保定市金能換熱設(shè)備有限公司（071000）　楊興茹 范雙喜 宿新天

【摘要】本文介紹了用于熱處理行業(yè)中淬火介質(zhì)和高中頻設(shè)備冷卻以及熱處理爐余熱回收的節(jié)能節(jié)水空氣冷卻器的基本構(gòu)造和性能。這種設(shè)備能夠大幅度降低熱處理過程中的能耗，很值得在國(guó)內(nèi)同行業(yè)中推廣。 

關(guān)鍵詞：空氣冷卻器、能耗、余熱回收

Application of Air cooler in Heat Treating Vocation

The basic construction and performance of a type of high effective air cooler for conservation of energy and water are briefly introduced in this paper,this air cooler used in cooling of both quenching medium and medial-high frequency furnace,and in waste heat recovery as well.This type of equipment can greatly reduce the energy consumption in heat treating processes,and it is worth to make it popular in heat treating vocation of China.

Keywords：air cooler， energy consumption， waster heat recovery

中國(guó)分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：

建立節(jié)約型社會(huì)是我們國(guó)家的大政方針，關(guān)系到國(guó)家的發(fā)展，民族的興衰和人類生存的重大問題。目前我國(guó)熱處理能耗約750kwh/t，實(shí)現(xiàn)“十五”規(guī)劃目標(biāo)500kwh/t[1]。降低能耗和提高熱處理產(chǎn)品的質(zhì)量是每一位熱處理工作者義不容辭的責(zé)任，采用節(jié)能、節(jié)水空氣冷卻器冷卻淬火介質(zhì)和高中頻設(shè)備水冷系統(tǒng)就是一項(xiàng)行之有效的方法，從節(jié)約水資源、控制水污染的角度分析，空冷器的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的。同時(shí)也可看出，對(duì)于高溫位的熱量，空冷器具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。因此先干冷后濕冷的聯(lián)合冷卻系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊。 

1、冷卻淬火介質(zhì)的空氣冷卻器 

1.1　社會(huì)背景 

國(guó)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，將影響工件的金相組織和機(jī)械性能。例如，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(zhǎng)等特點(diǎn)。 

1.2　空冷器結(jié)構(gòu) 

空冷器由許多并聯(lián)的翅片管作為冷卻元件組成。翅片管是空冷器的核心和關(guān)鍵部件。其性能優(yōu)劣直接影響到空冷器的性能和使用。L型翅片管是目前使用廣泛的，它是由光管外側(cè)纏繞鋁翅片或鋼翅片所構(gòu)成，由于制造簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉而得到廣泛的應(yīng)用[2]。 

1.3　空冷器的性能特點(diǎn) 

1.3.1　節(jié)水，改用空冷，無冷卻水消耗。 

1.3.2　節(jié)電，采用大風(fēng)量軸流風(fēng)機(jī)，裝機(jī)功率較小。 

1.3.3　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)的弊病。 

1.3.4　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)行熱交換，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。 

1.3.5　壽命長(zhǎng),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.

1.4　經(jīng)濟(jì)效益分析 

1.4.1　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)清洗板式換熱器和冷卻塔2.5次，（包括拆卸清洗換熱片、清洗冷卻塔、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： 5.4KW/h,全年（按300天計(jì)算）節(jié)電費(fèi)用為： 2.95萬元 

節(jié)水，原來水冷卻系統(tǒng)冷卻塔損失水量每小時(shí)0.36t，年節(jié)水量1592t，年節(jié)水費(fèi)用0.7491萬元，年總節(jié)電節(jié)水費(fèi)用4.4萬元。 

1.4.2　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 

2、高中頻設(shè)備水冷系統(tǒng)空氣冷卻器 

隨著感應(yīng)加熱設(shè)備使用的不斷增多，因用戶自身?xiàng)l件各不相同，往往對(duì)于設(shè)備的水冷系統(tǒng)卻不夠重視，許多用戶未按規(guī)定使用純凈水，則使用普通井水或自來水，而在實(shí)際工作中水質(zhì)對(duì)設(shè)備的水冷系統(tǒng)及元器件影響很大。 

2.1　空冷器的特點(diǎn) 

2.1.1　提高電子管使用壽命（高頻設(shè)備），普通冷卻水易結(jié)垢，需定期清洗，一旦結(jié)垢就已經(jīng)影響到電子管的發(fā)射功率及壽命，嚴(yán)重時(shí)電子管陽(yáng)極易被燒穿。 

