熱管砂輪換熱性能試驗研究

沈厚法，傅玉燦，陳佳佳

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

磨削是一種利用砂輪或砂帶進行材料加工的方法，其去除單位體積材料所需要的能量要遠遠大于其他傳統(tǒng)加工方法，并且大部分能量都是以熱量的形式積聚在磨削弧區(qū)中，導致磨削弧區(qū)溫度升高，引起工件燒傷、砂輪磨損等問題。因此在保證大材料去除率的前提下盡可能地降低磨削弧區(qū)溫度，避免磨削燒傷和砂輪磨損，保證工件的加工質量成為當今高效磨削加工亟需解決的關鍵問題[1]。

國內外學者對磨削弧區(qū)的強化換熱開展了一系列的研究工作。Webster[2]等人從優(yōu)化磨削液噴嘴的幾何形狀角度出發(fā)，設計出新型圓形噴嘴，使磨削液能更加有效地進入磨削弧區(qū)，降低磨削溫度。Schumack[3]等人則從提高磨削液射速的角度出發(fā)，提出利用高壓將磨削液的噴射速度提高到300 m/s以上，從而使磨削液能夠更加高效地進入磨削弧區(qū)，保證了在高速、超高速磨削時的弧區(qū)冷卻效果。另外，Ebbrell[4]等人在砂輪周圍使用一套空氣擋板“scapers”裝置，通過砂輪高速旋轉引起的氣流降低砂輪旋轉對磨削液冷卻的影響，從而實現(xiàn)了磨削液在較低射流速度下也能夠順利進入到磨削弧區(qū)進行換熱的效果。

相對于外部射流冷卻，砂輪內冷卻技術是另一種磨削液供給方式，其利用砂輪自身的孔隙結構和砂輪旋轉的離心力作用，將磨削液由砂輪內部射向磨削弧區(qū)[5]。

無論是外部射流沖擊冷卻，還是在砂輪內冷卻，其本質都是希望盡可能多地將磨削液送入磨削弧區(qū)進行強化換熱。但這無疑與現(xiàn)行“高效、低能耗、綠色”制造的發(fā)展趨勢相悖，同時也帶來一系列負面影響，譬如能耗增加、嚴重污染環(huán)境以及危害工人健康[6]。

熱管砂輪技術是基于熱管的磨削弧區(qū)強化換熱技術[7]。該項技術的核心是基于一定的結構和工藝，將旋轉熱管于砂輪相結合，使磨削弧區(qū)的熱量直接導入熱管蒸發(fā)端并經熱管迅速疏導出去，使冷卻的重心由工件轉向砂輪，以達到強化弧區(qū)換熱、提高材料去除率的目的。

雖然熱管砂輪用于強化難加工材料高效磨削弧區(qū)換熱的可行性已經得到了相關驗證，但是其工作機理和換熱性能優(yōu)化還有待進一步研究。因此本文將探究熱管砂輪的幾個重要影響因素：充液率、熱流密度、砂輪轉速和冷端條件對熱管砂輪換熱性能的影響，優(yōu)化出一組使熱管砂輪換熱性能最佳的使用參數(shù)。

1 熱管砂輪結構

基于旋轉熱管的工作原理，在不銹鋼砂輪基體中設計加工出環(huán)形的熱管，該環(huán)形熱管的蒸發(fā)端接近磨削弧區(qū)，冷凝端遠離弧區(qū)，熱管中充以適當?shù)墓ぷ鹘橘|，借由該環(huán)形熱管高效地疏導磨削弧區(qū)的磨削熱。熱管砂輪工作原理見圖1。液態(tài)工作介質在離心力作用下均勻分布于環(huán)形工作腔壁面，在磨削弧區(qū)熱量作用下汽化，氣態(tài)工作介質在壓差作用下運動至冷凝端，經冷凝端冷卻后重新液化為液體，放出熱量，并在離心力作用下回到蒸發(fā)端，周而復始，實現(xiàn)了磨削弧區(qū)冷卻的目的。

