適用于高壓真空氣淬爐的一種新型鰭片換熱器

高曉云 劉慶鎖 尉雷

(1.天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院,天津 300384;2.天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300384)

適用于高壓真空氣淬爐的一種新型鰭片換熱器

高曉云1劉慶鎖2尉雷2

(1.天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院,天津 300384;2.天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300384)

針對(duì)高壓氣淬爐換熱器,從換熱鰭片,換熱材料和換熱管殼三個(gè)方面相對(duì)于常規(guī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),實(shí)踐證明,改進(jìn)的設(shè)計(jì)達(dá)到了強(qiáng)化傳熱的效果,有效地提高了換熱器的傳熱能力。

高壓氣淬爐 鰭片換熱器 傳熱強(qiáng)化 節(jié)能

真空高壓氣體淬火技術(shù)是一種高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、清潔無污染的先進(jìn)熱處理技術(shù)。自上世紀(jì)80年代以來,國外廣泛采用高壓氣淬代替油淬,以免除清洗工序,提高工件表面質(zhì)量,由此真空高壓氣淬爐成為國內(nèi)外熱處理行業(yè)需求的熱門產(chǎn)品。換熱器作為真空高壓氣淬爐的關(guān)鍵部件起著舉足輕重的作用, 其中主要問題之一是換熱問題。對(duì)于真空高壓氣淬爐整體來說,氣體是換熱媒介,在工件處氣體吸熱,在換熱器處氣體放熱。如果換熱器性能不好,氣體在換熱器處溫度就降不下來,即熱量換不出去,不能滿足工件從奧氏體溫度冷卻的淬火要求。所以,換熱器換熱性能的好壞直接決定了高壓氣淬爐是否能夠?qū)嶓w現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、清潔無污染的先進(jìn)熱處理過程。

目前,在真空高壓氣淬工藝中,主要應(yīng)用的是間壁式金屬換熱器。從結(jié)構(gòu)上來看,高壓氣淬爐中的換熱器主要以管式換熱器為主,這種換熱器以管子表面作為傳熱面,這種換熱器性能體積大,效率不理想。本文針對(duì)換熱器的一般結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改造,力圖研制出氣淬條件下的新型換熱器,達(dá)到提高換熱效率目的,滿足當(dāng)前熱處理行業(yè)高效節(jié)能的要求。

圖1 改進(jìn)前鰭片結(jié)構(gòu)

圖2 改進(jìn)后鰭片結(jié)構(gòu)

1 換熱管強(qiáng)化傳熱設(shè)計(jì)

換熱器的傳熱強(qiáng)化就是力求使換熱設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)、單位傳熱面積傳遞的熱量盡可能增多[1]。應(yīng)用強(qiáng)化傳熱技術(shù)的目的是為了進(jìn)一步提高高壓氣淬爐換熱效率,減少能量傳遞過程中的損失,更合理更有效地利用能源。

研究發(fā)現(xiàn):異形管可以顯著提高高壓氣淬爐的換熱能力?；诖?本文引入管程傳熱設(shè)計(jì)理念。管程傳熱設(shè)計(jì)就是對(duì)光管進(jìn)行加工得到各種結(jié)構(gòu)的異形管,通過異形管進(jìn)行傳熱,即通過改變管程的變化,使得換熱器的換熱能力得到提高。為了進(jìn)一步強(qiáng)化管程傳熱的能力本文嘗試設(shè)計(jì)出一種外壁帶分段鰭片結(jié)構(gòu)的換熱異形管,簡稱鰭片管。

1.1 鰭片結(jié)構(gòu)作用

換熱器將熱量從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方,是通過散熱結(jié)構(gòu)與空氣對(duì)流將熱量移除到周圍空氣中。鰭片起到散熱結(jié)構(gòu)作用,其通過擴(kuò)大傳熱面積與促進(jìn)流體的湍流而加強(qiáng)散熱。高壓氣淬爐中的散熱裝置中,鰭片管受到重視。為了高效地移除發(fā)熱元件所產(chǎn)生出來的熱量,能夠高效散熱的散熱鰭片設(shè)計(jì)很有必要。圖1表示出一般鰭片結(jié)構(gòu)。

鰭片設(shè)計(jì)時(shí),要求鰭片端部溫度要小于允許溫度,鰭端與鰭根之間的溫差要小于允許溫差。這個(gè)允許溫差限值,不管是低合金鋼或碳鋼都是個(gè)定值[2]。通過鰭片金屬溫度計(jì)算:相同的鰭片寬度W下,隨著鰭片長度 L的增加,鰭端與鰭根的溫差就越小,相反L越小則鰭端與鰭根的溫差就越大,就越有利于換熱。鰭片材料大多采用Cr-Mo鋼,并且鰭片厚度大多采用6mm。

圖3 管身各處位置鰭片結(jié)構(gòu)

圖4 螺旋槽紋管

圖5 弓形折流板換熱結(jié)構(gòu)

圖6 螺旋折流板換熱結(jié)構(gòu)

圖7 溫度交變對(duì)鰭片換熱器的影響

我們根據(jù)氣淬爐的高溫高壓的特點(diǎn),提出改進(jìn)的鰭片結(jié)構(gòu)見圖2。在結(jié)構(gòu)中,對(duì)于間隙較小處,可按圖3中A-A 剖面用圓鋼填焊,而對(duì)管間較寬處,可在兩邊管子上分別焊鰭片,如圖3中C-C剖面。改進(jìn)后的鰭片寬度在30～70mm之間。相對(duì)于改進(jìn)前的鰭片結(jié)構(gòu)而言,這樣,鰭片的管可以大大增加換熱器有效散熱面積,從而提高爐子的換熱能力。

1.2 螺旋槽紋管設(shè)計(jì)

