逐渐降低，在阔别泵体的区域温度达到平衡。由图5可以看出阔别泵体的区域速度方向由上而下分布大致平均，靠近泵体的区域，因泵体披发出的热量使得附近空气的温度上升，冷热空气对流，使得速度矢量分布较为紊乱。

2）冷却水区域结果及分析

图10冷却水区域温度分布

由图10可以看出，冷却水区域温度呈不规则外形分布，靠近泵体的面温度较高。冷却水区域温度不平均可能与冷却水的活动状态（图8-9）及对流换热的情况有关。

3）油泵固体区域结果及分析

图11油泵外表面温度分布

图12油泵中截面温度分布

由图11、12可以看出，整泵的温度沿轴向从左向右逐渐降低，与输送介质相接触的区域温度最高，沿轴向进行热传递。以冷却夹套部位为分界，冷却夹套以左温度梯度比较显著。冷却夹套以右温度降低，没有显著的梯度变化。冷却夹套的部位，因为冷却水及与空气的对流换热作用，温度降低，此处对流换热的热流量较大。

图13密封腔温度分布

由图13可知，密封腔的温度也是沿轴向逐渐降低，靠近泵体的面温度较高。密封腔内表面温度梯度变化较为平均。在外表面靠近冷却夹套的地方泛起了面积较大的低温区，这是因为冷却水起到了良好的降温效果。密封腔体最高温度为215.19℃，最低温度为28.25℃，均匀温度为102.51℃；

为了能更清楚、直观地显示油泵整泵、密封腔体及其轴承腔体里温度的分布变化状态，沿轴向选取了7条路径`10`，如图14所示。分别将沿这些路径的温度梯度做成如图15-18所示的曲线。

图15 path1温度分布图

图15显示了泵轴上热量的传递，温度由泵体到电机方向降低，泵体到泵盖四周部位温度较高且变化较为缓慢；在机封压盖部位，因为冷却夹套中的冷却水和空气的对流换热作用，温度下降较为明显；悬架部位带有散热片，增加了和空气的接触面积，起到了一定的散热作用，致使悬架部位温度缓慢降低并趋于不乱。

图16 path2、path3温度分布图

图16显示了密封腔的内、外表面的温度变化。由图可以看出密封腔内表面（path3）温度高于外表面（path2），外表面的温度下降后略有上升的趋势，可能和密封腔内水流的状态有关。

图18 path6、path7温度分布图

图17-18显示了左端、右端轴承腔体的温度沿路径的变化，从图表可以看出沿各路径温度变化比较缓慢并且左右两端轴承腔体下表面（path5、path7）的温度均高于上表面（path6、path8）温度，以为是因为和空气对流换热的缘故。左端轴承腔体的最高温度为41.43℃，最低温度为31.97℃；右端轴承腔体(电机端)的最高温度为38.45℃，最低温度为34.66℃。

5总结

1）利用数值仿真方法对公司改进设计的某型号高温热油泵进行了传热模拟，忽略流场的影响以及摩擦产生的热量，计算出在输送介质为400℃时，密封腔体的最高温度为215.19℃，为密封的选取提供参考。

2）由结果分析可以看出，冷却夹套四周温度梯度变化显著，泵密封腔和轴承腔的上表面温度均低于下表面，说明采用冷却夹套和散热肋片能有效的降低温度，改善密封和轴承的工作环境。

3）数值仿真方法数据丰硕、不受环境前提限制、周期短、本钱低。本文在做模拟时尽量结合实际情况对模型进行简化，设置公道的边界前提，但因为试验前提的限制，没有试验数据作对比。

参考文献：

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