基于石墨烯涂層的垃圾處理設(shè)備液壓油箱散熱研究

趙鶯慧，田勇，王天義

(河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州 450001)

0 前言

垂直式垃圾壓縮站主要用于日常生活垃圾的處理，能夠減小垃圾的堆放體積、提高運(yùn)輸效率，因而被廣泛應(yīng)用。對(duì)于回收站液壓系統(tǒng)而言，除了執(zhí)行元件用于垃圾的壓縮與移位等有效輸出功率外，其余的功率損失絕大部分以熱能的形式散發(fā)到空氣中。而這些熱量一部分通過泵閥、管道、油箱等釋放到空氣中，另一部分則進(jìn)入到油液中，致使油溫升高(如圖1所示)。液壓油溫度的升高，會(huì)使閥體等元件內(nèi)部泄漏加劇，從而降低液壓系統(tǒng)的精度。因此，提高液壓系統(tǒng)散熱效率，對(duì)液壓系統(tǒng)的正常工作有積極意義。

圖1 液壓系統(tǒng)散熱方式

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將液壓系統(tǒng)油溫限制在30～55 ℃之間，能使液壓系統(tǒng)更加高效率地工作。王劍鵬、劉旭對(duì)裝載機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,從源頭上解決液壓散熱問題。權(quán)鈺云從降低液壓功率損失、油箱散熱、冷卻器散熱等部分入手，對(duì)掘進(jìn)機(jī)熱平衡進(jìn)行了計(jì)算與仿真驗(yàn)證，選擇合適的散熱冷卻器。梁經(jīng)瑋、關(guān)標(biāo)等人通過在油箱表面貼相變材料，明顯提升了油箱的散熱效率。

液壓散熱有兩種途徑：(1)從加快散熱出發(fā)，優(yōu)化冷卻器控制系統(tǒng)、選用合適的冷卻器；(2)從源頭出發(fā)，通過對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少熱量產(chǎn)生。

本文作者通過在油箱外表面涂覆含有石墨烯填料涂層，提高油箱表面的熱交換能力，從而提升液壓系統(tǒng)的散熱效率。

1 石墨烯傳熱模型

石墨烯被認(rèn)為是呈蜂巢晶格結(jié)構(gòu)的二維碳納米材料，具有較高的力學(xué)性能及導(dǎo)熱性。最主要的是，由于石墨烯比表面積很大，它具備優(yōu)良的紅外散熱性能，提高了油箱的輻射效率。

散熱的方式主要有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。首先，油箱內(nèi)的油液通過熱傳導(dǎo)的方式把熱量傳到油箱表面涂層；然后，再通過熱對(duì)流、熱輻射的方式把熱量傳遞到空氣中，如圖2所示。

圖2 熱量傳遞示意

1.1 熱傳導(dǎo)模型

熱傳導(dǎo)的實(shí)質(zhì)是物體內(nèi)部熱能由動(dòng)能大的區(qū)域向動(dòng)能小的區(qū)域轉(zhuǎn)移。因?yàn)槭┚邆浜芨叩拈L徑比，并且在沿其長度方向上的散熱性能優(yōu)于沿其直徑方向上的散熱性能，因此石墨烯是各向異性材料。但是，含有石墨烯填料的涂層,由于石墨烯填料在其內(nèi)部排列的無序性,導(dǎo)致涂層沿各個(gè)方向的導(dǎo)熱性能接近,含有石墨烯填料的涂層被認(rèn)為是各向同性材料。

通過傅里葉定律可知，在均勻物體兩側(cè)存在溫度差時(shí)，傳導(dǎo)的熱量與溫度梯度、傳熱時(shí)間、傳熱面積成正比。石墨烯沿其長度方向上的散熱微元如圖3所示。

圖3 石墨烯微元

設(shè)此微元內(nèi)部的溫度為，根據(jù)熱傳導(dǎo)定律可知：

(1)

在三維坐標(biāo)系中，建立無窮小的微團(tuán)模型(見圖4),設(shè)石墨烯導(dǎo)熱系數(shù)為；無窮小微元邊長分別為d、d、d。在d時(shí)間內(nèi)，在軸方向上，進(jìn)入系統(tǒng)的熱量為、流出系統(tǒng)的熱量為+d。

圖4 無窮小微元散熱模型

(2)

(3)

因此,在方向上，該無窮小微元增加的熱量為

(4)

同理可知，該涂層無窮小微元增加的熱量為

(5)

