泥水平衡頂管機泥漿冷卻散熱系統(tǒng)設(shè)計

劉愷

摘要：本文以某泥水平衡頂管機為研究對象，設(shè)計了一套基于泥漿冷卻的散熱系統(tǒng)，用內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)把主機各部件產(chǎn)生的熱量收集起來，然后通過泥漿環(huán)流系統(tǒng)的進漿把主機工作時產(chǎn)生的熱量帶出隧道，內(nèi)循環(huán)水與泥漿環(huán)流通過套管對流完成熱量傳遞。該系統(tǒng)在實際施工過程中，通過監(jiān)測液壓泵站液壓油的溫度、冷卻水的溫度變化，結(jié)果表明基于泥漿冷卻的散熱系統(tǒng)能夠滿足該泥水平衡頂管機的散熱需求。

關(guān)鍵詞：泥漿循環(huán);泥水平衡頂管機;散熱系統(tǒng);水循環(huán)

引言

頂管機作為一種隧道掘進設(shè)備，在正常掘進過程當(dāng)中，主機內(nèi)主驅(qū)動部分、液壓系統(tǒng)、變頻器、水冷電機等部件或系統(tǒng)會產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量如不能及時散去將會威脅設(shè)備的性能及安全。

目前最常用的散熱方式為內(nèi)循環(huán)水加外循環(huán)水的方式，其中內(nèi)循環(huán)水用來冷卻各個發(fā)熱系統(tǒng)或部件，外循環(huán)水用來冷卻內(nèi)循環(huán)。在開挖直徑較小的頂管機設(shè)計過程中，這種內(nèi)循環(huán)水加外循環(huán)誰的冷卻方式占用了設(shè)備太多空間，外循環(huán)水需要引出至隧道外，增加了施工的工作量和成本。

本文針對泥水平衡頂管機的設(shè)計過程中，采用泥漿環(huán)流代替外循環(huán)水，用來冷卻內(nèi)循環(huán)水的方式。檢測施工過程中冷卻系統(tǒng)的工作狀況，結(jié)果表明基于泥漿冷卻的散熱系統(tǒng)能夠滿足泥水平衡頂管機的散熱要求，在類似的隧道掘進機產(chǎn)品中，具有較大的推廣價值。

1 冷卻系統(tǒng)流程

基于泥漿冷卻的散熱系統(tǒng)，它的熱量流程如圖1所示。包含兩個循環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)由立式離心泵、冷卻水罐、冷卻液、溫度表、散熱管等組成;外循環(huán)泥漿環(huán)流系統(tǒng)主要包括溫度表、散熱器、泥漿管路等組成。

利用泥漿環(huán)流系統(tǒng)代替了外循環(huán)水的散熱功能，使得整機結(jié)構(gòu)更加簡便，減少的外循環(huán)水系統(tǒng)管路，不僅減少了施工過程中的工作強度，而且具有比較明細的經(jīng)濟價值。

2 冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵元器件選型計算

本系統(tǒng)以ZTP1505型頂管機為計算選型依據(jù)，相關(guān)發(fā)熱設(shè)備冷卻水量由相關(guān)廠家及其他系統(tǒng)熱力計算提供，冷卻水量的保持依靠恒定流量閥來實現(xiàn)。本頂管機內(nèi)循環(huán)冷卻設(shè)備為主驅(qū)動電機、主驅(qū)動內(nèi)外周密封夾套等。

根據(jù)泥水平衡頂管機的配置和裝機功率，計算出整機最大發(fā)熱功率如表1所示。

因此頂管機各部件或系統(tǒng)滿功率工作時的最大發(fā)熱功率為35.1kW，即泥漿環(huán)流系統(tǒng)的進漿需要帶走的總發(fā)熱功率35.1kW。

2.1頂管機換熱計算

內(nèi)循環(huán)水由1臺臥式離心泵供水，流量為6m3/h（即Q=6m3/h），揚程60m。

熱交換發(fā)熱功率P、冷卻水流量Q和介質(zhì)前后溫差Δt的關(guān)系如下公式： 。

式中：

P：散熱總功率;

C：介質(zhì)的比熱容;

ρ：介質(zhì)的密度;

Q：介質(zhì)流量;

