磁力吸附電加熱器升溫曲線實(shí)驗(yàn)研究

宋軍，白興，譚文才，閆宏光，姜?jiǎng)P，李寶寬

（1.遼寧海天閣環(huán)?？萍加邢薰?，遼寧 撫順 113122；2.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110819）

0 引 言

液壓泵站是獨(dú)立的液壓動(dòng)力源裝置，它按驅(qū)動(dòng)裝置要求供油，并控制油流的方向、壓力和流量，它適用于主機(jī)與液壓裝置可分離的各種液壓機(jī)械。用戶只要將液壓站與主機(jī)上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（油馬達(dá)和油缸）通過液壓油管相連，液壓機(jī)械即可實(shí)現(xiàn)各種規(guī)定的操作［1-2］。廣泛用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域及汽車制動(dòng)上。

但在冬季低溫條件下，油黏度的增加致使液壓站啟動(dòng)困難。為解決該問題，液壓站使用電加熱管直接加熱，但長期實(shí)踐發(fā)現(xiàn)管式電加熱存在下列弊端：1）液壓油受熱不均，有些局部溫度過高，而有些局部溫度達(dá)不到啟動(dòng)要求。2）直接加熱，和加熱器直接接觸的油因?yàn)闇囟冗^高而過早氧化變質(zhì)，縮短了液壓油的使用壽命，使用成本加大。3）使用油浸式加熱管，需要制作加熱器的安裝孔，工業(yè)復(fù)雜，且有漏油的隱患，檢修加熱器時(shí)，需要將油全部放出，維護(hù)量大，損耗大，對(duì)環(huán)境污染增加。為了解決上述問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型的電加熱設(shè)備——磁力吸附電加熱器。為了掌握該加熱設(shè)備的工作特性，本文在理論與實(shí)驗(yàn)方面做了如下基礎(chǔ)研究。

1 工作原理

磁力吸附式電加熱器的實(shí)物如圖1 所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。在工作時(shí)，先利用布置在加熱器中心的磁鐵的磁性，將其吸附在油箱的表面。通電后，利用鑲嵌在鋁制加熱盤內(nèi)部的發(fā)熱元件發(fā)出的焦耳熱，熱流通過加熱盤增大換熱面積，更加有效地加熱工件。由于鋁的密度小，導(dǎo)熱系數(shù)高，具有較大的熱擴(kuò)散系數(shù)，因此較其他材質(zhì)有更突出的優(yōu)勢(shì)。此外發(fā)熱盤與工件的接觸面經(jīng)車床處理后產(chǎn)生細(xì)小波紋，能夠加大接觸部分的壓強(qiáng)，更加有利于導(dǎo)熱。并且在豎直使用時(shí)能增加摩擦力，避免滑落。

圖1 磁力吸附電加熱器外觀

圖2 磁力吸附電加熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)選用如圖3 所示的500 mm×400 mm×400 mm的水箱模擬油箱，選用額定功率為500 W 的磁力吸附式電加熱器作為加熱熱源，磁力吸附式加熱器的加熱位置位于水箱的底部中心。用ADAM4118 型8 點(diǎn)測(cè)溫儀測(cè)量水箱內(nèi)的溫度，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并利用VB 自編的程序，每隔1 min 記錄一次各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度值。本實(shí)驗(yàn)采用k 型熱電偶測(cè)量溫度，測(cè)溫點(diǎn)的分布如圖4 所示。為了貼近油箱實(shí)際工況，本實(shí)驗(yàn)分別研究水體積為10 L、20 L、30 L 時(shí)，水箱內(nèi)的不同位置水溫隨時(shí)間的變化曲線，并測(cè)定水溫穩(wěn)定時(shí)間。

圖3 實(shí)驗(yàn)水箱

圖4 測(cè)溫點(diǎn)位置

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)水箱內(nèi)水的體積為10 L、20 L、30 L 時(shí)，各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的升溫曲線如圖5～圖7 所示。對(duì)于不同容積時(shí)，測(cè)溫點(diǎn)5 的溫度曲線，如圖8 所示。