設(shè)每個(gè)微元單位體積在單位時(shí)間內(nèi)散發(fā)的熱量為，則該涂層無窮小微元散發(fā)的熱量為dddd,因此達(dá)到熱平衡后公式如下：

(6)

為密度、為比熱容，則可將上式簡化為

(7)

1.2 熱輻射模型

油箱一般以鋼板為基材，因此無涂層鋼板主要以輻射散熱為主，其散熱量如公式(8)所示：

(8)

式中：為鋼板輻射率，取0.35；為玻爾茲曼常數(shù)，取5.67×10W/(m·K)；為鋼基板溫度，K；為環(huán)境溫度，K。

有、無涂層散熱模型如圖5所示。有涂層的鋼板需要先將熱量傳遞到涂層表面，然后再通過涂層表面的熱輻射傳遞到空氣當(dāng)中，其通過傳導(dǎo)方式傳遞到涂層表面的熱量如公式(9)所示：

圖5 有、無涂層散熱模型

(9)

式中：為涂層導(dǎo)熱率，W/(m·K)；為涂層厚度，取8×10m；為涂層表面溫度，K。

涂層外表面輻射到大氣中的總熱量計(jì)算公式為

(10)

式中：為涂層發(fā)射率。

2 液壓系統(tǒng)熱平衡分析

以垂直式垃圾回收站系統(tǒng)壓縮垃圾回路為例，計(jì)算液壓系統(tǒng)的被動(dòng)熱平衡分析，其中包含產(chǎn)熱與散熱的分析。回收站垃圾壓縮工位液壓系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 回收站垃圾壓縮工位液壓系統(tǒng)

具體參數(shù)如下：

(1)低壓大流量泵(PV2R-59)排量為87 L/min，高壓小流量(T6C-010-1R01)泵排量為49.5 L/min(當(dāng)系統(tǒng)壓力超過9 MPa后，低壓大流量泵卸荷，此時(shí)管路內(nèi)的流量為42 L/min；其余工況，兩泵同時(shí)供油，管路內(nèi)流量為136.5 L/min);

(2)液壓缸面積=490.9 cm，活塞桿面積=254.5 cm;

(3)電磁換向閥壓降Δ、Δ均為0.3 MPa；

(4)節(jié)流閥壓降Δ=0.05 MPa；

(5)平衡閥壓降Δ=0.68 MPa；

(6)雙向液壓鎖壓降Δ=0.1 MPa；

(7)單向閥壓降Δ=0.05 MPa；

(8)低壓溢流閥調(diào)定壓力為9 MPa，高壓溢流閥壓降為21 MPa;

(9)油箱容積=500 L;

(10)壓縮工序用時(shí)65.4 s，其中快進(jìn)=28 s、工進(jìn)=11.9 s、保壓=10 s、退回=15.5 s。

2.1 液壓系統(tǒng)能量損失分析

液壓泵的能量損失很大一部分來源于機(jī)械損失和容積損失。

=(1-)

(11)

式中：為泵的功率損失；為葉片泵的容積效率；為葉片泵的機(jī)械效率；為葉片泵工作壓力；為葉片泵流量。

液壓管路損失主要由兩部分組成：(1)由于本身黏性作用，不同質(zhì)點(diǎn)間存在內(nèi)摩擦，會(huì)阻礙液壓油的流動(dòng)，這種損失稱為沿程壓力損失；(2)途經(jīng)彎管、截面突變的閥口或接頭時(shí)，液壓油的流速及方向發(fā)生突然的改變，這種因?yàn)榫植孔璧K產(chǎn)生的損失稱為局部壓力損失。

(12)

式中：為沿程阻力系數(shù)；為管內(nèi)平均流速；為彎管個(gè)數(shù)；為局部阻力系數(shù)。

液壓缸的功率損失主要為由內(nèi)泄漏和摩擦造成的損失，其損失功率計(jì)算公式為

(13)

式中：為容積效率；為機(jī)械效率；為作用力效率。

由于液壓閥進(jìn)出油口壓力的變化差是系統(tǒng)產(chǎn)熱、油液溫度上升的主要原因，液壓閥功率損失為

=Δ

(14)

經(jīng)計(jì)算，垂直式垃圾壓縮回收站壓縮工序功率損耗如表1所示。各部件功率損失占比如圖7所示。

表1 壓縮工位各元件能耗分布

圖7 回收站各部件功率損失占比

2.2 液壓系統(tǒng)散熱計(jì)算

工程散熱一般分為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流與熱輻射，在回收站液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量，一部分通過泵、閥、管道、油箱等部件散熱到空氣中，另一部分則保留在油液中，致使油溫升高。損失的功率計(jì)算公式如下：