圖1 熱管砂輪結構圖

2 試驗條件與方法

2.1 試驗條件

1) 熱管砂輪的制備

熱管砂輪的原理是利用環(huán)形熱管的高導熱性來提高砂輪的換熱性能，從而強化磨削弧區(qū)散熱。所以熱管砂輪的制備主要是針對內部環(huán)形熱管的熱備，圖2是環(huán)形熱管的制作平臺，該平臺由注射器、電容規(guī)、電容真空計、復合真空計、真空閥和分子泵組成。將不具有熱管功能的熱管砂輪置于該制作平臺上完成抽真空、注液和封尾等操作，使之具有環(huán)形熱管。熱管砂輪的實物如圖3所示。

圖2 環(huán)形熱管的制作平臺

圖3 熱管砂輪實物圖

2) 試驗系統(tǒng)的搭建

對熱管砂輪進行換熱性能試驗，在模擬熱管砂輪實際磨削的情況下，實時測量熱管砂輪內部環(huán)形熱管的溫度，從而評價熱管砂輪的換熱性能。圖4所示為熱管砂輪換熱性能試驗系統(tǒng)裝置簡圖，由熱管砂輪、電機、高頻感應加熱設備、低溫冷風冷卻槍系統(tǒng)、軸向滑環(huán)電刷、信號調理電路和信號采集卡組成。熱管砂輪安裝于回轉試驗機上，利用變頻器來調速，最高轉速可達12 000 r/min；高頻感應加熱設備作為模擬實際磨削時磨削弧區(qū)的熱源，其感應線圈導磁體的面積為252 mm2；由低溫冷風冷卻槍系統(tǒng)(型號Exair3925，在室溫為 20 ℃、入口壓力為0.6 MPa、入口流量為600 L/min的工作條件下，可產生比氣源溫度低20 ℃的低溫氣流)作為熱管砂輪冷凝端的冷卻設備[8]；在熱管砂輪的蒸發(fā)端內壁布置了2個測溫節(jié)點(T1、T2)，在絕熱端(T3)和冷凝端內壁(T4)分別布置了1個測溫點，通過軸向滑環(huán)和電刷保證砂輪高速旋轉時的實時測溫信號輸出，然后讓測溫信號經過調理電路進行硬件濾波，除去高頻感應加熱器對測溫信號的干擾后，溫度信號由信號采集卡和Labview記錄。搭建完成的試驗裝置圖如圖5所示。

圖4 熱管砂輪換熱試驗系統(tǒng)簡圖

圖5 試驗裝置圖

2.2 試驗參數(shù)

前已述及，熱管是依靠工作介質的相變循環(huán)來傳遞熱量的，因此工作介質的物理性質對于熱管的工作特性有重要的影響。本文開展的試驗中，熱管砂輪的工作溫度低于120 ℃，管殼材料為2Cr13不銹鋼，采用經濟易得且綜合物理性質較好的蒸餾水作為工作介質。

熱管工作介質的注入量要適度，注入量不足時換熱能力不夠，注入量過大則難以啟動或阻塞冷凝端。因此本文中環(huán)形熱管的充液率分別為熱工作腔總容積的5%、10%、15%、20%。由于高頻感應加熱器的最大加熱功率僅有4 000 W，因此換熱試驗中對熱管砂輪的加熱參數(shù)設為2 500 W/m2，5 000 W/m2，10 000 W/m2，15 000 W/m2。轉速選為500 r/min，1 000 r/min，1 500 r/min，2 000 r/min。具體試驗參數(shù)見表1。

表1 試驗參數(shù)表

3 試驗結果分析

3.1 環(huán)形熱管對熱管砂輪換熱性能的影響

本文旨在探究充液率、轉速、熱流密度和冷端條件對熱管砂輪換熱性能的影響，所以首先需要驗證熱管砂輪相對于無熱管砂輪的確具有強化換熱的作用，即驗證在換熱試驗中，環(huán)形熱管對提高砂輪導熱性起到了顯著的作用。

