鋁棒感應(yīng)加熱爐循環(huán)水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算

李寧，高洪澤，秦龍，吳云

遼寧忠旺機(jī)械設(shè)備制造有限公司 遼寧遼陽 111003

1 序言

鋁型材擠壓生產(chǎn)線中的鋁棒感應(yīng)加熱爐大多是工頻爐，由于爐體感應(yīng)線圈、電氣控制上的晶閘管、推料機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)延長(zhǎng)器、水冷電纜等在運(yùn)行中都會(huì)發(fā)熱，因此必須采取有效的水冷卻措施。循環(huán)水冷卻系統(tǒng)是鋁棒感應(yīng)加熱爐中必不可少的組成部分，鋁棒感應(yīng)加熱爐多采用雙回路循環(huán)給水的結(jié)構(gòu)形式。系統(tǒng)中有板式換熱器，水路分為內(nèi)回路與外回路兩部分，內(nèi)回路用來冷卻電熱設(shè)備，外回路通過板式換熱器冷卻內(nèi)回路中的水。本文探討的是雙回路循環(huán)系統(tǒng)的內(nèi)回路系統(tǒng)。內(nèi)回路系統(tǒng)包括：爐體感應(yīng)線圈、晶閘管、磁場(chǎng)延長(zhǎng)器和水冷電纜等用水單元，以及板式換熱器、循環(huán)水泵、水箱及管路等（見圖1）。

圖1 鋁棒感應(yīng)加熱爐循環(huán)水冷卻系統(tǒng)部分裝置

2 冷卻水技術(shù)條件

2.1 冷卻水的水質(zhì)要求

水冷系統(tǒng)外回路用水為工業(yè)水，內(nèi)回路用水為純凈水。由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10067.1—2019《電熱和電磁處理裝置基本技術(shù)條件 第1部分：通用部分》，循環(huán)水內(nèi)回路系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)的要求為電導(dǎo)率 ＜0.05S/m，pH值7.0～8.5，溶解性固體＜300mg/L， 懸浮性固體＜1 0 m g/L，總硬度C a O質(zhì)量濃度 ＜2.5mg/L。外回路總硬度CaO質(zhì)量濃度＜60mg/L。

2.2 冷卻水溫度的要求[1]

感應(yīng)線圈冷卻水的進(jìn)水溫度應(yīng)＜30℃，但不應(yīng)低于周圍空氣的溫度。因?yàn)檫^度冷卻線圈，空氣中的水分將會(huì)在線圈表面“結(jié)露”，破壞線圈的絕緣。我公司在實(shí)際生產(chǎn)中，感應(yīng)線圈冷卻水的進(jìn)水溫度設(shè)置為20~26℃，超出此范圍會(huì)報(bào)警停機(jī)。

感應(yīng)線圈冷卻水的出水溫度不應(yīng)超過40~50℃，此時(shí)線圈溫度不會(huì)超過50~60℃。水溫超過50℃，水中的鈣鎂離子會(huì)結(jié)晶生成水垢并沉積在銅管表面，銅管通水的有效面積會(huì)減少，造成傳熱不良現(xiàn)象。當(dāng)冷卻水的出水溫度≤50℃時(shí)，線圈冷卻水允許溫升＜20℃。

2.3 冷卻水水壓要求[2]

GB/T 10067.1—2019規(guī)定：感應(yīng)器線圈水壓、雙回路循環(huán)系統(tǒng)外回路的水壓0.2~0.3MPa；雙回路循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)回路水壓0.3~0.7MPa。

3 水泵的計(jì)算[3]

冷卻系統(tǒng)水泵的類型是單級(jí)單吸離心泵，水泵選型應(yīng)根據(jù)流量、揚(yáng)程兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)來確定。依據(jù)不同用水單元所需的冷卻水量來確定水泵流量。

3.1 冷卻水量的計(jì)算

感應(yīng)線圈的冷卻水帶走的熱量，即感應(yīng)線圈的熱損失功率（用ΔP表示），等于線圈發(fā)熱的功率損失與鋁棒加熱時(shí)通過耐熱層、隔熱層的傳熱損失之和，即

式中P——鋁棒感應(yīng)加熱爐總功率（kW）；

PT——鋁棒加熱的平均有效功率（kW）；

η——感應(yīng)器總效率，加熱純鋁η=0.3 5~ 0.45，加熱鋁合金η=0.45~0.55。

冷卻水量計(jì)算需要按效率低的加熱純鋁來考慮，取η=0.4，那么總功率的60%可以粗略估算成冷卻水需要帶走的熱量。感應(yīng)器線圈冷卻水要帶走額定功率60%的熱量，即ΔP＝0.6P。那么，晶閘管及水冷電纜等要帶走額定功率約10%的熱量，即△P'=0.1P。在冷卻水溫升不超過20℃前提下，計(jì)算冷卻水量。

