熱管空冷器在滲碳淬火介質(zhì)控溫過程中的應(yīng)用

熱管空冷器在滲碳淬火介質(zhì)控溫過程中的應(yīng)用 
宿新天 
(保定市金能換熱設(shè)備有限公司，河北 保定 071000)

摘要：熱管空冷器以空冷替代水冷用于滲碳淬火油的冷卻，本文介紹了熱管空冷器在連續(xù)滲碳淬火過程中冷卻淬火油的應(yīng)用實(shí)例；經(jīng)實(shí)際測試，淬火油出油槽溫度為121℃，經(jīng)熱管空冷器空冷制冷后，回油槽溫度為79℃，證明淬火油空冷控溫優(yōu)于水冷。 

關(guān)鍵詞：熱管；空冷器；滲碳淬火；冷卻；淬火油中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：

The application of heat pipe air condenser in the temperature control of the cementite and quench medium
Su Xintian
(Baoding Machinery and Electricity Institute，Hebei Baoding 071000)
Abstract:It is air, instead of water that serves as the cooling medium of cementite and quench oil in heat pipe air condenser. The sample of heat pipe air condenser cooling quench oil during the continual cementite quench is introduced in this paper. It is tested that the temperature of quench oil to oil slot ,which has been cooled by the hear pipe air condenser, is 79℃; while its beginning temperature from oil slot is 121℃. It proves that air-cooling is excellent than water-cooling used in temperature control of quench oil.
Keywords:heat pipe; air condenser; cementite and quench; cool; quench oil

1 社會(huì)背景和歷史沿革 

國內(nèi)熱處理行業(yè)對(duì)熱處理工藝、淬火介質(zhì)的研究倍受重視，而對(duì)淬火介質(zhì)的溫度和冷卻往往被忽略，但是由于淬火介質(zhì)溫度控制不準(zhǔn)確，影響工件的金相組織和機(jī)械性能。國外發(fā)達(dá)國家投入大量人力財(cái)力研究淬火介質(zhì)溫度控制，自動(dòng)化程度較高，值得我們借鑒。本文介紹的汽車零件連續(xù)滲碳淬火件的淬火介質(zhì)，原來采用油 —水換熱器冷卻，開始時(shí)換熱器表面比較干凈，冷卻效果較好，但過一段時(shí)間，由于換熱器表面污垢等原因，冷卻能力大大降低，淬火油溫波動(dòng)較大，嚴(yán)重影響滲碳件的組織和性能。另外隱患是油—水換熱器金屬壁面一旦某處腐蝕泄漏，就會(huì)導(dǎo)致冷熱流體的摻混，引發(fā)爆炸危險(xiǎn)，空冷器冷卻淬火油具有節(jié)水、節(jié)電、易操作、易維護(hù)、壽命長等特點(diǎn)。

2 滲碳淬火工藝要求 

2.1 滲碳淬火設(shè)備及工件 

VFE5/1（S）CN多用箱式爐；工件，20Cr凸輪軸（20CrMn齒輪軸）；每批裝爐量800-1000㎏。 

2.2 滲碳淬火工藝 

表面含碳量1.003%,層深1.8㎜,碳勢1.6%,連續(xù)操作15分鐘出爐一批工件。滲碳溫度920℃,淬火油溫設(shè)定80℃,每批工件浸入油中油溫升至120℃,要求淬火油冷至80℃流回油槽,待下一批工件淬火。 

3 熱管空冷器的研制 

3.1 熱管原理 

熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的傳熱元件[1 ]，他通過在全封閉真空管內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性，良好的等溫性，冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變，可遠(yuǎn)距離傳熱，可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)。熱管加熱側(cè)吸收熱流體熱量，并將熱量傳遞給管內(nèi)工作介質(zhì)，工質(zhì)吸熱后以蒸發(fā)和沸騰的形式轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝羝驂翰钭饔蒙仙椒艧醾?cè)，同時(shí)凝結(jié)成液體放出汽化潛熱，熱量傳給放熱側(cè)流體，冷凝液體依靠重力再回流到受熱側(cè)。

由于熱管內(nèi)部抽成真空，所以工質(zhì)極易蒸發(fā)與沸騰，熱管起動(dòng)迅速。由熱管組成的空氣冷卻器具有傳熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，流體阻損小等優(yōu)點(diǎn)；管殼材質(zhì)為20#冷拔無縫鋼管,工質(zhì)為水—乙醇。 
3.2 熱管空冷器 

單管熱管組成管束，加熱管插入淬火油中,每根套管相連,熱管空冷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。高溫淬火油加熱熱管工質(zhì)通過相變把熱量傳遞給熱管冷卻段,冷空氣橫向沖刷熱管冷卻段管外高頻電阻焊接螺旋翅片,散熱面積大,將淬火油的熱量擴(kuò)散到空氣中去.熱管工質(zhì)反復(fù)蒸發(fā)，冷凝循環(huán)，達(dá)到淬火油冷卻的目的，熱管空冷器，如圖2所示。 

3.3 熱管空冷器的性能特點(diǎn) 