圖6 測溫原始信號圖

圖6為本次換熱試驗中熱管砂輪蒸發(fā)端T1和冷凝端T4測溫信號的原始信號，圖中縱坐標是熱電勢信號，可以通過對測溫信號的熱電勢進行標定，將其轉化成溫度信號。圖中的干擾信號是由于變頻器的電磁干擾造成。如圖6所示，剛開始加熱時，蒸發(fā)端和冷凝端的溫度會迅速增加。當熱管工作達到穩(wěn)定時，蒸發(fā)端和冷凝端的溫度也開始趨于穩(wěn)定，最后蒸發(fā)端與冷凝端的溫差很小，符合熱管的均溫特性。

首先進行有無熱管的對比試驗，在轉速1 000r/min、熱流密度5 000W/m2、5%充液率、冷端條件為7℃的冷風，出口速度為80m/s、加熱時間為300s的試驗條件下，對比熱管砂輪和無熱管砂輪(將熱管砂輪工作腔的真空環(huán)境破壞掉使其內部氣壓為大氣壓)內部的測溫點的溫度。將原始信號經過軟件濾波和標定之后能夠得出有無熱管砂輪的蒸發(fā)端溫度T1隨時間變化的曲線圖7。

圖7 有無熱管蒸發(fā)端溫度對比圖

如圖7所示，穩(wěn)定時無熱管的蒸發(fā)端平均溫度值為67.8℃，達到穩(wěn)定所需時間為130s，而熱管砂輪的蒸發(fā)端平均溫度值僅為55.11℃，達到穩(wěn)定所需時間為80.1s。所以得出在相同試驗條件下，熱管砂輪會比無熱管砂輪的溫度更低并且達到穩(wěn)定所需時間更短。另外無熱管的蒸發(fā)端與冷凝端溫差為12.1℃，而熱管砂輪的蒸發(fā)端與冷凝端溫差僅為3.68℃，所以無熱管的總熱阻是熱管砂輪的3.3倍。由上述分析可得，在相同試驗條件下，環(huán)形熱管可以降低砂輪溫度，減少啟動時間，提高砂輪的換熱性能。

3.2 熱流密度對熱管砂輪換熱性能的影響

熱流密度是影響熱管砂輪換熱性能的重要因素，若熱流密度太小，會使熱管砂輪無法啟動，而熱流密度太大，會使熱管砂輪內環(huán)形熱管失效。所以本節(jié)將分析熱流密度對熱管砂輪換熱性能的影響。

5%充液率下的熱管砂輪等效傳熱系數(shù)與蒸發(fā)端熱流密度之間的關系如圖8所示，在所有轉速條件下，熱管砂輪內環(huán)形熱管的等效換熱系數(shù)都是隨著熱流密度增加而增加，主要是由于隨著熱流密度的增加，環(huán)形熱管內部傳熱方式由表面蒸發(fā)轉變成核態(tài)沸騰，提高了傳熱效率，從而提高了環(huán)形熱管傳熱系數(shù)。但是如果熱流密度持續(xù)增加，環(huán)形熱管內部傳熱方式會由核態(tài)沸騰變成膜態(tài)沸騰，使熱管失效。本試驗中最大熱流密度為15 000W/m2，并沒有出現(xiàn)熱管失效的現(xiàn)象，可見熱管砂輪的失效條件幾乎很難達到。

圖8 5%充液率熱流密度對換熱性能的影響

圖9 20%充液率熱流密度對換熱性能的影響

圖9是20%充液率時，不同轉速下熱管砂輪的等效換熱系數(shù)與熱流密度之間的關系。如圖9所示，20%充液率下，轉速在500r/min到2 000r/min時，熱管砂輪的等效換熱系數(shù)還是隨著熱流密度的增加而增加，與5%充液率條件下的變化規(guī)律一致。但是相較于5%的充液率，20%充液率下的熱管砂輪等效換熱系數(shù)受熱流密度影響的程度會更小一點。主要是因為當熱管砂輪內工質含量較大時，熱流密度在2 500W/m2至15 000W/m2的范圍內變化時，只能使熱管砂輪內的傳熱方式停留在表面蒸發(fā)的范圍，無法從表面蒸發(fā)變化成核態(tài)沸騰。因此當熱流密度增加時，等效換熱系數(shù)變化梯度會相對較小一點。

