泡沫銅冷卻通道對鑄造模具冷卻的影響

楊德志,董夢龍,盧新偉,周照耀

(華南理工大學機械與汽車工程學院, 510640, 廣州)

泡沫銅冷卻通道對鑄造模具冷卻的影響

楊德志,董夢龍,盧新偉,周照耀

(華南理工大學機械與汽車工程學院, 510640, 廣州)

為了在冷卻通道內(nèi)插入泡沫銅強化冷卻高溫鑄造模具,建立了模擬高溫鑄造模具冷卻的實驗系統(tǒng),研究了不同流量下泡沫銅通道和空通道的模具冷卻情況。結(jié)果表明,當冷卻水體積流量分別為0.1、0.2、0.3和0.4 m3/h時,使用泡沫銅通道冷卻80s后,模具同一位置的溫度比空通道冷卻分別低16.2、19.3、23.5和29.4 ℃,冷卻排出熱流量較空通道分別高414、581、659和660W;隨著流量增加,使用泡沫銅通道的模具同一位置溫度降低、局部溫度梯度和熱流密度增大,說明冷卻通道內(nèi)插入泡沫銅能夠?qū)崿F(xiàn)鑄造模具的快速冷卻,并可望用于順序凝固溫度控制。

泡沫銅;強化換熱;鑄造模具;冷卻;溫度

壓鑄模由于在高溫、高壓的環(huán)境下使用,被壓入金屬液后吸收鑄件顯熱和凝固潛熱,在極短時間內(nèi)模具溫度上升,通常設置有冷卻通道冷卻大中型模具,以防止模具溫度過高而產(chǎn)生粘模、拉傷及粘鋁等問題。同時,采用冷卻通道冷卻模具可以縮短鑄件冷卻時間,控制模具局部溫度,提高鑄件質(zhì)量,有效延長模具壽命[1-2]。在生產(chǎn)中,有的鑄件局部地方需要快速冷卻,然而現(xiàn)有的壓鑄模具冷卻通道一般是通過鉆削加工而成的內(nèi)壁光滑通孔,由于壁面的水、油或空氣對流換熱系數(shù)有限,冷卻工質(zhì)從模具帶走的熱量有限,冷卻效率較低。因此,尋求一種壁面對流換熱系數(shù)高的強化換熱冷卻管道是快速高效冷卻模具的關(guān)鍵。

銅、鋁等多孔金屬材料由于骨架本身具有較大的比表面積、高熱導率等特點,利用其進行對流換熱時,多孔金屬骨架可以增大對流換熱的接觸面積,促進流體的混合,增加流道內(nèi)部的有效導熱系數(shù),進而提高冷卻管道壁面的對流換熱系數(shù)[3-4]。因此,多孔泡沫金屬材料在緊湊型換熱器、熱機致冷器、微電子器件冷卻等方面應用前景廣闊[5-6]。一些學者對流體通過泡沫金屬的流動換熱性能進行了大量研究。文獻[7-8]研究表明泡沫銅可以極大地提高換熱器的換熱系數(shù)。文獻[9-10]以水為工質(zhì)研究了其流過泡沫鋁的壓降和傳熱性能,指出泡沫金屬熱交換器比正在使用的商業(yè)熱交換器有更好的傳熱性能。文獻[11]指出孔徑和孔隙率對填充有高孔隙率開孔泡沫金屬管的對流強化換熱性能影響很大。文獻[12]研究了去離子水在超輕多孔泡沫銅中流動時的流動和換熱特性,表明泡沫銅能夠顯著強化對流換熱,能夠有效地降低通道的壁面溫度,隨著流速的增大,其換熱效果增大。文獻[13]對空氣在金屬泡沫管內(nèi)的強制對流換熱進行了二維數(shù)值模擬及實驗驗證,得出金屬泡沫管的強化換熱效果十分明顯,但其壓降遠大于光管的結(jié)論。文獻[14]研究了空氣流過鎳、銅材料泡沫金屬結(jié)構(gòu)的對流換熱性能,相對空槽道,在相同的實驗條件下,鎳、銅材料的泡沫金屬結(jié)構(gòu)分別使空氣的對流換熱系數(shù)增加了9～11倍和10～12倍。文獻[15]表明金屬泡沫結(jié)構(gòu)很大程度地增強了對流換熱,氣體流速的增加有利于強化換熱。

