磁力吸附電加熱器升溫曲線實驗研究

宋軍，白興，譚文才，閆宏光，姜凱，李寶寬

（1.遼寧海天閣環保科技有限公司，遼寧 撫順 113122；2.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819）

0 引 言

液壓泵站是獨立的液壓動力源裝置，它按驅動裝置要求供油，并控制油流的方向、壓力和流量，它適用于主機與液壓裝置可分離的各種液壓機械。用戶只要將液壓站與主機上的執行機構（油馬達和油缸）通過液壓油管相連，液壓機械即可實現各種規定的操作［1-2］。廣泛用于各個工業領域及汽車制動上。

但在冬季低溫條件下，油黏度的增加致使液壓站啟動困難。為解決該問題，液壓站使用電加熱管直接加熱，但長期實踐發現管式電加熱存在下列弊端：1）液壓油受熱不均，有些局部溫度過高，而有些局部溫度達不到啟動要求。2）直接加熱，和加熱器直接接觸的油因為溫度過高而過早氧化變質，縮短了液壓油的使用壽命，使用成本加大。3）使用油浸式加熱管，需要制作加熱器的安裝孔，工業復雜，且有漏油的隱患，檢修加熱器時，需要將油全部放出，維護量大，損耗大，對環境污染增加。為了解決上述問題，我們設計了一種新型的電加熱設備——磁力吸附電加熱器。為了掌握該加熱設備的工作特性，本文在理論與實驗方面做了如下基礎研究。

1 工作原理

磁力吸附式電加熱器的實物如圖1 所示，內部結構如圖2 所示。在工作時，先利用布置在加熱器中心的磁鐵的磁性，將其吸附在油箱的表面。通電后，利用鑲嵌在鋁制加熱盤內部的發熱元件發出的焦耳熱，熱流通過加熱盤增大換熱面積，更加有效地加熱工件。由于鋁的密度小，導熱系數高，具有較大的熱擴散系數，因此較其他材質有更突出的優勢。此外發熱盤與工件的接觸面經車床處理后產生細小波紋，能夠加大接觸部分的壓強，更加有利于導熱。并且在豎直使用時能增加摩擦力，避免滑落。

圖1 磁力吸附電加熱器外觀

圖2 磁力吸附電加熱器內部結構

2 實驗研究

2.1 實驗過程

本實驗選用如圖3 所示的500 mm×400 mm×400 mm的水箱模擬油箱，選用額定功率為500 W 的磁力吸附式電加熱器作為加熱熱源，磁力吸附式加熱器的加熱位置位于水箱的底部中心。用ADAM4118 型8 點測溫儀測量水箱內的溫度，通過計算機進行數據采集，并利用VB 自編的程序，每隔1 min 記錄一次各個測溫點的溫度值。本實驗采用k 型熱電偶測量溫度，測溫點的分布如圖4 所示。為了貼近油箱實際工況，本實驗分別研究水體積為10 L、20 L、30 L 時，水箱內的不同位置水溫隨時間的變化曲線，并測定水溫穩定時間。

圖3 實驗水箱

圖4 測溫點位置

2.2 實驗結果

當水箱內水的體積為10 L、20 L、30 L 時，各個測溫點的升溫曲線如圖5～圖7 所示。對于不同容積時，測溫點5 的溫度曲線，如圖8 所示。

圖5 體積為10 L 時，各個測點溫升曲線

圖6 體積為20 L 時，各個測溫點溫升曲線

圖7 體積為30 L 時，各個測溫點溫升曲線

圖8 不同體積下，測溫點5 溫升曲線

根據實驗的升溫曲線可知，隨著加熱器的工作，水的溫度緩慢上升，這在一定程度上解決了實際應用中液壓油受熱不均的問題。在不同體積的實驗中，加熱到平衡所用的時間增長。通過對比測溫點5 的溫升曲線可以得出：容積每增加10 L，其平衡時間增加約1 h。這為實際工作提供了參考。由于測溫點5 直接布置在水箱與加熱器接觸面的表面，所以其溫度最高，但當系統達到平衡時，其溫度不超過70 ℃，因此在實際的工作中不會造成液壓油的氧化變質，延長了液壓油的使用壽命。

3 理論分析

3.1 驗證計算

根據能量守恒定律得出公式

式中：Qs為總加熱量；Qloss為熱量損失；Qwater+tank為水和水箱升溫消耗熱量。熱量損失包括水箱表面散熱和水上表面散熱兩部分，如下式：

整個系統的熱源來自鑄鋁合金盤中的發熱體，穩定工作時額定功率500 W，由于電加熱器外殼為金屬材質，也有少量熱量散失，根據實際情況，取電加熱器散熱系數k=0.05。則最終傳入水箱和水的功率為：（1-k）Ws。表1 為空氣自然對流簡化式［3］。