綜上分析可得，熱管砂輪的等效換熱系數(shù)會隨著蒸發(fā)端熱流密度的增加而增加。而且充液率較小時，熱管砂輪等效換熱系數(shù)受加熱功率的影響更加明顯。所以對于一個充液率已經確定的熱管砂輪，它更適用于磨削弧區(qū)熱流密度較大的情況下，從而可以保證熱管砂輪起到良好的導熱作用。

3.3 轉速對熱管砂輪換熱性能的影響

除熱流密度外，轉速同樣是熱管砂輪的重要影響因素之一。所以本節(jié)將分析轉速對熱管砂輪換熱性能的影響。首先在10%充液率、5 000W/m2熱流密度的條件下，熱管砂輪內4個測溫點溫度與轉速的關系如圖10所示。T1和T2是蒸發(fā)端不同位置的2個測點，T3是絕熱端的測溫點，T4是冷凝端的測溫點。所以從圖中能夠看出T1和T2溫度值相差最大僅為8%，因此能夠認為熱管砂輪蒸發(fā)端的溫度比較均勻。T3的溫度普遍比T1和T2高，主要原因是因為絕熱端的測溫點是布置在熱管砂輪側壁面，而側壁面是金屬基體，相對于環(huán)形熱管導熱較慢，所以溫度較高。除此之外，隨著轉速的增加，每個測溫點的溫度都是逐漸下降的。這主要是由于轉速增加會使砂輪與空氣的對流換熱加強，從而使砂輪整體溫度下降，所以可以得出轉速的增加會使熱管砂輪整體溫度降低。

圖10 熱管砂輪溫度與轉速之間的關系

圖11和圖12分別是熱流密度為2 500W/m2和15 000W/m2時不同充液率下熱管砂輪等效換熱系數(shù)和轉速之間的的關系。從圖中可以看出，充液率為10%時，不管是在低熱流密度或高熱流密度時，熱管砂輪等效換熱系數(shù)隨著轉速的增加而增加。而且當轉速由1 000r/min增加到1 500r/min時，等效換熱系數(shù)會突然升高。而其他充液率下的熱管砂輪，在高熱流密度輸入時，轉速對熱管砂輪的等效換熱系數(shù)影響并不明顯，在低熱流密度輸入時，轉速的增加會使熱管砂輪的等效換熱系數(shù)逐漸升高。這種現(xiàn)象的原因是因為砂輪轉動會增加熱管砂輪與周圍空氣的強迫對流，并且轉速越高對流越強，但是輸入熱流密度較高時，對流加強的散熱效果并不明顯。當輸入熱流密度較低時，轉速提高造成的對流加強會使輸入功率大幅度降低，從而使熱管砂輪的等效換熱系數(shù)得到提高。

圖11 2 500 W/m2換熱性能與轉速的關系

圖12 15 000 W/m2換熱性能與轉速的關系

綜上分析可得，轉速的增加會降低熱管砂輪的整體溫度，并在輸入熱流密度較小時，能夠提高熱管砂輪的等效換熱系數(shù)。若輸入熱流密度較大時，轉速對熱管砂輪的換熱性能影響并不明顯。當充液率為10%，轉速對熱管砂輪換熱性能的影響最明顯。特別當轉速為1 500 r/min和熱流密度為15 000 W/m2時，熱管砂輪的換熱性能達到最佳。

3.4 充液率對熱管砂輪換熱性能的影響

充液率的大小對熱管砂輪的換熱性能有著較大的影響。為了考察不同工質充液率對熱管砂輪強化換熱性能的影響，本文選用熱管管腔總體積的5%、10%、15%和20%的充液率進行試驗研究。

圖13 熱管砂輪換熱性能與充液率之間的關系

圖13是轉速為1 500r/min時，不同熱流密度下熱管砂輪等效換熱系數(shù)與充液率的關系曲線圖。如圖所示，在不同熱流密度下，10%充液率下的等效換熱系數(shù)都最好，而且隨著熱流密度增加，10%充液率下的等效換熱系數(shù)也增加較快。其原因主要是因為當充液率為5%時，由于液體含量較少，所以由相變和液體對流傳遞的熱量較少，從而降低了熱管砂輪的等效換熱系數(shù)。當充液率為15%和20%時，由于液體含量較多，液膜厚度較厚，從而難以發(fā)生核態(tài)沸騰，而液膜較厚造成液膜熱阻較大，從而使熱管砂輪整體熱阻增加，等效導熱系數(shù)降低。所以10%充液率可以使熱管砂輪保持較好的等效換熱系數(shù)。