高溫高壓工況下,為了有效的利用能源,我們也對(duì)換熱器管身形狀進(jìn)行了改變,把換熱器的管身進(jìn)行擠壓加工變成了螺旋槽紋管,如圖4所示。這導(dǎo)致管內(nèi)傳熱主要由兩種流動(dòng)方式?jīng)Q定:一是螺旋槽近壁處流動(dòng)的限制作用,使管內(nèi)流體做整體螺旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的局部二次流動(dòng);二是螺旋槽所導(dǎo)致的形體阻力,產(chǎn)生逆向壓力梯度使邊界層分離。螺旋槽紋管具有雙面強(qiáng)化傳熱的作用,實(shí)踐證明,傳熱性能較光管提高2～4倍。

2 殼程強(qiáng)化傳熱

在管殼式換熱器中,管束支撐結(jié)構(gòu)的主要作用是:支撐管束,使殼程流體產(chǎn)生期望的流型和流速,阻止管子因流體誘導(dǎo)振動(dòng)而發(fā)生失效。因此,管束支撐結(jié)構(gòu)是殼程內(nèi)的關(guān)鍵部件,直接影響著換熱器殼程的流體流動(dòng)和傳熱性能[3]。在高壓氣淬爐工作中,傳統(tǒng)的管殼式換熱器大多采用弓形隔板支撐,如圖5所示。這種結(jié)構(gòu)形式存在一些弊端,如阻力大、死角多、傳熱面積無法被充分利用,還可能引發(fā)流體流動(dòng)振動(dòng)等等。

我們?cè)O(shè)計(jì)了螺旋折流板換熱器,如圖6所示。首先,螺旋折流板換熱器與弓形折流板換熱器布置方式不同,它的折流板相互形成一種螺旋形結(jié)構(gòu),每個(gè)折流板與殼程流體的流動(dòng)方向成一定的角度,使殼程流體做螺旋運(yùn)動(dòng),能減少管板與殼體之間易結(jié)垢的死角,從而提高了換熱效率。其次,螺旋流換熱器的強(qiáng)化傳熱機(jī)理為螺旋通道內(nèi)的流型減弱了邊界層的形成,從而使傳熱系數(shù)有較大增加。相對(duì)于弓形折流板,螺旋折流板消除了弓形折流板的返混現(xiàn)象,從而提高有效傳熱溫差,在相同流速時(shí),殼程流動(dòng)壓降小,基本不存在流動(dòng)與傳熱死區(qū)。

實(shí)際使用效果表明,螺旋折流板比傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器傳熱系數(shù)提高30%左右,殼程壓降減少50%。

3 換熱器材料選擇

不同材料的鰭片對(duì)于換熱器整體的換熱能力起著重要的作用。在高溫高壓的工作情況下,溫度交變對(duì)鰭片管換熱系數(shù)的影響如圖7所示。與溫度交變前相比,銅、鋁鰭片管的換熱系數(shù)降低率都是隨風(fēng)量的增大而降低;而且在不同風(fēng)量下,鋁鰭片管的降低率都比銅鰭片管的換熱系數(shù)降低率大,溫度交變對(duì)鋁鰭片管的影響比對(duì)銅鰭片管的影響大[4]。

溫度交變對(duì)換熱器性能的影響主要與不同物質(zhì)具有不同的熱脹冷縮特性有關(guān),在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)銅和鋁的線漲系數(shù)大約為17．7×10-6/℃、23．4×10-6/℃。溫度交變會(huì)導(dǎo)致鰭片管鰭片間距變大,從而導(dǎo)致鰭片接觸面積變小,接觸熱阻變大,從而導(dǎo)致鰭片管換熱量變小,換熱系數(shù)降低。由于銅管-鋁鰭片管具有不同的線脹系數(shù),并且相同風(fēng)量下銅管-銅鰭片管散熱比較多,綜合兩種因素溫度交變對(duì)銅鰭片管的換熱量和換熱系數(shù)的影響比較小,因此銅鰭片管比鋁鰭片管具有更好的長效特性?；诖?我們?cè)谠O(shè)計(jì)中選用銅質(zhì)換熱器,實(shí)際效果良好。

4 結(jié)語

由理論與實(shí)際相結(jié)合設(shè)計(jì)出適用于高壓氣淬爐的換熱器具有以下的特點(diǎn):(1)改進(jìn)的鰭片結(jié)構(gòu),通過增加換熱器有效散熱面積,有效地提高了換熱器的換熱能力。(2)設(shè)計(jì)的螺旋折流板換熱器殼程強(qiáng)化了換熱器的傳熱,解決了常規(guī)弓形折流板管體震動(dòng)等問題,保證了高壓氣淬爐的有效工作。(3)在銅鋁兩種導(dǎo)熱性能良好的管體材料中選擇了更適合高溫高壓工況下的銅材料,也提高了換熱器的傳熱能力。

[1]馮國紅,曹艷芝,郝紅.管殼式換熱器的研究進(jìn)展[J].化工技術(shù)與開發(fā),2009(6):41-42.

[2]陳干錦,楊國忠,王振東.分段鰭片結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào),2001(3):11-13.

[3]劉乾,劉陽子.高效節(jié)能換熱器概述[J].石油和化工節(jié)能,2009(6):8-11.

[4]胡兵,趙宇,王勤韌.溫度交變對(duì)翅片管換熱器性能影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷學(xué)報(bào),2011(2):20-22.

The three aspects of the heat transfer from the fins, heat transfer material and heat exchange tube shell compared with the conventional structure of the heat-exchanger in a high-pressure gas quenching furnace have improved its design. It has been found that improved design has strengthened the heat transfer effect and effectively improved the heat transfer ability of heat-exchange facility

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