表1 空氣自然對流簡化式

表1 中：h 為對流換熱系數，W/（m2·K）；Δt=t-ta，其中t、ta為傳熱面與環境溫度，℃；l 為特征長度，m。電加熱器處于水箱底部中心，環境溫度25 ℃時，當系統穩定時，水箱底部外表面溫度可達60 ℃，水面以下水箱外表面溫度可達50 ℃，水面以上水箱內外表面溫度40℃，水升溫至45℃，忽略輻射換熱。由經驗公式大致可以得到水箱表面與空氣對流換熱系數，水箱底部側表面取平均溫度。t1=（25+60）/2=42.5 ℃，l=0.5 m，則ht1=0.61（Δt/l2）1/5=0.61×［（42.5-25÷0.52］1/5=1.43 W/（m2·K）。同理，水面以下水箱側表面：

水面以上水箱內外表面：

水箱散熱損失Wtank=W1+W2+W3。

其中：

則Wtank=W1+W2+W3=3.6+17.96+18.96=40.38 W。

取水表面與空氣換熱系數為5（W/m2·K），則Wwater-topsurface=hW（t-ta）A=5×（45-25）×（0.4×0.5）=20 W。

總損失Wloss=Wtank+Wwater-topsurface=40.38+20=60.38，Wwater+tank=（1-k）Ws-Wloss=（1-0.05）×500-60.38=414.62W。由于水箱部分與水共同升溫，水升溫功率可乘系數，得，Wwater=k′Wwater+tank=0.9×414.62=373.158 W。

水升溫至45℃，所需熱量為Qwater=c·m·Δt=4186×1 000×0.4×0.5×0.2×（45-25）=3.348×106J，所需時間為ζ＝Qwater/Wwater=2.49 h 和實驗所測時間比較吻合。

3.2 預測計算

假設冬季啟動時環境溫度為-30 ℃。液壓油加熱溫度為15 ℃，令油箱內外側壁溫度與液壓油相同，液壓油比熱取1 884 J/（kg·℃），密度取900 kg/m3。油箱底部溫度取60 ℃。考慮到環境溫度較低電加熱器散熱系數取0.1。油箱尺寸與上例中水箱尺寸相同。

在油箱底部側表面，

t1=（-30+60）÷2=15 ℃，l=0.5 m，則ht1=0.61（Δt/l2）1/5=0.61×［（-15+30）÷0.52］1/5=1.72 W/（m2·K）。

在油箱側表面，t2=（15-30）÷2=-7.5 ℃，ht2=1.42（Δt/l）1/4=1.42×［（-7.5+30）÷0.4］1/4=3.88 W/（m2·K）。

油箱散熱損失Wtank=W1+W2。

其中：

W1=ht1（t-ta）A=1.72×（15+30）×0.4×0.5=15.48 W，

W2=ht2（t-ta）A=3.88×（-7.5+30）×（0.4×0.2×2+0.5×0.2×2+0.25×0.4×2+0.25×0.5×2）=70.71 W；則Wtank=W1+W2=15.48+70.71+18.96=86.19 W。

取油表面與空氣換熱系數為5W/（m2·K），則Woil-topsurface=hW（t-ta）A=5×（-7.5+30）×（0.4×0.5）=22.5 W，總損失Wloss=Wtank+Woil-topsurface=86.19+22.5=109.4 W，Woil+tank=（1-k）Ws-Wloss=（1-0.2）×500-109.4=290.6 W。

由于油箱部分與油共同升溫，油升溫功率可乘系數k′，即Woil=k′Woil+tank=0.9×290.6=261.54 W。

油升溫至15 ℃，所需熱量Qoil=c·m·Δt=1884×900×0.03×［（15+60）÷2+30］=3.4×106J，所需時間ζ＝Qoil/Woil=3.6 h。

4 結 論

通過實驗測定磁力吸附電加熱器溫升曲線及理論分析加熱過程，得到了以下結論：

1）在實驗加熱過程中，工質的溫度緩慢上升，有效地解決了實際應用中液壓油受熱不均的問題；工質體積每增加10 L，其平衡時間增加約1 h；加熱過程中工質最高溫度處不超過70 ℃，不會造成液壓油的氧化變質，延長了液壓油的使用壽命。

2）理論分析中，通過對10 L 水的驗證計算預測了環境溫度為-30℃、液壓油加熱到15℃所需要的時間，即3.6h，為其他工況提供了理論計算依據。

3）設備結構輕巧，易于安裝，檢修方便，檢修時不用放油和停機，檢修、生產兩不誤。該設備中還配備了溫控裝置，可以根據不同工作條件進行調節，大大提高了設備的安全系數。此外，該設備體積較小，還可以對各種車輛的發動機進行加熱，減輕了汽車發動機冬季冷啟動時的損傷。預計在未來在加熱領域有著更加廣泛的應用前景。

［1］ 徐興友.PLC 在液壓站控制系統中的應用［J］.科技創新與應用，2004（4）：144.

［2］ 余軍偉.提升機液壓站冷卻和加熱裝置設計與應用［J］.煤礦機械，2011，32（11）：22-24.

［3］ 郭茂先.工業電爐［M］.北京：冶金工業出版社，2007.