輥底爐冷卻段換熱器的設計和優化

魏凱 古瑩奎 姜業欣 肖柱

摘? 要：通過輥底式退火爐冷卻段結構的描述，參照冷卻段空間范圍，對冷卻段翅片換熱器進行設計、選型、驗證。合理選擇換熱器類型及換熱面積，有助于冷卻段冷卻水、保護氣氛、盤管之間的熱交換，在保證較高的換熱系數下，降低能源消耗，提高生產率。

關鍵詞：對流換熱;翅片管;管排數;換熱效果

中圖分類號：TU83? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）27-0019-04

Abstract： Through the description of the roller hearth cooling section structure， with reference to the cooling section of space， the design， selection， testing and verification for the fin heat exchanger of the cooling system were discussed according to its structure and cooling space for Roller-Hearth Continuous Annealing Furnace. Reasonable selection of heat exchanger type and heat exchange area is helpful to the heat exchange among the cooling water， protective atmosphere and coil in cooling section. This can be effective to reduce the energy consumption and increase the productivity under the guarantee of high heat exchange coefficient.

Keywords： convective heat transfer; finned tube; tube row number; heat exchange effect

輥底式退火爐的加熱和冷卻過程，總體來說就是傳導、對流和輻射三種方式，主要涉及銅盤管、爐壁、料架、輥道、保護氣體。加熱段電熱輻射、冷卻段翅片換熱器通過風機使保護氣氛（氮氣）在爐內循環傳遞熱量。

根據輥底式退火爐冷卻段結構特點，合理選擇換熱器類型及換熱面積，提高其熱交換效率[1]，強對流風冷循環實現盤管表面、芯部的均勻性。減少產品力學性能偏低，抗拉強度硬度等指標達不到客戶要求的現象。

1 換熱器的設計及其性能影響因素

1.1 翅片式換熱器的設計

目前選用的換熱器基礎材料：管外鑲嵌翅片、光管、內外螺紋管等，通過這些異形的管材、管件，增加固體和流體介質之間的接觸面積。本文分析討論使用外鑲嵌翅片管加工制作的換熱器。

圖1比較了三種翅片管隨介質流經表面風速的增加，傳熱性能的變化。由圖可見，繞片式翅片管性能較差，由于存在接觸熱阻，溫度升高性能反而下降，使接觸熱阻不斷增加。焊片式傳熱性能最好。鑲片式翅片管的性能屬于居中，其主要原因是翅片緊套于管表面上后再加以表面熱鍍鋅。

實際生產中，為了提高傳熱能力，翅片管的基管常為圓形。這種類型的管子對流換熱系數可以是光管的1.25倍，同時還能夠降低10%～20%空氣阻力[2]。

1.2 換熱器關鍵因素影響性分析

不同管排數的換熱器，其效率不一。制冷量一定，管排數選擇4排、6排、8排，翅片管管徑與翅片間距相同，以6排管的換熱面積為基準，進行比較。排管數越多，則需要選擇長度較短的;管排數越少，選擇長度較長的，如圖2所示。

翅片間距會影響換熱器熱傳導效率。在單位長度下增加各翅片間距，翅片的密度越小，其接觸面積會減小，間距越大，增加接觸可以使熱傳導增加，但大到一定程度后繼續增加翅片數量對熱傳導的提高已經沒有太大作用[4]。翅片間距過小，翅片密度過大，會嚴重影響風機的風量，因此下一步的工作就是要分析對迎面風速的影響[5]。氣體流過的量與流通面積的比值被稱為流體的迎面風速。翅片距離大時密度較低，氣體的流通面積就越大[6]。對于規格不同的翅片，阻力系數有偏差，造成最佳的迎面風速點也是不同的[7]。

為了滿足安裝和運輸，在某些特定的情況下，換熱器會選擇較高的外形。但高度過高，對傳熱系數的變化影響是比較大的，受換熱器結構和風機特性的不同，氣流的分布會不同，但底部的換熱效率降低是肯定存在的。

