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，冷卻系統的價值不容忽視，而對于冷卻系統而言，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，冷卻系統是一個關鍵環節。從結構上看，一個完整的冷卻系統包括葉輪、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構框架中，翅片管換熱器因為其良好的結構，以及重量輕、傳熱系數高等優點而得到廣泛應用。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之間的關系，其中包括換熱器的換熱量與換熱系數、換熱面積以及進出口平均溫差之間的復雜關系。為了能夠對這些細節展開必要的說明，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，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，是當前需要優化的重要環節。最后，因為生產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，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構同樣會有一定影響。從這幾個方面進行考察，同樣可以對換熱系數進行維護。

對于熱平衡方程式，在理想的情況下，系統內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，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以及翅片周圍介質溫度Tf，以及期間的對流換熱系數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傳熱量如式（6）。

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，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整，促使其端部的對流換熱量可以往外散發。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，可以得到等厚度環形翅片的翅片效率如式（10）。

在式（10）中，有

隨后，可以依據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一并展開分析。

對于翅片管換熱器而言，想要從細節之處實現優化，無論是對于其設計還是在應用環境中的優化，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的關鍵因素，才能展開對應的優化。

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）.