(15)

由公式(15)線性非齊次方程轉(zhuǎn)化可得:

(16)

根據(jù)能量損失分析，總輸入功率減去有用功率即為損失的功率，為994.39 W。液壓油箱材料為Q235鋼，傳熱系數(shù)為7.67 W/(m·℃)，散熱面積為2.6 m；46號(hào)液壓油：比熱容2 100 J/(kg·℃),密度870 kg/m，體積0.4 m。設(shè)初始溫度分別為25、30、35 ℃。

利用MATLAB求解出回收站油箱的溫度與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖8所示。

圖8 不同初始溫度T0下回收站油箱溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線

3 油箱建模仿真

3.1 三維建模與仿真

使用SolidWorks軟件建立油箱模型，如圖9所示(省略油箱上端蓋)，油箱容積為400 L、壁厚為6 mm、箱底厚為24 mm、距地面150 mm。剛開啟油泵時(shí)，油液溫度從初始環(huán)境溫度上升到熱平衡溫度，在這個(gè)階段，系統(tǒng)的溫度隨時(shí)間的變化而變化，因此為瞬態(tài)傳熱。瞬態(tài)模型如下：

圖9 液壓油箱結(jié)構(gòu)三維模型

(17)

設(shè)置初始條件：環(huán)境溫度為35 ℃、熱載荷溫度為83.4 ℃、運(yùn)行時(shí)間為1.4×10s、入口速度為1.81 m/s，仿真時(shí)采用UDF編程文件將出口的溫度賦予給進(jìn)口溫度，以模擬液壓泵循環(huán)狀態(tài)。為方便計(jì)算，直接在流體邊界處設(shè)置油箱壁厚及材料。油液速度流線與油箱達(dá)到熱平衡時(shí)溫度云圖如圖10所示。

圖10 油液速度與油箱溫度云圖

通過Fluent仿真分析可知:

(1)液壓油箱的熱量是從入口處(見圖8)從上至下,隨著油液流動(dòng),逐步向出口處擴(kuò)散，最終達(dá)到熱平衡；

(2)通過改變環(huán)境溫度可知，不同的初始環(huán)境溫度對(duì)達(dá)到熱平衡時(shí)間影響不大，但是可以影響熱平衡時(shí)的溫度；

(3)當(dāng)環(huán)境溫度在25 ℃以上時(shí)，油箱達(dá)到熱平衡時(shí)的溫度仍高于液壓工作油溫，因此還要通過其他方式散熱，以保證液壓系統(tǒng)正常工作。

3.2 有、無涂層散熱分析

高月提出當(dāng)石墨烯填料含量為1.0%時(shí)，涂層的導(dǎo)熱率、輻射率達(dá)到最高，導(dǎo)熱率為0.727 W/(m·K)，輻射率為0.85。通過理論求解可知,無涂層鋼板導(dǎo)熱率為49.8 W/(m·K)，發(fā)射率為0.35，單位面積散熱為142.5 W/m；有涂層鋼板單位面積散熱為352 W/m。

將石墨烯涂層涂覆在油箱表面，設(shè)置環(huán)境溫度為35 ℃、熱載荷溫度為83.4 ℃、運(yùn)行時(shí)間為1.4×10s、入口速度為1.81 m/s，則油箱溫度云圖如圖11所示。

圖11 油箱溫度云圖

設(shè)初始溫度分別為25、30、35 ℃，分析結(jié)果如圖12所示。

圖12 不同初始溫度下有、無涂層時(shí)的熱平衡溫度

由圖12可知：當(dāng)初始溫度為35 ℃時(shí)，達(dá)到熱平衡后，油箱溫度約降低6 ℃；當(dāng)初始溫度為30 ℃時(shí)，達(dá)到熱平衡后，油箱溫度約降低4.5 ℃；當(dāng)初始溫度為25 ℃時(shí)，達(dá)到熱平衡后，油箱溫度約降低3 ℃。

4 結(jié)論

(1)通過在表面涂覆含有石墨烯填料涂層的方法，可以有效降低表面溫度；

(2)利用表面涂覆石墨烯涂層的方法，并不能明顯縮短油液達(dá)到熱平衡的時(shí)間，但是可以降低熱平衡時(shí)的溫度；

(3)要使液壓系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)的液壓油溫度為55 ℃，還需增加風(fēng)冷等措施。