如上所述,銅、鋁等多孔金屬材料可以極大地強化對流換熱。目前,尚未見鑄造模具冷卻通道內(nèi)插入泡沫銅通以冷卻水強化冷卻模具的報道。本文搭建了模擬高溫鑄造模具冷卻的實驗系統(tǒng),通以不同流量冷卻水冷卻高溫模具,以對比分析不同流量下插入泡沫銅的冷卻通道和不插入泡沫銅的空通道對模具冷卻和熱傳遞的影響。

1 實驗裝置、實驗方法和數(shù)據(jù)處理

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖1所示,由模具加熱部分、模具冷卻部分和溫度數(shù)據(jù)采集部分構(gòu)成。模具加熱部分由電壓電流表監(jiān)控的穩(wěn)壓器輸出220V恒壓電源,提供給遠紅外線加熱管加熱模具,加熱控制開關(guān)用于控制加熱管瞬時通斷。模具冷卻部分中的進水為17 ℃左右自來水,手動閥調(diào)節(jié)流量,LWY-15智能型渦輪數(shù)顯流量計監(jiān)控水的體積流量,用電磁閥控制進入模具冷卻通斷內(nèi)水的瞬間通斷,冷卻水通過模具冷卻通道后排放至外界環(huán)境中。布置在模具位置1到位置4上的K型熱電偶采集溫度數(shù)據(jù),并連接到NI USB9162溫度數(shù)據(jù)采集卡上,計算機與數(shù)據(jù)采集卡連接,該部分用于監(jiān)控和記錄溫度數(shù)據(jù)。Cr12材質(zhì)的模具如圖2所示,其總體尺寸為125 mm×90mm×50mm。模具上方鉆有兩個直徑為15 mm的加熱孔,每個孔內(nèi)安裝外徑為12 mm、功率為400W的遠紅外線加熱管。模具底部中間位置鉆有直徑為10mm的冷卻孔,進出口通過卡套式銅接頭和外部的銅管連接。模具對稱面上鉆有4個外徑為2 mm的熱電偶孔,位置1和冷卻通道最上端壁面Z方向距離為10mm,位置1到位置4從下到上以10mm間距排列。每個熱電偶孔內(nèi)安裝外徑為2 mm、最高可耐1000℃的K型鎧裝熱電偶,用以監(jiān)測模具局部溫度。整個模具用耐高溫保溫棉包裹隔熱保溫。采用線切割加工而成的圓柱狀開孔性泡沫銅用于插入模具冷卻通道內(nèi)強化換熱,其幾何尺寸為Φ10mm×115 mm,孔隙率為0.95,孔徑平均值為2.27 mm,泡沫銅微觀照片如圖3所示。

圖1 實驗系統(tǒng)圖

圖2 模具剖面圖

圖3 泡沫銅微觀照片

1.2 實驗方法和數(shù)據(jù)處理

實驗中將體積流量分別為0.1、0.2、0.3和0.4 m3/h的冷卻水瞬間通入泡沫銅冷卻通道或空通道的高溫模具中,以分析不同流量下泡沫銅冷卻通道相對于空通道對模具冷卻的影響。每組實驗模具的初始溫度均為室溫下的狀態(tài)。先將穩(wěn)壓器電壓調(diào)節(jié)到220V,加熱模具,待模具位置1加熱到514 ℃時,關(guān)閉加熱控制開關(guān),同時打開冷卻水道的電磁閥控制開關(guān),使得預先調(diào)節(jié)好流量的冷卻水流入模具冷卻通道內(nèi)冷卻高溫模具。

溫度數(shù)據(jù)采集部分每隔1s采集數(shù)據(jù),對采集的模具監(jiān)測點溫度和模具進出口水溫度進行數(shù)據(jù)處理。T1、T2分別表示位置1、位置2上熱電偶采集的溫度數(shù)據(jù),位置1和位置2Z方向上溫度梯度為

gradT21=(T2-T1)/Δz21

式中:Δz21為Z方向上位置2和位置1之間的距離,為0.01m。

利用傅里葉定律可以計算位置1和位置2在Z方向上局部熱流密度

(1)

出水帶走熱流量為

(2)

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 泡沫銅冷卻通道對模具局部溫度的影響

當體積流量為0.4 m3/h時,模具位置1到位置4的溫度隨時間變化見圖4。由于模具的加熱源在上端,熱量向模具底部傳輸,在0時刻,位置4到位置1溫度逐漸減低。各位置的溫度隨著時間的增加而降低,位置1到位置4溫度下降速度沿著Z方向減小。同一時刻,冷卻通道內(nèi)有泡沫銅時同一位置的溫度低于空通道時的溫度,這種溫度差值沿著Z方向減小,位置1的差值最大,位置4差值最小,在第80s時,位置1到位置4的溫度差值分別為29.4、18.5、10.2和4.1℃。

