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1、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）中国泵业网摘要：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°C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刖S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
2、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
3、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；
4、效率n=75%；转速n=2950r/min；输送介质温度为400°Co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
5、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
6、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…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
7、有接触的壁面均给定温度为400°C,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OPa,外界空气的温度设定为25°C,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°C,出口为outlet,相对压力为OPa,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ThermalEnergy,湍流模型为k-e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
8、图6、7可以看出，温度由泵体外表面向外逐渐降低，在阔別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
