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哈雷釬焊板式換熱器
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汽車空調換熱器釬焊爐冷卻段的設計及傳熱計算

點擊:1666 日期:[ 2014-04-26 22:05:48 ]
                        汽車空調換熱器釬焊爐冷卻段的設計及傳熱計算                                   王瑾   陳軍   劉金松                       (上海理工大學建筑環境與設備工程系 上海 200093)     【摘 要】針對某汽車空調換熱器釬焊生產流水線冷卻段冷卻降溫不能達到工藝要求,用傳熱學原理對冷卻 段進行傳熱理論分析和計算,得出冷卻段不能滿足工藝要求的原因和改造所需要的結構參數。     【關鍵詞】 冷卻系統;生產流水線;傳熱計算     中圖分類號 TB657 文獻標識碼 A 0 引言 上海某汽車設備制造有限公司采用釬焊爐對 所生產的車用空調蒸發器、冷凝器等部件進行熔合 釬焊處理。從釬焊爐出來的鋁合金產品及鐵質托架 夾具,其溫度在 300℃以上,為了后道工序的人工 操作,在釬焊爐出口流水線部位布置了冷卻段,工 藝要求經冷卻段冷卻后的產品溫度不得超過50℃。 同時,相應的鐵質托架夾具通過冷卻段亦應得到有 效冷卻。工藝要求冷卻段的冷卻方式只能采用風冷 冷卻,采用排風系統將熱量排至室外。由于現有的 4#和 7#釬焊爐流水線,冷卻系統設計不盡合理, 致使冷卻段后的產品及輔助工裝的夾具、托盤的溫 度大大超出工藝要求,影響產品質量。而高溫的產 品和輔助工裝,使操作工人的操作條件較為惡劣, 不但容易引起燙傷;高溫的產品和輔助工裝直接堆放在車間內流水線旁,使車間內環境溫度隨之上 升,對生產環境造成熱污染,同時也使冷卻段的進 風溫度提高,進一步惡化了冷卻段的冷卻效果。為 此,需對冷卻段進行重新設計。 在此之前,廠方已進行了多次冷卻段的小改 造,例如改變風機的風量、改變鏈輪轉速等等。由 于沒有對系統的傳熱與通風的氣流組織進行分析, 又受到釬焊爐生產工藝、風機安裝位置以及噪聲等 條件限制,改造效果不明顯,無法達到工藝要求與 通風室內的溫度要求。 1 原有流水線冷卻段狀況 本次改造首先對原來冷卻段的實際參數進行 實測,找到問題的癥結,才能對癥下藥,以獲得滿 意的結果。采用遠紅外溫度測量儀、熱球風速儀即旋翼式風速儀等進行測試。 1.1 原有冷卻段的設計工藝參數 4#和 7#釬焊爐流水線冷卻段的設計工藝參數 主要為冷卻段的實際尺寸、鏈輪行進速度與冷卻段 的截面平均風速等,具體數據如表 1 所列。 1.2 原有冷卻段產品溫度變化的實測數據 首先對進、出 4#和 7#釬焊爐流水線冷卻段的 釬焊產品和輔助工裝(托盤、夾具)的外形尺寸、質量及溫度等數據進行現場測試,獲得具體數據見表 2、表 3。 表 2 的數據是在春季下雨的情況下測得的,當 時車間內環境溫度比較低。從表中數據顯示,在環 境溫度(即冷卻段進風溫度)為 18℃左右時,7# 釬焊爐流水線冷卻段的冷卻效果基本滿足工藝生 產的要求,而 4#釬焊爐流水線冷卻段的冷卻效果已 不能滿足要求。進入夏季之后,車間內悶熱潮濕, 加上釬焊爐等設備的發熱量,環境溫度一般會在 40℃以上,甚至達到 50℃,兩條流水線的冷卻段 的冷卻效果均無法滿足生產工藝要求。 2 冷卻段改造的理論計算 為了使系統改造的設計合理,需對冷卻段的冷 卻過程進行傳熱學分析,用傳熱公式和相似原理進 行計算,從理論到實際改造,有目的地掌握影響冷 卻段冷卻效果的主要因素,達到改造的目的。 2.1 釬焊爐冷卻段的設計要求與假設條件 冷卻段的設計條件與要求為:釬焊產品及其輔助工裝的托盤、夾具初始溫度不高于330℃條件下, 經過冷卻段的風冷冷卻,產品溫度必須降低至50℃ 以下,托盤和夾具的溫度不高于 60℃。由于車間 內安裝釬焊爐及釬焊爐流水線生產的產品下線后 在周邊直接堆碼,造成車間內環境溫度較高,雖然 采用自然通風的方式來降低室內環境溫度,冷卻段 的進風溫度仍然可達 40℃。 在進行傳熱計算之前,首先必須對計算對象作 如下假設: a.由于金屬產品和輔助工裝的托盤、夾具的 導熱能力遠遠大于其與空氣對流換熱的能力,認為 在同一時刻產品和輔助工裝的溫度是均勻的; b.由于空氣的運動方式是強制對流,且換熱 后空氣直接排到室外,認為空氣在對流換熱時,其 物性參數:導熱系數、粘度、普朗特數等參數保持 恒定; c.由于在同一時間段內的室內環境溫度變化不大,認為環境溫度對換熱過程及空氣物性參數的 影響忽略不計。 