2 換熱器的選用

為了優化冷卻段換熱器的換熱效果，在翅片類型、基礎管、管排數上做了相關要求，詳細參數見表1。結合換熱器制造廠家制作了4組外形尺寸相同的換熱器試樣，每組2件[8]。

為降低爐內油煙含量造成表面結垢，影響冷卻器表面換熱效果，同時便于更換，將每組換熱器安裝在冷卻七段，該段的爐內溫度保持在60～70℃左右;冷卻風機循環風速為20m/s;測試時使用系統循環水，進水溫度為25～28℃[9];爐內溫度收集為爐內風機處熱電偶，循環水溫度變化收集為溫度傳感器;爐內氣體風壓變化收集設置可以測量壓力變化的傳感器。

圖3（a）為各式樣爐內溫度生產節拍內變化曲線。可見，試樣1的管徑小、管排數多，與試樣2相比能夠較快的將室內保護氣氛冷卻下來;同樣，試樣3與試樣4的換熱效率相比，試樣3具有優勢，說明小管徑多排數的換熱器在單位時間內完成降溫的效果較好。另外試樣1與試樣3由于翅片高度不同，相比來說低翅片的換熱效率比高翅片的要好，試樣3在循環水的作用下，實現快速的換熱[10]。

圖3（b）為各式樣出水溫度生產節拍內變化曲線。可見，試樣2和試樣3的換熱曲線相似，由于管徑和管排數中和，表現出的換熱效果相同，效果最好的為試樣3，小管徑基管提高了循環水的通過量，低翅片傳熱實現了表面流體與翅片、翅片與循環水的快速換熱，翅片上減少了存儲熱量的時間。

圖4為相同風速下各試樣壓降變化曲線。確定了風機速度，低翅片管換熱器造成風阻比高翅片的要大。試樣3和試樣4對迎面風速產生的壓降偏大，提升流體介質的接觸時間，即提升換熱的量;低翅片中由于管排數的數量多，表現為排管緊密，因此也提高了流體介質穿過換熱器的阻力，表現為試樣3的壓降比試樣4的壓降大[11]。

根據輥底爐空間的大小和試驗結果，選擇了一種換熱面積在25平方左右的翅片式換熱器，基礎管和翅片的材質選擇不銹鋼。

換熱器的主要技術參數：

（1）繞片管：鋼管18×2mm無縫鍋爐管，翅片間距6mm。

（2）換熱管數量：67支，總換熱面積26.22m2。

（3）風阻壓降<840Pa（風量10m3/s）。

（4）采用2.5MPa/m壓力進行耐壓泄漏檢驗，不得泄漏。

3 換熱器的效果

新型換熱器投入使用后，輥底爐冷卻段的換熱溫差基本保持在5℃左右，統計部分規格銅管基礎性能，在抗拉強度、延伸率、晶粒度上進行比較，消除環境因素影響，銅盤管的性能基本保持一致。表2所示為銅管使用客戶有關性能的要求。

表3中測試不同爐次5種規格銅管，其中3種光管、2種內螺紋管，經測試所有抽樣的抗拉強度Rm在238～248之間，滿足客戶要求中220≤Rm≤250的相關要求。

如表4相關記錄顯示，在試驗壓力相同的情況下，獲得的各規格銅管的硬度值在47～52HV之間，滿足客戶質量要求中40≤HV≤60的要求。

如表5相關記錄顯示，抽樣測試兩種光管、兩種螺紋管的微觀晶粒直徑，試驗壓力相同，獲得各規格銅管晶粒平均直徑范圍是0.025～0.030mm，滿足客戶晶粒度在0.025-0.030mm之間的要求。圖5為金相顯微鏡下銅管的微觀晶粒圖像，在使用冷水機組前銅管的微觀晶粒度偏大。

4 結論

本文主要通過輥底式光亮退火爐冷卻段結構的描述，及所選用鼓風式風機形成內循環換熱，以冷卻器選型和制作理論計算為基礎，參照冷卻段空間范圍，對換熱器進行設計、選型、驗證。提高整體冷卻段的冷卻效果，銅盤管在爐內外表與芯部的溫差越小，表現出的銅管溫度均勻性就越高，有效的提高了銅盤管的質量，增長了銅管儲存周期，提高了生產廠家的成本效益。

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