圖5 體積為10 L 時(shí)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫升曲線

圖6 體積為20 L 時(shí)，各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫升曲線

圖7 體積為30 L 時(shí)，各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫升曲線

圖8 不同體積下，測(cè)溫點(diǎn)5 溫升曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的升溫曲線可知，隨著加熱器的工作，水的溫度緩慢上升，這在一定程度上解決了實(shí)際應(yīng)用中液壓油受熱不均的問題。在不同體積的實(shí)驗(yàn)中，加熱到平衡所用的時(shí)間增長。通過對(duì)比測(cè)溫點(diǎn)5 的溫升曲線可以得出：容積每增加10 L，其平衡時(shí)間增加約1 h。這為實(shí)際工作提供了參考。由于測(cè)溫點(diǎn)5 直接布置在水箱與加熱器接觸面的表面，所以其溫度最高，但當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)，其溫度不超過70 ℃，因此在實(shí)際的工作中不會(huì)造成液壓油的氧化變質(zhì)，延長了液壓油的使用壽命。

3 理論分析

3.1 驗(yàn)證計(jì)算

根據(jù)能量守恒定律得出公式

式中：Qs為總加熱量；Qloss為熱量損失；Qwater+tank為水和水箱升溫消耗熱量。熱量損失包括水箱表面散熱和水上表面散熱兩部分，如下式：

整個(gè)系統(tǒng)的熱源來自鑄鋁合金盤中的發(fā)熱體，穩(wěn)定工作時(shí)額定功率500 W，由于電加熱器外殼為金屬材質(zhì)，也有少量熱量散失，根據(jù)實(shí)際情況，取電加熱器散熱系數(shù)k=0.05。則最終傳入水箱和水的功率為：（1-k）Ws。表1 為空氣自然對(duì)流簡化式［3］。

表1 空氣自然對(duì)流簡化式

表1 中：h 為對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；Δt=t-ta，其中t、ta為傳熱面與環(huán)境溫度，℃；l 為特征長度，m。電加熱器處于水箱底部中心，環(huán)境溫度25 ℃時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，水箱底部外表面溫度可達(dá)60 ℃，水面以下水箱外表面溫度可達(dá)50 ℃，水面以上水箱內(nèi)外表面溫度40℃，水升溫至45℃，忽略輻射換熱。由經(jīng)驗(yàn)公式大致可以得到水箱表面與空氣對(duì)流換熱系數(shù)，水箱底部側(cè)表面取平均溫度。t1=（25+60）/2=42.5 ℃，l=0.5 m，則ht1=0.61（Δt/l2）1/5=0.61×［（42.5-25÷0.52］1/5=1.43 W/（m2·K）。同理，水面以下水箱側(cè)表面：

水面以上水箱內(nèi)外表面：

水箱散熱損失Wtank=W1+W2+W3。

其中：

則Wtank=W1+W2+W3=3.6+17.96+18.96=40.38 W。

取水表面與空氣換熱系數(shù)為5（W/m2·K），則Wwater-topsurface=hW（t-ta）A=5×（45-25）×（0.4×0.5）=20 W。

總損失Wloss=Wtank+Wwater-topsurface=40.38+20=60.38，Wwater+tank=（1-k）Ws-Wloss=（1-0.05）×500-60.38=414.62W。由于水箱部分與水共同升溫，水升溫功率可乘系數(shù)，得，Wwater=k′Wwater+tank=0.9×414.62=373.158 W。

水升溫至45℃，所需熱量為Qwater=c·m·Δt=4186×1 000×0.4×0.5×0.2×（45-25）=3.348×106J，所需時(shí)間為ζ＝Qwater/Wwater=2.49 h 和實(shí)驗(yàn)所測(cè)時(shí)間比較吻合。