2.2 冷卻系統換熱過程的理論分析 產品及輔助工裝在冷卻段內冷卻,經過微元時 間 d τ,產品的溫度降低了dt ,在 d τ冷卻過程中 產品失去的熱量應該等于產品與空氣之間的對流 換熱熱量,由此可列出冷卻過程的熱平衡傳熱方 程: 式中 α 為產品及工裝和空氣之間的換熱系數, W/m2·K;F 為產品及工裝換熱面積,m2;ρ 為產品 及工裝密度,kg/m3;V 為產品及工裝體積,m3; Cp 為產品及工裝比熱,kJ/kg·K;t、t0 分別為產品 及工裝溫度和環境空氣溫度,℃;τ為換熱時間, s。 傳熱過程的邊界條件為:當產品及工裝剛進入 冷卻段時,τ=0,此時產品及工裝的溫度 t=t1;當 產品及工裝剛離開冷卻段時,τ=τ,此時產品及工 裝的溫度 t=t2;冷卻過程的全程溫度變化,可通過 積分求得: 從公式(4)可見,對某一種產品而言,影響 在冷卻段內冷卻效果的因素有產品進口溫度,與空 氣間的對流換熱狀態,以及在冷卻段內持續時間。 以最不利條件考慮,環境空氣溫度為 40℃,定性 尺寸按表 3 提供的最大值 0.8m 來判斷在冷卻段內 產品與空氣間的換熱狀態。由文獻〔1〕查得空氣 在 40℃ 時的 主 要 物 性 參 數 : ρ=1.128kg/m3 , ν=16.96×10-6m2/s,Pr=0.699。由雷諾數計算判斷換 熱表面的流動邊界層狀態。 2.3 冷卻設備換熱過程的計算 從熱平衡原理推導的冷卻段理論計算公式,產 品和輔助工裝經過冷卻段冷卻,是否可以達到改造 的設計要求,制約的因素較多。然而,當該計算公 式針對某一產品,在穩定冷卻狀態時,λ、Pr、V、 ρ 等參數可以認為是定值。根據集總參數法,令: 對于同一種產品,ζ 是一個常數,可以用傳熱 的相似原理進行計算。將表 1~表 3 的已知數據代 入公式(8),即可得到不同產品的 ζ 值。計算數據 見表 4。 ζ 值反映了某一產品及輔助工裝在冷卻段中的 冷卻降溫特性。在得到 ζ 值后,用公式(9),按要 求環境溫度 t0 為 40℃,產品進出冷卻段溫度 t1= 330℃,t2=50℃,即可確定各種產品及輔助工裝在 冷卻段內,以一定的鏈輪速度前進(即固定冷卻的 時間τ )時,確定冷卻段內截面平均風速u ;或限 定冷卻段內平均風速,確定冷卻過程所需經歷的時 間,再按釬焊爐流水線工藝要求的鏈輪行進速度, 求出冷卻段的合理長度。 表 5 列出了產品“L-Ccar 蒸”和產品“KAC 后 蒸”在滿足冷卻段出口溫度為 50℃時,計算風冷段 的長度及輔助工裝的出口溫度情況。在滿足產品降 溫要求的同時,其輔助工裝的溫度仍然有可能超過 設計要求。兩者同時滿足要求,還需調整冷卻段的 氣流組織、增加平均風速或適當增加冷卻段的長度 等措施。 表 6 列出的數據顯示,要保證產品及輔助工裝 在冷卻后都要滿足溫度要求,在冷卻段截面平均風 速 1.5m/s 時,7#爐流水線冷卻段的長度不小于 3.1 米,在允許的安裝距離之內;4#爐流水線冷卻段的 理論長度達 5 米,由于現有空間所限,按公式(9) 所示各參數之間相互關系,采用調整風速的方法, 來調整長度尺寸,達到相同的冷卻效果,將 4#爐流水線冷卻段的截面平均風速調高到 2.5m/s,得到的 參數值見表 7,冷卻段的長度調整到 4.5 米以下, 基本滿足安裝要求,繼續調高風速,將會產生太高 的排風噪聲和能源消耗,又會引出新的問題。 確定改造冷卻系統所需的技術和結構參數后, 需要配合合理的設備布置及合理的氣流組織,以獲 得良好的散熱降溫效果。在實際改造過程中,冷卻 段采用下送風為主、側送風為輔的送風方式和上排 風氣流組織形式,經過理論計算和 CFD 模擬,以 下送風量和側送風量 9:1 左右的比例,合理布置 送、排風機與風道斷面面積,使改造后的冷卻系統 內的氣流組織通暢,不出現短路現象,保證換熱充 分均勻,使兩條生產線的冷卻段在未增加風機功率 的情況下,解決了生產工藝要求的降溫要求。經現 場測試,改造后的冷卻效果,完成達到預期的目標。 3 結語 通過釬焊爐生產流水線的冷卻段改造可以看 出,應用傳熱的熱平衡方程和相似理論計算,找出 其工藝參數的主要影響因素,可以根據要求的目標 值,進行參數調整,獲得了冷卻段改造所需的技術、 結構參數。以理論指導的設計,減少工作中的盲目 性,在施工之前預測結果狀態,可以完全按照預定 的目標進行改造,便于合理組織工期,節省了投資。 使新的冷卻系統發揮了應有的作用,滿足了生產工 藝的要求,同時也減輕了生產環境的熱污染,提高 了環境的空氣品質。 參考文獻: [1] 趙榮義, 范存養, 薛殿華, 等.空氣調節[M].北京: 中 國建筑工業出版社, 2006. [2] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學[M].北京: 高等教育出版社, 1998. 
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