Δt：介質(zhì)換熱前后溫差，Δt=t2-t1。

已知水的參數(shù)：比熱容：C泥=1680J/kg·℃;密度：ρ水=1000kg/m3;流量：Q水=100L/min;冷卻前熱水溫度取t2=36℃。

把水的參數(shù)代入上式，計算得Δt=5.04℃，即t1=30.96℃。

從熱力學(xué)角度考慮，水和泥漿采用逆流的方式反向流動，以提高散熱效率。內(nèi)循環(huán)水的發(fā)熱功率有一小部分通過管路散發(fā)，大部分是通過泥漿帶走，忽略管路散熱，泥漿需要帶走的熱量功率約等于內(nèi)循環(huán)水的發(fā)熱功率，即35.1kW。

已知泥漿參數(shù)：比熱容：C泥=1680J/kg·℃;密度：ρ泥=1200kg/m3;流量：Q泥=2333L/min;冷卻前泥漿溫度取T2=25℃。

把泥漿的參數(shù)代入計算式，計算得ΔT=0.45℃，即T1=25.45℃。

2.2換熱管散熱面積計算

泥漿和水的熱量交換是通過散熱管逆向流動實現(xiàn)，換熱面積計算公式：

式中：K為換熱管傳熱系數(shù);

Δtm為對數(shù)平均溫差，計算公式：

代入上述溫度參數(shù)，計算出對數(shù)溫差Δtm=8.16℃。

根據(jù)上述計算結(jié)果，代入換熱面積計算公式

考慮到換熱管中泥漿和水垢的存在，實際散熱面積會比理論計算小，傳熱系統(tǒng)也會偏小，通常需要乘一個富裕系數(shù)β，取值在1.2-1.3，最終換熱面積A’取值為：

2.3散熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了充分加大泥漿和內(nèi)循環(huán)水的換熱面積，換熱管擬采用圖2所示列管，三種規(guī)格的管子分別為;無縫鋼管φ219*10、無縫鋼管φ38*5、

無縫鋼管φ89*4.5。

根據(jù)上圖參數(shù)，可以計算出該列管長度1米的散熱面積S=1.13㎡，則所需要的散熱列管長度L=A’/S=5.99m。

3 基于泥漿冷卻系統(tǒng)的溫度監(jiān)測

為了驗證上述設(shè)計的基于泥漿冷卻的散熱系統(tǒng)效果，在該泥水平衡頂管機施工過程中，讓設(shè)備連續(xù)運行12小時，監(jiān)測了散熱管冷卻前內(nèi)循環(huán)水進水溫度t2，散熱管冷卻后內(nèi)循環(huán)水出水溫度t1，散熱管泥漿進漿溫度T2，散熱管泥漿出漿溫度T1以及液壓泵站的油溫T隨時間變化（施工點環(huán)境溫度25℃），具體數(shù)據(jù)如圖3所示。

通過上圖可以發(fā)現(xiàn)，泥漿進漿溫度T2、出漿溫度T1一直穩(wěn)定在25℃左右，與環(huán)境溫度一致，這是因為泥漿環(huán)流流量很大，熱交換后溫升很小，與計算結(jié)果一致。內(nèi)循環(huán)水進水溫度t2、出水溫度t1、液壓油溫度T運行3.5個小時之后達到一個相對穩(wěn)定狀態(tài)，也就是設(shè)備產(chǎn)生的熱量基本散發(fā)出去，設(shè)備在該環(huán)境工況下達到一個熱平衡。

4 結(jié)論與建議

監(jiān)測泥水平衡頂管機連續(xù)運行12小時溫度結(jié)果表明，基于泥漿冷卻系統(tǒng)效果達到設(shè)計預(yù)期，能夠滿足該設(shè)備的冷卻散熱需求。建議在類似泥水平衡掘進機的設(shè)計中，都可以借用泥漿環(huán)流代替外循環(huán)水來帶走設(shè)備產(chǎn)生的熱量，從而降低設(shè)備復(fù)雜程度，降低設(shè)備制造成本。

參考文獻：

[1]劉殿勇，張寧川.盾構(gòu)機掘進熱平衡問題的分析與計算[J].隧道建設(shè)，2006，26（2）：87-91。

[2]金亞飚.鋼鐵企業(yè)工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水力平衡設(shè)計[J].給水排水，2008（3）：71-74。

[3]牟映潔，胡廣權(quán)，柳艷清.盾構(gòu)機工業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計[J].隧道建設(shè)，2012，12（6）：907-911。

[4]陳軍.《熱平衡與節(jié)能技術(shù)》，機械工業(yè)出版社[M].48-55。