真空爐換熱器傳熱計算方法淺論

郝嘉欣 張敏 唐宏波

摘要：對于真空爐而言，冷卻系統(tǒng)的價值不容忽視，而對于冷卻系統(tǒng)而言，換熱器又成為其關鍵所在。本文首先針對翅片管換熱器的傳熱特征展開說明，綜合傳熱方程與熱平衡方程對其工作特征進行了定義，而后進一步以此作為基礎，對翅片熱效率展開討論，對于加強該領域的理解有著一定的積極意義。

關鍵詞：真空爐;換熱器;翅片;效率

對于真空熱處理設備而言，冷卻系統(tǒng)是一個關鍵環(huán)節(jié)。從結(jié)構(gòu)上看，一個完整的冷卻系統(tǒng)包括葉輪、風道、噴嘴以及換熱器等諸多組件，而在眾多組件之中，換熱器占據(jù)了不容忽視的重要地位，有必要展開深入的分析。

翅片管換熱器的傳熱特征

在真空爐換熱器的結(jié)構(gòu)框架中，翅片管換熱器因為其良好的結(jié)構(gòu)，以及重量輕、傳熱系數(shù)高等優(yōu)點而得到廣泛應用。在對換熱器展開傳熱相關計算的時候，首先應當明確換熱器的諸多參數(shù)之間的關系，其中包括換熱器的換熱量與換熱系數(shù)、換熱面積以及進出口平均溫差之間的復雜關系。為了能夠?qū)@些細節(jié)展開必要的說明，首先應當確定兩個重要的熱學方程，即傳熱方程與熱平衡方程。

傳熱方程式參見式（1）。

在式（1）中，Q為換熱量，K為換熱系數(shù)，dS則表示微元傳熱面積，t為溫度。

從式（1）可以看出，換熱器的換熱量與傳熱面積以及平均溫差都保持了密切關系，并且還與換熱系數(shù)K有關。因此，想要提升換熱效果，可以考慮這三個方面著手。

其一，可以考慮增加傳熱面積。通常來說，傳熱面積的大小主要依賴于換熱器的設計形式以及強化換熱措施，對于翅片管式熱交換器而言，翅片本身的設計，就是一種增加傳熱面積的方式。其二，平均溫差與換熱效果呈現(xiàn)出正比關系，因此增加平均溫差，同樣是提升換熱效果的重要手段。影響平均溫差最關鍵的因素就是冷熱流體的進出口溫度，進出口溫差越大，對應的換出熱量也就會越多，換熱效果也會因此提升。除此以外，換熱器的流動方式同樣是影響平均溫差的一個因素，有效控制流體出口溫度以及換熱器流式，是當前需要優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)。最后，因為生產(chǎn)過程中傳熱面積以及平均溫差都會受制于換熱器本身的具體情況，因此換熱系數(shù)也會成為了一個重點。這一因素主要受到換熱流體的換熱系數(shù)，以及流體運動形式的影響，并且換熱器污垢熱阻以及其自身結(jié)構(gòu)同樣會有一定影響。從這幾個方面進行考察，同樣可以對換熱系數(shù)進行維護。

對于熱平衡方程式，在理想的情況下，系統(tǒng)內(nèi)冷熱流體吸收與釋放的熱量應相等，參見式（2）。

式（2）中，q1與q2分別為冷熱流體的質(zhì)量流量，h1′以及h2′分別表示冷熱流體的進口焓，對應的h1″與h2″則表示冷熱流體的出口焓。式（2）對于流體是否存在相變均可以使用。

翅片效率分析

在對傳熱方程與熱平衡方程有所了解的基礎之上，進一步分析翅片的熱效率，以其獲取更為深刻的理解。對應的翅片效率定義如式（3）。

其中分子Qf為翅片的實際換熱量，而分母Q0則為翅片各處溫度均衡狀態(tài)的散熱量，即翅片葉尖與翅根溫度相同情況下的散熱量。而h為翅片管與外部之間的換熱系數(shù)，S為換熱面積，Tm以及T0分別表示以流體為基準的平均過余溫度以及翅基的過余溫度。

下一步進一步針對應用中比較常見的厚度相等的環(huán)形翅片展開分析，確定其換熱效率。對于這種翅片而言，本子屬于對流換熱，其翅片上的導熱面積隨著半徑的增加而增加，因此為了簡化計算，通常需要假設翅片材料均勻并且保持各項同性，導熱系數(shù)λ為定值，橫切翅片厚度δ遠遠小于翅片高度h以及寬度L，對應的翅片與基管之間的接觸熱阻也在理想化的背景下忽略。除此以外，翅基溫度T0以及翅片周圍介質(zhì)溫度Tf，以及期間的對流換熱系數(shù)K保持恒定常值，且翅片端部絕熱。則有翅片溫度隨著其半徑r而變化，對應的導熱方程如式（4）。

在式（4）中，有。并且進一步，設定翅根溫度與基管外壁溫度相等，則時，有，其中T0和分別文翅根以及翅片外的流體溫度。理想狀態(tài)下，翅片外端部絕熱，則，并且有。進一步可以得到翅片溫度分布，如式（5）。

進一步可以確定翅片表面?zhèn)鳠崃咳缡剑?）。

因而有翅片傳熱量計算式如式（7）。

式（5）（6）中的J0、J1、K0、K1為虛變量的貝塞爾函數(shù)，并且上述方程式只能在翅片外端為絕熱面的情況下才能使用。實際生活中則需要對翅片進行調(diào)整，促使其端部的對流換熱量可以往外散發(fā)。而在計算過程中，為了能夠盡量控制忽略翅片端面換熱量所帶來的誤差，可以考慮修正半徑如式（8）。

嘉定翅片表面溫度與翅基溫度一致，則理想狀態(tài)下的換熱量參見式（9）。

進一步將式（7）（8）（9）代入式（3）中，可以得到等厚度環(huán)形翅片的翅片效率如式（10）。

在式（10）中，有

隨后，可以依據(jù)實際情況對翅片管換人氣的傳熱計算展開進一步的確定，以及對應的傳熱系數(shù)一并展開分析。

對于翅片管換熱器而言，想要從細節(jié)之處實現(xiàn)優(yōu)化，無論是對于其設計還是在應用環(huán)境中的優(yōu)化，都必須圍繞對應的理論而展開。因此理論的分析，可以說是優(yōu)化真空爐整體工作效率的根基所在。唯有深入剖析，才能找到影響其工作狀態(tài)的關鍵因素，才能展開對應的優(yōu)化。

參考文獻

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徐躍明.熱處理技術進展[J].金屬熱處理，2015，40（9）.