材料、结构和换热数据.该冷却器基管材料为铜或铜合金，翅片材料为铝.绕簧管是在铜管的外表面布置铜丝，以扩展外表面并增强管外换热的一种强化管.与铝翅片相比，扩展面热导率高，扰动强.由于立式电机轴承油冷却器中管外油流速极低，管内水速则常常在1.2 m·s-1以上[6]，增强油侧的换热比其他类型油冷却器更紧要[7-8].因此，采用管外强化换热效果更好的绕簧管油冷却器是一个解决方案.
实现油冷却器的强换热化一般有两种途径.一是改变换热管表面外形或加装外翅.粗糙表面可以增强流体湍流，增大传热系数.翅片管种类有圆形翅片管、花瓣形翅片管、绕簧管、三维翅片管、缩放管等.二是设计合理有效的管间支撑结构，如螺旋折流板、W形旋流管、波形折流杆、折流栅、纯逆流等不同支撑结构冷却器[9-14].对于立式电机轴承油冷却器而言，受限于电机轴承配套结构形式而采用环形翅片管形式.本文对采用绕簧管的立式电机轴承油冷却器进行实验研究，分析增强轴承油冷却器传热的途径.
1实验装置与实验方法
1.1试件及实验装置
通过实验可获得该油冷却器的换热量、传热系数、油侧和水侧换热热阻等数据.轴承油冷却器的结构如图1所示.油冷却器的相关数据如表1所示，表中管材和翅片材料均为铜.
实验在特制的轴承油冷却器实验台上进行[15-17]，实验装置如图2所示.该装置由油回路系统、水回路系统组成.油回路系统由加热油箱、油泵、阀门、油流量计、温度测量仪表组成；水回路系统由水箱、水泵、水流量计、温度测量仪表组成.实验用油采用46#耐磨液压油.该油品与轴承常用油ISO VG46的相关传热物性非常接近，可作为实验替代用油.油冷却器的油路进口温度和水路进、出口温度由Pt100铂电阻温度计测量，并配备温度显示仪；水流量由电磁流量计测量，油流量由椭圆齿轮流量计测量.实验台设计换热容量为25 kW.油泵选用齿轮泵，水泵选用管道泵.
1.2实验方法及数据处理
参照轴承油冷却器的实际运行工况以及相关标准[5]，在实验过程中，控制进、出口平均油温在60 ℃左右，控制进口水温分别为28、38 ℃，调节油流量在20～65 L·min-1、水流速在1.2～2.5 m·s-1之间变化.
油的放热量Q1和水的吸热量Q2分别为
Q1=G1CP1（T′1-T″1）
（1）
Q2=G2CP2（T′2-T″2）
（2）
式中：G1、G2分别为油、水的质量流量；CP1、CP2分别为油、水的比热；T′1、T′2分别为油、水的进口温度；T″1、T″2分别为油、水的出口温度.
取换热量Q为Q1和Q2的平均值[18-19].
总传热系数K（以基管外表面积A为基准）为
K=QAΔTm
（3）
式中，ΔTm为平均温差.
以基管外表面积A为基准的传热热阻为
1K=1hi·dodi+do2λW·lndodi+1ho
（4）
式中：hi、ho分别为管内和管外对流换热系数；λW为管壁的导热系数；di、do分别为换热管内、外径.
实验中管内水流速在1.2 m·s-1以上，管内雷诺数在10 500以上，管内的对流换热系数可采用经典的管内旺盛湍流的对流换热关联式DittusBoelter公式计算，即
Nuf=0.023Re0.8fPrnf
（5）
式中：Nuf为管内流体换热的努塞尔数；Ref为管内流体流动的雷诺数；Prf為普朗特数；管内水被加热，n取0.4.
由于翅片管为环形，需进行弯管修正，即在式（5）的右侧乘以修正系数Cr，即
Cr=1+10.3diR3
（6）
式中，R为管道弯曲半径.
管内对流换热系数
hi=Nufλf/di
（7）
式中，λf为管内流体的导热系数.