感應(yīng)線圈所需冷卻水量W（m3/h）按下式計(jì)算：

式中W——感應(yīng)線圈所需冷卻水量（m3/h）；

k——安全系數(shù)，取k=1.15；

Cs——冷卻水的比熱容［kJ/(kg·℃)］；

ρ——水的密度（ kg/m3）；

△T——進(jìn)出線圈冷卻水溫度差（℃）。

取Cs=4.1868kJ/(kg·℃)、ρ=1×103kg/m3、△T=20℃，則

同樣，將△P'代替△P代入上面公式中，用W'表示晶閘管及水冷電纜等所需冷卻水量之和，則有W'≈0.005P。

3.2 水泵流量的確定

上面計(jì)算的冷卻水量只是理論值，實(shí)際冷卻水流量需要乘以一個(gè)安全系數(shù)。感應(yīng)線圈的冷卻水流量安全系數(shù)一般取1.5~2.0，而晶閘管及水冷電纜等的冷卻水流量安全系數(shù)則要取3.0~5.0。即：感應(yīng)線圈冷卻水實(shí)際流量q1＝(1.5~2.0)W，晶閘管及水冷電纜等的冷卻水實(shí)際流量q1'=(3.0~5.0)W'。冷卻水泵實(shí)際選型流量q=q1+q1'。

舉例，某鋁棒感應(yīng)加熱爐加熱總功率P=1130k W，其中，感應(yīng)線圈的理論流量為W＝0.030×1130m3/h＝33.90m3/h，晶閘管等的理論流量為W'＝0.005×1130m3/h＝5.65m3/h，則感應(yīng)線圈與晶閘管等總冷卻水量約為40m3/h。感應(yīng)線圈冷卻水實(shí)際流量q1＝50.85~67.80m3/h，晶閘管等的冷卻水實(shí)際流量為q1'=16.95~28.25m3/h，因此水泵選型流量為67.80~96.05m3/h。

3.3 水泵揚(yáng)程的計(jì)算

1）水泵揚(yáng)程的計(jì)算公式為：

式中Hj——計(jì)算揚(yáng)程（m）；

H1——保證鋁棒感應(yīng)加熱爐用水單元水壓的揚(yáng) 程（m），H1=0.2~0.3MPa，H1具體計(jì) 算方法及數(shù)值可查閱文獻(xiàn)[1]；

H2——水泵到用水單元的垂直高度，即揚(yáng)水高 度（m）；

H3——水泵到用水單元管路壓力損失（m），H3包括管路沿程壓力損失△Pf（m）和 管路局部壓力損失△Pm（m）；

2）管路沿程壓力損失的計(jì)算式為[4]：

式中λ——沿程阻力系數(shù)，其值與雷諾數(shù)Re有 關(guān)；

L——管路長(zhǎng)度（m）；

d——管路內(nèi)徑（m）；

v——管內(nèi)水流速（m/s）；

g——重力加速度，g=9.81m/s2。

管路沿程壓力損失計(jì)算比較復(fù)雜，不同流量、不同公稱直徑每米鋼管管路沿程壓力損失有經(jīng)驗(yàn)值，可查閱相關(guān)文獻(xiàn)。查到的經(jīng)驗(yàn)值乘以管路長(zhǎng)度，就可以得到管路沿程壓力的近似值。

3）管路局部壓力損失的計(jì)算式為：

式中ζ——局部壓力損失系數(shù)，彎頭、閥門等的ζ值可查詢《給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》。

管路局部壓力損失包括水流經(jīng)板式換熱器、管路閥門、彎頭等的阻力損失之和。板式換熱器允許壓降△Pb一般＜80kPa，揚(yáng)程千帕換算成米，10kPa=1m，故△Pb＜8m，具體壓降數(shù)值咨詢板式換熱器生產(chǎn)廠家。

4）水泵的額定揚(yáng)程He，等于計(jì)算揚(yáng)程乘以1.10~1.15倍的裕量系數(shù)。

4 板式換熱器選型與計(jì)算

4.1 板式換熱器選型

與廠家溝通板式換熱器的選型問題，應(yīng)向廠家提供以下技術(shù)參數(shù)。

1）熱側(cè)：介質(zhì)、流量、進(jìn)/出口溫度、進(jìn)/出口壓力及允許壓降等。

2）冷側(cè)：介質(zhì)、流量、進(jìn)/出口溫度、進(jìn)/出口壓力及允許壓降等。

3）其他：水質(zhì)、接口方位及尺寸要求等。

由于不同廠家換熱板結(jié)構(gòu)形式不同，板型系列及長(zhǎng)寬比不同，廠家所選換熱器的傳熱系數(shù)也不同，因而換熱面積不一樣，所以板式換熱器的選型必須與廠家溝通確認(rèn)，廠家一般都是綜合考慮換熱和壓降來進(jìn)行板式換熱器的選型和設(shè)計(jì)。