2.1.2　節(jié)電，在直流高壓作用下以100KW高頻設(shè)備為例，陽(yáng)極水路對(duì)地耗電量為：普通水在8KW左右，純水則在70W左右。 

2.1.3　降低電解腐蝕，陽(yáng)極高壓通過水阻對(duì)地形成直流電流。造成電子管水套進(jìn)出口電解腐蝕，普通水的電解腐蝕速度是純水的十倍以上。

空冷器的儲(chǔ)水箱根據(jù)設(shè)備功率不同約為1m3，每噸純水價(jià)格250元至300元之間。因?yàn)槭褂昧碎]合循環(huán)，所以純凈水消耗量極低，同時(shí)如按一定比例加入防凍液可解決高頻水路的冬季凍結(jié)難題。使用純凈水不僅提高了設(shè)備及元件壽命，而且減少維修費(fèi)用，從而達(dá)到提高生產(chǎn)率，節(jié)電的目的。 

2.1.4　該冷卻系統(tǒng)使用純凈水在空冷器和感應(yīng)加熱設(shè)備內(nèi)閉路循環(huán)，水質(zhì)干凈，使被冷卻的電氣系統(tǒng)長(zhǎng)期不結(jié)水垢，不被異物堵塞。該冷卻系統(tǒng)不需要水池和冷卻塔。 

2.1.5　本空冷器解決了常規(guī)水冷系統(tǒng)存在的許多問題，具體如下優(yōu)點(diǎn)： 

無需水池、冷卻塔、占地面積小。 

純凈水循環(huán)、水質(zhì)干凈、不結(jié)水垢、耗水量極少。 

閉路循環(huán)、無雜物進(jìn)入、不長(zhǎng)青苔、管路不會(huì)堵塞。 

體積小、整體性好、安裝方便。 

能避免夏季設(shè)備出現(xiàn)冷凝水造成的故障。 

本設(shè)備在突然停電、停水情況下仍然能夠繼續(xù)冷卻。 

空冷器為密封式閉路循環(huán)。由管道泵將純凈水打入傳熱管束，強(qiáng)制風(fēng)冷，冷卻后進(jìn)入分水包，分水包上設(shè)有與設(shè)備相對(duì)應(yīng)的水管，分別接到設(shè)備所需的進(jìn)水口。 

2.2　噴淋裝置 

噴淋裝置是為夏季炎熱時(shí)節(jié)準(zhǔn)備的，它由噴淋泵（0.37KW）、接水盤、噴淋管等組成獨(dú)立的循環(huán)系統(tǒng)。在風(fēng)機(jī)和傳熱管之間增設(shè)噴頭，少量的水噴射至傳熱管的翅片表面上，使表面溫度降至大氣濕球溫度，從而滿足換熱溫差的要求，噴射到傳熱管表面的水經(jīng)過汽化可帶走大量的潛熱，起到對(duì)散熱的補(bǔ)充作用。 

2.3、空冷器結(jié)構(gòu) 

風(fēng)機(jī)選用大風(fēng)量、低噪聲、小功率的軸流風(fēng)機(jī)，循環(huán)泵選用管道泵，因此，在同等揚(yáng)程和流量的情況下，常規(guī)水冷系統(tǒng)使用的離心泵的電機(jī)功率與空冷器使用的風(fēng)機(jī)和循環(huán)泵功率之和基本相當(dāng)。 

風(fēng)機(jī)功率是按夏季運(yùn)行所需要的風(fēng)量設(shè)計(jì)的，冬季可以減半使用，所以使用空冷器的年耗電量要低于常規(guī)水冷系統(tǒng)的年耗電量。 

空冷器設(shè)置了配電箱，可控制循環(huán)泵、風(fēng)機(jī)、噴淋泵及數(shù)字溫度顯示儀，還能和高頻設(shè)備互鎖。 

空冷器是獨(dú)立的一套設(shè)備，占地面積小，可以按用戶要求放置室內(nèi)或室外。水壓可通過調(diào)節(jié)閥調(diào)整，分水包上配有壓力表顯示壓力。使用前將進(jìn)高頻設(shè)備的所有截門關(guān)閉，通過自身循環(huán)后，排污閥將水排盡，重新加入純凈水確保高頻設(shè)備使用中無雜物，從而不會(huì)造成堵塞。 

3　余熱回收 

熱處理加熱爐都有大量的余熱白白浪費(fèi)掉，尤其燃燒氣加熱爐排煙達(dá)到：550℃-400℃，這部分熱量占到加熱爐熱負(fù)荷的25%-30%。節(jié)能的一個(gè)重要途徑就是降低加熱爐的排煙排氣溫度，回收余熱降低能耗。 