3.2 預(yù)測(cè)計(jì)算

假設(shè)冬季啟動(dòng)時(shí)環(huán)境溫度為-30 ℃。液壓油加熱溫度為15 ℃，令油箱內(nèi)外側(cè)壁溫度與液壓油相同，液壓油比熱取1 884 J/（kg·℃），密度取900 kg/m3。油箱底部溫度取60 ℃?？紤]到環(huán)境溫度較低電加熱器散熱系數(shù)取0.1。油箱尺寸與上例中水箱尺寸相同。

在油箱底部側(cè)表面，

t1=（-30+60）÷2=15 ℃，l=0.5 m，則ht1=0.61（Δt/l2）1/5=0.61×［（-15+30）÷0.52］1/5=1.72 W/（m2·K）。

在油箱側(cè)表面，t2=（15-30）÷2=-7.5 ℃，ht2=1.42（Δt/l）1/4=1.42×［（-7.5+30）÷0.4］1/4=3.88 W/（m2·K）。

油箱散熱損失Wtank=W1+W2。

其中：

W1=ht1（t-ta）A=1.72×（15+30）×0.4×0.5=15.48 W，

W2=ht2（t-ta）A=3.88×（-7.5+30）×（0.4×0.2×2+0.5×0.2×2+0.25×0.4×2+0.25×0.5×2）=70.71 W；則Wtank=W1+W2=15.48+70.71+18.96=86.19 W。

取油表面與空氣換熱系數(shù)為5W/（m2·K），則Woil-topsurface=hW（t-ta）A=5×（-7.5+30）×（0.4×0.5）=22.5 W，總損失Wloss=Wtank+Woil-topsurface=86.19+22.5=109.4 W，Woil+tank=（1-k）Ws-Wloss=（1-0.2）×500-109.4=290.6 W。

由于油箱部分與油共同升溫，油升溫功率可乘系數(shù)k′，即Woil=k′Woil+tank=0.9×290.6=261.54 W。

油升溫至15 ℃，所需熱量Qoil=c·m·Δt=1884×900×0.03×［（15+60）÷2+30］=3.4×106J，所需時(shí)間ζ＝Qoil/Woil=3.6 h。

4 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定磁力吸附電加熱器溫升曲線及理論分析加熱過程，得到了以下結(jié)論：

1）在實(shí)驗(yàn)加熱過程中，工質(zhì)的溫度緩慢上升，有效地解決了實(shí)際應(yīng)用中液壓油受熱不均的問題；工質(zhì)體積每增加10 L，其平衡時(shí)間增加約1 h；加熱過程中工質(zhì)最高溫度處不超過70 ℃，不會(huì)造成液壓油的氧化變質(zhì)，延長了液壓油的使用壽命。

2）理論分析中，通過對(duì)10 L 水的驗(yàn)證計(jì)算預(yù)測(cè)了環(huán)境溫度為-30℃、液壓油加熱到15℃所需要的時(shí)間，即3.6h，為其他工況提供了理論計(jì)算依據(jù)。

3）設(shè)備結(jié)構(gòu)輕巧，易于安裝，檢修方便，檢修時(shí)不用放油和停機(jī)，檢修、生產(chǎn)兩不誤。該設(shè)備中還配備了溫控裝置，可以根據(jù)不同工作條件進(jìn)行調(diào)節(jié)，大大提高了設(shè)備的安全系數(shù)。此外，該設(shè)備體積較小，還可以對(duì)各種車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行加熱，減輕了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冬季冷啟動(dòng)時(shí)的損傷。預(yù)計(jì)在未來在加熱領(lǐng)域有著更加廣泛的應(yīng)用前景。

［1］ 徐興友.PLC 在液壓站控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2004（4）：144.

［2］ 余軍偉.提升機(jī)液壓站冷卻和加熱裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2011，32（11）：22-24.

［3］ 郭茂先.工業(yè)電爐［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.