圖4 體積流量為0.4 m3/h時T1、T2、T3和T4隨時間的變化情況

圖5 不同體積流量下T1隨時間的變化情況

圖5為各體積流量下模具位置1的溫度T1隨時間變化情況。每條曲線隨著時間的增加而下降,初始階段下降較快,隨后下降減緩。無論是泡沫銅冷卻通道還是空通道時,隨著流量增加,冷卻通道內(nèi)水流速越快,通道內(nèi)湍流越激烈,水對流換熱越強,帶走的熱量速率越快,故同一時刻T1越低。由于泡沫銅具有高的熱導率,能迅速從接觸的高溫模具傳導熱量至其骨架中,同時其有序的骨架結(jié)構(gòu)具有大的孔隙率以及較大的比表面積,有利于破壞或者減薄對流過程中的熱邊界層,增大和水的對流換熱面積,促使核心區(qū)域的流體與邊界層流體的混合。所以,同一流量下,泡沫銅冷卻通道內(nèi)管壁的對流換熱系數(shù)強于空通道管壁的對流換熱系數(shù),即泡沫銅冷卻通道冷卻模具時T1低于空通道冷卻模具時的值。從圖5中亦可以看到,同一時刻,泡沫銅冷卻通道冷卻模具與空通道冷卻模具的T1差值隨著流量的增加而增大;在同一流量下,泡沫銅冷卻通道冷卻模具與空通道冷卻模具的T1差值隨著時間的增加而增大。第80s且體積流量分別為0.1、0.2、0.3、0.4 m3/h時,泡沫銅冷卻通道冷卻模具時的T1比空通道冷卻時分別低16.2、19.3、23.5和29.4 ℃。

2.2 泡沫銅冷卻通道對出水溫度和出水帶走熱量的影響

圖6為各流量下出水溫度和出水帶走熱量圖。隨著時間的增加,各組圖中溫度曲線和出水帶走的熱量曲線下降,初始階段下降迅速,之后下降趨勢變緩。這是因為初始階段模具溫度較高,冷卻通道壁與冷卻水的溫差大,壁面熱量能迅速傳遞到水中,隨著時間增加,模具溫度降低,冷卻通道壁與冷卻水的溫差變小,壁面?zhèn)鬟f到水中的熱量速度減慢。在同一流量下,泡沫銅冷卻通道與空通道冷卻模具時的出水溫度差值隨著時間的增加而增大,與之對應,出水帶走熱量的差值也隨時間增加增大。在不同流量下,隨著流量增加,同一時刻,泡沫銅冷卻通道與空通道冷卻模具的出水溫度差值減小,而出水帶走的熱量差值增加。表1為各流量下,第80s時出水溫度和帶走熱量速率。其中,T為各流量下出水溫度;ΔT為各流量下泡沫銅冷卻通道與空通道冷卻模具的出水溫度差值。qout表示各流量下出水帶走熱量;Δqout為各流量下泡沫銅冷卻通道與空通道冷卻模具的出水帶走熱量差值。由表1可知,冷卻后第80s,體積流量分別為0.1、0.2、0.3和0.4 m3/h時,對應各流量的泡沫銅冷卻通道的出水溫度比空通道分別低3.5、2.5、1.9和1.4 ℃,而泡沫銅冷卻通道帶走熱流量比空通道分別要高414、581、659和660W。由此可見,隨著流量增加,泡沫銅通道比空通道可以帶走更多的熱量。

圖7為泡沫銅冷卻通道冷卻時各流量下出水溫度和帶走熱流量隨時間的變化情況。圖7變化趨勢和文獻[16]不同流量下空通道冷卻鑄造模具的相應圖變化趨勢比較類似。由圖7a可知,冷卻初始階段每條曲線下降很快,流量越大,下降就越快,隨后下降趨勢減緩,同一時刻,流量越低,出水溫度就越高。由圖7b可知,冷卻初始階段每條曲線也是下降很快,流量越大,下降就越快,隨后下降趨勢減緩,而同一時刻,流量越低,出水帶走的熱量就越少,特別在冷卻初始階段,同一時刻各流量下出水帶走的熱流量差值非常大。