熱管是應(yīng)用工質(zhì)相變進(jìn)行傳熱的，因此具有啟動(dòng)快、傳熱強(qiáng)度大的特點(diǎn)。 

3.1　熱管空氣予熱器的優(yōu)點(diǎn)： 

3.1.1　傳熱效率高，在熱管的吸、放熱段均可根據(jù)需要采用翅片強(qiáng)化傳熱，彌補(bǔ)氣體換熱系數(shù)低的弱點(diǎn)。 

3.1.2　有效地避免煙氣、空氣串流，每根熱管都是相對(duì)獨(dú)立密封件，煙氣，空氣在管外流動(dòng)，中間由隔板密封嚴(yán)格分隔。 

3.1.3　有效地防止酸露點(diǎn)腐蝕，通過調(diào)整熱管根數(shù)或熱管吸熱段與放熱段的傳熱面積比，可控制管壁溫度，防止露點(diǎn)腐蝕。 

3.1.4　有效地防止積灰，予熱器設(shè)計(jì)成變截面結(jié)構(gòu)，保證流體進(jìn)出采用等速流動(dòng)，達(dá)到自清灰的目的。 

3.1.5　傳熱過程無運(yùn)動(dòng)部件，沒有附加動(dòng)力消耗，不需要經(jīng)常更換熱管元件，即使有部分損壞，也不會(huì)停爐，隨時(shí)更換以保證正常生產(chǎn)。 

采用熱管式空氣冷卻器進(jìn)行冷卻，同時(shí)對(duì)余熱進(jìn)行回收，提高整個(gè)系統(tǒng)的熱效率，節(jié)省能源。將予熱的空氣送入加熱爐作為助燃風(fēng)，達(dá)到雙重效果，充分發(fā)揮了熱管換熱器的優(yōu)點(diǎn)。 

3.2　螺旋槽管——熱管復(fù)合式空氣予熱器方案 

此方案的要點(diǎn)是在高溫區(qū)煙氣入口段，采用螺旋管空氣予熱器[3]，而在低溫區(qū)使用熱管空氣予熱器。 

螺旋槽管空氣予熱器其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳熱系數(shù)較一般列管空氣予熱器高出30%，能耐較高溫度，可在450℃煙氣中長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，造價(jià)較低。由于高溫區(qū)不存在酸腐蝕問題，將螺旋槽管空氣予熱器布置在高溫段不會(huì)出現(xiàn)由于酸腐蝕而導(dǎo)致穿孔漏風(fēng)的危險(xiǎn)。而在低溫段，采用熱管空氣予熱器，利用熱管可調(diào)節(jié)壁溫的特點(diǎn)，可提高受熱面的壁溫，從而避開酸露點(diǎn)以保證受熱面。 

本方案充分發(fā)揮螺旋槽管和熱管這兩種形式的空氣予熱器優(yōu)點(diǎn)避免其缺點(diǎn)，因而可獲得滿意的結(jié)果。本方案具有重量輕、造價(jià)低、可靠性高、運(yùn)行調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單等顯著優(yōu)點(diǎn)。在啟動(dòng)工況時(shí)，熱管高工作溫度僅為215℃，在其使用范圍內(nèi)。 

為了保證冬季運(yùn)行的可靠性，在熱管予熱器空氣進(jìn)口處設(shè)置前置預(yù)熱器，通過提高入口風(fēng)溫，從而提高受熱面的工作溫度，避免結(jié)露。 

4　結(jié)語(yǔ) 

從2000年至今，我們先后研制開發(fā)了千余臺(tái)空冷器用于全國(guó)二十多個(gè)省及直轄市熱處理企業(yè)淬火介質(zhì)及高中頻設(shè)備水冷系統(tǒng)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[4]，又節(jié)省了大量水資源和保護(hù)了環(huán)境。

[參考文獻(xiàn)]

[1]樊東黎.熱處理行業(yè)“十五”規(guī)劃熱處理行業(yè)情況和前景預(yù)測(cè).金屬熱處理，2005,(1)： 

8～13

[2]李文良，張?jiān)缧?用空冷器代替冷卻塔的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析.節(jié)能，2004,(8)：18～21

[3]李志敏，周贊慶.螺旋翅片管換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì).節(jié)能，2005,(1)：19～21

[4]溫新林，王秀梅.熱管空冷器在淬火介質(zhì)控溫過程中的應(yīng)用.金屬熱處理，2004,(3)：50～ 52