管外对流换热系数
ho=1K-1hi·dodi-do2λWlndodi-1
（8）
2实验结果和分析
2.1油流量和水流速对传热系数的影响
图3为总传热系数与油流量的关系.工况条件为：平均油温为（60±1）℃；进口水温为（28±0.5）℃；管内水流速为（1.2±0.03）m·s-1；传热面积以基管外表面积为基准.由图中可知，随着油流量增大，油冷却器的总传热系数明显增大.
图4为总传热系数与管内水流速的关系.工况条件为：平均油温为（60±1）℃，进口水温为（28±0.5）℃，油流量为（20±0.3）L·min-1.由图中可知，随着水流速增加，油冷却器的总传热系数增大，但增长幅度不大，明显低于图3中的增幅.
图3、4对比可知，相比水流速的变化，油流量的变化对油冷却器的总传热系数影响更大，油流量每增加10 L·min-1，总传热系数增大60～70 W·m-2·K-1.分析认为，尽管采用了管外有铜丝作为扩展表面的绕簧管，该冷却器在运行工况下的油侧热阻仍高于水侧热阻较多，油流量较小、油流速较低是主要原因.按油的流通面积计算，实验工况下流经绕簧管的油流速低于0.01 m·s-1.增大油的循环量可以明显改善传热，但如果受制于其他因素而不能增加油的循环量，则进一步增加扩展表面，将有利于油冷却器的传热强化.
2.2油侧和水侧的热阻比较
应用式（7）、（8）计算管内和管外的对流换热系数，可计算出相应管内水侧和管外油侧的换热热阻[19-21].一些典型工况的油侧热阻和水侧热阻的比值与油流量的关系如图5所示.
由图5可知，油侧热阻是水侧热阻的4～12倍，这也印证了2.1节的分析：油侧热阻高于水侧热阻较多.随着油流量的增大，油侧热阻与水侧热阻的比值逐渐减小，传热过程得到改善，传热增强.这是因为油流量增大，油侧对流换热系数增大，热阻减小，因此比值减小.但是，油循环量的驱动受制于轴承配套结构，设计过大的油循环量将增加产品成本，影响工作效率.因此，建议在对轴承整体结构和工作效率影响不大的前提下，适当增加油循环量，这将可以改善油冷却器的换热，减小油冷却器的体积.
2.3绕簧管与常规双金属轧制翅片管的比较
文献[5]给出了双金属挤片式（轧片式）翼片管（翅片管）油冷却器的结构参数和换热数据.该试件与其中的LYJH 9104×6型油冷却器外形尺寸相似，实验工况也与LYJH 9104×6型油冷却器的其中一种工况相同.该工况为：平均油温为60 ℃；进水温度为28 ℃；管内水流速为1.2 m·s-1.根据基管尺寸、换热容量及工况推算，该工况下传热系数为620 W·m-2·k-1.根据图3、4，绕簧管在相同工况下的各流量点的传热系数均在620 W·m-2·k-1以上，说明绕簧管的传热系数高于双金属轧制翅片管，采用绕簧管的立式电机轴承油冷却器有利于增强换热效果.但值得注意的是，绕簧管基管内径（9 mm）偏小，一旦管内结垢，对整体换热性能影响较大.
文献[5]中给出的双金属挤片式翼片管的外径为35 mm，翼片高度为17.2 mm，基管外径为16 mm，片距为3.2 mm，计算可得其翅化比（管外总面积与基管外表面积之比）为10.1，绕簧管翅化比为9.4.为增强油冷却器的换热，兩者的翅化比都应提高，建议可提高至15左右，可通过减小翅片间距或簧丝间距实现.这也是改善油冷却器换热的主要途径.
3结论
（1） 采用绕簧管作为立式电机轴承油冷却器的换热管，其传热性能优于常规双金属挤片式翼片管.但试件的基管内径偏小，应适度加大.
（2） 试件的油侧热阻是水侧热阻的4～12倍，油侧热阻高于水侧热阻较多.适当增加油循环量，可有效改善油冷却器的换热.
（3） 无论是作为试件的绕簧管还是常规的双金属挤片式翼片管，适度增加翅化比均可有效改善油冷却器的换热.
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