(a)流量為0.1m3/h

(b)流量為0.2 m3/h

(c)流量為0.3 m3/h

(d)流量為0.4 m3/h

表1 各流量下第80s時的出水溫度和帶走的熱流量

(a)出水溫度隨時間的變化

(b)帶走熱流量隨時間的變化

2.3 泡沫銅冷卻通道對模具局部溫度梯度和局部熱流密度的影響

當流量為0.4 m3/h時,位置1和位置2溫度梯度及Z方向上熱流密度隨時間變化見圖8。流量為0.1、0.2、0.3 m3/h時,位置1和位置2溫度梯度及Z方向上熱流密度隨時間的變化和0.4 m3/h時的趨勢一致,此處不再贅述。在各流量下,位置1和位置2溫度梯度及Z方向上熱流密度隨著時間的增加而迅速增加,增加到一定程度后開始緩慢下降。在各流量下的同一時刻,泡沫銅通道冷卻模具時位置1和位置2溫度梯度大于空通道冷卻時的值,與之對應,Z方向上熱流密度也是泡沫銅通道冷卻模具時大。圖9為泡沫銅冷卻通道時各流量下位置1和位置2在Z方向上熱流密度隨時間的變化。在同一時刻下,流量越大,熱流密度也越大,這是因為各流量冷卻初始時,模具的溫度場基本一樣,而流量越大,冷卻通道內(nèi)湍流越劇烈,冷卻通道壁的對流換熱系數(shù)越大,冷卻水從壁面帶走的熱量越多,故位置1和位置2熱流密度越大。

圖8 位置1和位置2溫度梯度及Z方向上熱流密度隨時間的變化(體積流量為0.4 m3/h)

圖9 不同流量下位置1和位置2在Z方向上熱流密度隨時間的變化

3 結(jié) 論

本文對高溫模具冷卻通道內(nèi)插入泡沫銅和不插入泡沫銅進行了不同流量下水冷卻實驗,結(jié)論如下。

(1)泡沫銅冷卻通道相對空通道可以顯著地降低冷卻通道附近的溫度,當體積流量為0.4 m3/h、開啟冷卻后第80s時,泡沫銅冷卻通道冷卻模具相對空通道冷卻位置1溫度低29.4 ℃。在相同流量下的同一時刻,離冷卻通道越遠,泡沫銅冷卻通道與空通道冷卻模具在同一位置的溫度差越小。

(2)在相同體積流量下的同一時刻,泡沫銅冷卻通道比空通道出水溫度、出水帶走熱流量更大,模具上同一位置的溫度更低,模具局部溫度梯度和熱流密度更大。

(3)在不同流量下的同一時刻,泡沫銅冷卻通道隨著流量增加,出水溫度減小,出水帶走的熱流量增加,模具同一位置溫度降低,模具局部溫度梯度和熱流密度增大。

(4)模具局部溫度梯度與局部熱流密度先隨時間的增加而迅速增加,增加到一定程度后開始緩慢下降。

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(編輯 杜秀杰)

EffectofCopperFoamInsertedinCoolingChannelonCastingMoldCooling

YANG Dezhi,DONG Menglong,LU Xinwei,ZHOU Zhaoyao

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

To enhance cooling of high temperature casting mold by porous copper foam inserted in cooling channel, an experimental system simulating the cooling process of high temperature casting mold was constructed, where porous copper foam was inserted into the cooling channel. Taking four flow rates, 0.1, 0.2, 0.3 and 0.4 m3/h of cooling water, after 80s of cooling time, the temperature at the same position of mold with insert gets 16.2, 19.3, 23.5 and 29.4 ℃ lower than that of mold without insert, and the heat flow rate is 414, 581, 659 and 660W higher, respectively. When the flow rate increases, the temperature at the same position of the mold with insert decreases while the local temperature gradient and the heat flux increase. It is shown that the copper foam inserted in cooling channel of casting mold facilitates rapid cooling and sequential solidification temperature controlling.

copper foam; heat transfer enhancement; casting mold; cooling; temperature

2014-03-27。

楊德志(1985—),男,博士生;周照耀(通信作者),男,教授,博士生導師。

國家發(fā)展改革委員會專項資金資助項目(ChinaGrid2011636);粵港關(guān)鍵領域重點突破資助項目(2009Z001)。

時間:2014-10-23

10.7652/xjtuxb201412019

TG244

:A

:0253-987X(2014)12-0120-06

網(wǎng)絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20141023.1634.007.html