3.3.1 節(jié)水,改用空冷,無冷卻水消耗。 

3.3.2 節(jié)電,采用大風(fēng)量軸流風(fēng)機(jī),裝機(jī)功率不到1KV。 

3.3.3 易維護(hù),由于不再使用大量冷卻水,避免原來水冷系統(tǒng)產(chǎn)生水垢及凍結(jié)的蔽病。 

1、熱管 2、隔板 3、進(jìn)入套管 1、軸流風(fēng)機(jī) 2、風(fēng)機(jī)接口 3、換熱器本體 

4、淬火油套管 5、、螺旋翅片 6、進(jìn)入油槽 4、進(jìn)口 5、出口 

圖1、熱管空冷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖2、熱管空冷器外形圖 

Fig.1 The inside structure diagram of the Fig.2 The form diagram of the heat pipe 

heat pipe air condenser air condenser 

3.3.4 傳統(tǒng)的油—水冷卻器，冷流體通過金屬壁面內(nèi)外側(cè)進(jìn)熱交換，一旦金屬壁面某處腐蝕泄漏，就會(huì)導(dǎo)致冷熱流體的摻混，高溫淬火油若摻進(jìn)水后，產(chǎn)生水蒸汽將會(huì)引發(fā)爆炸的危險(xiǎn)。而熱管空冷器即使某支熱管失效，不影響其它熱管工作，空冷器正常運(yùn)行。 

3.3.5 壽命長,由于熱管與冷熱流體的換熱僅僅在外表面上進(jìn)行的,通過對(duì)熱管外表面進(jìn)行某些處理,就可以大大提高熱管空冷器的使用壽命。

4 實(shí)測結(jié)果 

通過在江蘇省無錫威孚有限公司熱處理分廠和大同齒輪廠一年的實(shí)際應(yīng)用，證明熱管空冷器性能完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求指標(biāo)，結(jié)果見表1、表2。

表1 江蘇省無錫威孚有限公司熱處理分廠實(shí)測值 
Table 1 Measured value of Jiangsu Wuxi Weifu Ltd. heat treatment factory

表2 山西省大同齒輪廠實(shí)測值 
Table 2 Measured value of Shanxi Daton gear factory

5 經(jīng)濟(jì)效益分析 

5.1 降低維修費(fèi)用、節(jié)電、節(jié)水 

現(xiàn)以MKG型多用爐滲碳為例，改造前平均每年停產(chǎn)清洗極式換熱器和晾水塔2.5次，（包括拆卸清洗換熱片、清洗晾水塔、放水、放油等），每次處理所用的人工費(fèi)、材料費(fèi)0.28萬元。至于熱處理工件廢品間接效益損失情況復(fù)雜，忽略不計(jì)。該項(xiàng)維修費(fèi)用：SW=0.28×2.5=0.7萬元 

節(jié)電，每小時(shí)滲碳件產(chǎn)量1000Kg，原來運(yùn)行費(fèi)用，油泵功率3.5KW; 水泵功率4.5KW，改用空氣冷卻器取消了二次換熱油泵功率1.5KW，風(fēng)機(jī)功率1.1KW，每小時(shí)節(jié)電量：3.5+4.5-(1.5+1.1)=5.4KW/h,全年（按300天計(jì)算）節(jié)電費(fèi)用為：Sd=0.76×5.4×24×300=2.95萬元 

節(jié)水，原來水冷卻系統(tǒng)由晾水塔損失水量每小時(shí)0.36t,全年節(jié)水量:0.36×24×300=2592t,全年節(jié)水費(fèi)用：SS=2.89×2592=0.7491萬元，全年總節(jié)省費(fèi)用：ST=SW+Sd+SS=0.7+2.95+0.75=4.4萬元。 

5.2 回收期限 

改用空氣冷卻器投資2.2萬元，回收期限為：2.2÷4.4=0.5年 

6 結(jié)束語 
從2000年至今，我們先后研制開發(fā)了三十幾臺(tái)熱管空冷器用于全國幾個(gè)省市熱處理淬火介質(zhì)的冷卻，效果令人滿意。尤其北方缺水地區(qū)更是倍受歡迎，既保證了熱處理工件的金相組織和機(jī)械性能[2]，又節(jié)省了大量水資源和保護(hù)了環(huán)境。 

該空冷器還可以用于電器設(shè)備元件的冷卻，在夏季高溫季節(jié)，若要求冷卻介質(zhì)溫度低于周圍環(huán)境溫度時(shí)，可采用噴霧方式，將少量水霧化，噴射到熱管散熱表面上，可使熱管表面溫度達(dá)到濕球溫度，降至低于氣溫5-6℃，滿足于換熱對(duì)溫差的要求，從而增加空冷器的換熱能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 莊駿，張紅.熱管及其工程應(yīng)用 北京 ：化學(xué)工業(yè)出版社，2000，6 

[2] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理專業(yè)分會(huì). 熱處理手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001，8

作者簡介：宿新天（1943－），男，遼寧海城人，中國熱處理行業(yè)協(xié)會(huì)理事，北京航空航天大學(xué) 505實(shí)驗(yàn)室特約研究員，長期從事熱管換熱技術(shù)、干燥技術(shù)、熱力工程加熱和冷卻設(shè)備的研究設(shè)計(jì)工作。發(fā)表論文10多篇，曾多次在全國學(xué)術(shù)會(huì)議上獲優(yōu)秀論文獎(jiǎng)。

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