4.2 計(jì)算基本公式

板式換熱器一般忽略熱量損失、環(huán)境、摩擦等，由熱量傳遞基本公式和熱量守恒定律，得

式中Q1、Q2——熱負(fù)荷（kW）；

C1、C2——介質(zhì)的比熱容［kJ/(kg·℃)］，這里 均為4.1868 kJ/(kg℃)；

m1、m2——冷卻水質(zhì)量流量（kg/h）；

Δt1、Δt2——冷卻水進(jìn)出口溫差（℃）；

ΔT——對(duì)數(shù)平均溫差（℃）；

K——傳熱系數(shù)［W/(m2·℃)］；

A——換熱面積（m2）。

逆流對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算式為：

式中T1——熱側(cè)進(jìn)水溫度（℃）；

T1'——熱側(cè)出水溫度（℃）；

T2——冷側(cè)進(jìn)水溫度（℃）；

T2'——冷側(cè)出水溫度（℃）。

4.3 計(jì)算舉例

（1）基本參數(shù)

1）熱側(cè)（內(nèi)循環(huán)一側(cè)）：進(jìn)水溫度T1=45℃，出水溫度T1'=25℃，水流量90m3/h。

2）冷側(cè)（外循環(huán)一側(cè)）：進(jìn)水溫度T2=20℃，出水溫度T2'=30℃，水流量100m3/h。

（2）逆流對(duì)數(shù)平均溫差△T

（3）總換熱量 按熱側(cè)計(jì)算，總換熱量為：

（4）板式換熱器換熱面積 水－水換熱，板式換熱器傳熱系數(shù)見表1。K值按經(jīng)驗(yàn)取值，流速越大，K值就越大，具體數(shù)值需要咨詢廠家。這里傳熱系數(shù)取K=4500W/(m2·℃)，則換熱面積為：

表1 水－水換熱板式傳熱器的傳熱系數(shù) ［W/(m2·℃)］

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取1.2倍安全系數(shù)，因此板式換熱器的換熱面積應(yīng)選65m2。

5 循環(huán)水冷卻系統(tǒng)其他設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）循環(huán)水冷卻系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置一臺(tái)備用泵。單工位鋁棒加熱爐，水泵一用一備；雙工位鋁棒加熱爐，水泵兩用一備；三工位鋁棒加熱爐，水泵三用一備。

2）循環(huán)水泵進(jìn)出口必須有截止閥，管路設(shè)計(jì)盡量防止管路應(yīng)力傳到水泵上，水泵進(jìn)出口還需安裝可曲撓橡膠接頭。

3）循環(huán)水管路直徑按下式計(jì)算：

式中d——管徑（m）；

W——循環(huán)水流量（m3/s）；

V——循環(huán)水流速（m/s）。

對(duì)壓力0.2～0.3MPa的循環(huán)水系統(tǒng)，主管路流速為1.5～3.0m/s，支管路流速為1.0～1.5m/s。

4）循環(huán)水管路的最高點(diǎn)位置應(yīng)設(shè)有排氣閥。

5）循環(huán)水管路必須設(shè)有電接點(diǎn)壓力表、電接點(diǎn)雙金屬溫度計(jì)等保護(hù)元件。

6）北方地區(qū)必須考慮冬季設(shè)備停產(chǎn)、水管路低位放水問題。一旦設(shè)備停機(jī)不生產(chǎn)，水管路里的水不及時(shí)排放掉，會(huì)凍壞設(shè)備。

7）冷卻系統(tǒng)凡是能接觸到純水的地方，材料應(yīng)采用不銹鋼、銅或無碳絕緣膠管制造，不得使用鑄鐵及碳素鋼，以防純水介質(zhì)被污染，造成用水單元損壞。

8）水箱最小容積按照水在冷卻系統(tǒng)中循環(huán)一圈所需的水量來設(shè)計(jì)。水箱應(yīng)設(shè)有液位計(jì)，水位到達(dá)低限位時(shí)，報(bào)警提醒加入純水；水位到達(dá)高限位時(shí)，報(bào)警提醒停止加水。

6 結(jié)束語

鋁棒感應(yīng)加熱爐是鋁型材擠壓生產(chǎn)線重要的機(jī)前設(shè)備，而循環(huán)水冷卻系統(tǒng)又是鋁棒感應(yīng)加熱爐的關(guān)鍵部分，因此研究鋁棒感應(yīng)加熱爐循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要意義。生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，冷卻水量、水泵和板式換熱器主要參數(shù)按文中所述方法計(jì)算正確合理。循環(huán)水冷卻系統(tǒng)有關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)可以為鋁棒感應(yīng)加熱爐同行業(yè)設(shè)計(jì)人員提供借鑒。