3.5 冷端條件對熱管砂輪換熱性能的影響

除了熱流密度、轉速和充液率之外，冷端條件也是影響熱管砂輪換熱性能的重要影響因素。冷端條件太小會使飽和蒸氣無法完全冷卻，使冷凝液無法回流至蒸發(fā)端、從而使環(huán)形熱管容易發(fā)生干涸，降低熱管砂輪的等效換熱系數(shù)。所以本節(jié)通過改變低溫冷風的出口速度，探究冷端條件對熱管砂輪換熱性能的影響。圖14是本次試驗用于熱管砂輪冷凝端冷卻的渦旋管冷卻裝置。

圖14 渦旋管裝置圖

本次換熱試驗選用低溫冷風出口速度參數(shù)分別為0 m/s2，80 m/s2和150 m/s2，冷風溫度為7 ℃。圖15為10%充液率、熱流密度為15 000 W/m2、轉速為500 r/min時不同冷端條件下，熱管砂輪蒸發(fā)端內壁和冷凝端內壁測溫點的溫度分布，由圖中可以看出，隨著冷端條件的增加，各個測溫點的溫度都有所下降。所以可以得出，冷端條件的增加會使熱管砂輪整體溫度有所下降。

圖15 熱管砂輪溫度與冷端條件的關系

圖16為熱管砂輪換熱性能與冷端條件之間的關系。由圖中可得，隨著冷端條件增加，不同熱流密度下熱管砂輪的均溫性都會隨之變好，主要是由于冷端條件的增加，促進了熱管內相變發(fā)生，使熱管內部的傳熱效率增加，從而使整個熱管砂輪的等效換熱系數(shù)提高。而且由圖中能夠得出，當冷風出口速度由80 m/s增加到150 m/s時，冷凝條件的影響更加明顯。而且當熱流密度為15 000 W/m2時，冷端條件的影響也更加明顯。所以熱管砂輪用于真正磨削時，冷凝條件應越大越好，從而可以保證熱管內的相變效率，提高熱管砂輪的換熱性能。

圖16 等效換熱系數(shù)與冷端條件的關系

4 結語

針對熱管砂輪開展了換熱性能試驗研究，探究了轉速、熱流密度、充液率和冷端條件對熱管砂輪換熱性能的影響。得出以下幾個結論：

1) 相同加熱條件下，熱管砂輪會比無熱管砂輪的溫度更低，啟動時間更短，換熱性能更好。表明了環(huán)形熱管確實能夠顯著提高熱管砂輪的換熱性能。

2) 熱管砂輪的等效換熱系數(shù)會隨著蒸發(fā)端熱流密度的增加而增加。而且充液率較小時，熱管砂輪等效換熱系數(shù)受加熱功率的影響更加明顯。所以對于一個充液率已經確定的熱管砂輪，它更適用于磨削弧區(qū)熱流密度較大的情況下，從而可以保證熱管砂輪起到良好的導熱作用。

3) 轉速的增加會降低熱管砂輪的整體溫度，并在輸入熱流密度較小時，能夠提高熱管砂輪的等效換熱系數(shù)。若輸入熱流密度較大時，轉速對熱管砂輪的換熱性能影響并不明顯。

4) 5%的充液率由于工質含量較少，所以相變傳遞的熱量較少，因此熱管砂輪換熱性能較低。15%和20%的充液率由于工質含量較多，會導致液膜較厚，蒸發(fā)端熱阻增加，降低整個環(huán)形熱管的換熱性能。因此10%充液率下的熱管砂輪具有最好的換熱性能。

5) 熱管砂輪冷凝端采用低溫冷風射流沖擊冷卻方法，冷風的出口速度增大會使熱管內蒸發(fā)端和冷凝端的溫度都有著明顯的下降，并且冷端條件的變化對熱流密度較大的情況影響更加明顯。