楊士冬

摘 要：冷卻壁熱阻直接影響其傳熱能力。本文研究管內(nèi)徑、水速及水量對冷卻壁熱阻影響，為冷卻壁設(shè)計(jì)及使用提供幫助。鑄鐵冷卻壁傳熱的限制性環(huán)節(jié)是氣隙導(dǎo)熱熱阻，鑄鋼冷卻壁的是壁體導(dǎo)熱熱阻，而銅冷卻壁的是對流換熱熱阻。在相同運(yùn)行水量下，對鑄鐵和鑄鋼冷卻壁，滿足水速達(dá)到紊流狀態(tài)下，盡量加大管徑，以降低其總熱阻；而銅冷卻壁，則適當(dāng)減小管徑、提高水速，以降低其總熱阻。

關(guān)鍵詞：冷卻壁熱阻；管內(nèi)徑；水速；水量

中圖分類號：TF573.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）06-0053-02

冷卻壁熱阻含其本體導(dǎo)熱和水通道對流換熱熱阻兩部分，前者與其材質(zhì)、水管內(nèi)徑及制造工藝有關(guān)，后者與冷卻水速、水量及水壓等運(yùn)行參數(shù)有關(guān)。本文對上述參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算及分析，以期為冷卻壁設(shè)計(jì)及冷卻水調(diào)控提供幫助。

1 冷卻壁熱阻計(jì)算模型

對于埋管鑄造結(jié)構(gòu)的冷卻壁，其傳熱模型的最小單元可簡化成單根水管的傳熱，如圖1所示。

穩(wěn)態(tài)條件下，單根水管的一維傳熱方程式如下所示：

公式（1）

式中：—單根水管的熱流量，W；—冷卻壁的壁體溫度，℃；——冷卻水進(jìn)出口的平均溫度，℃；——冷卻水到冷卻壁體的總傳熱熱阻，℃/W。

總傳熱熱阻R由五個(gè)部分構(gòu)成，分別為：R0：水和冷卻通道之間的對流換熱熱阻；R1：水管管壁的導(dǎo)熱熱阻；R2：水管外表面的防滲碳涂層導(dǎo)熱熱阻；R3：水管與壁體之間的氣隙導(dǎo)熱熱阻；R4：水管外包裹壁體的導(dǎo)熱熱阻R4。其中R0為對流換熱熱阻范疇，R1～R4為導(dǎo)熱熱阻范疇。五個(gè)分項(xiàng)熱阻為串聯(lián)關(guān)系。

由實(shí)踐可知，冷卻壁的傳熱路徑不僅包含壁體熱面至水管的傳熱，還包括壁體側(cè)面和冷面至水管的傳熱，因此，將單根水管的傳熱模型簡化成多層圓筒壁的傳熱模型進(jìn)行求解[1]，計(jì)算結(jié)果如下所示。

2 管內(nèi)徑對冷卻壁熱阻的影響

水速為1.8m/s時(shí)，三種冷卻壁熱阻與管內(nèi)徑關(guān)系如圖2～4所示。由圖2～圖4可知，隨管內(nèi)徑增大，總熱阻（R）及各項(xiàng)熱阻（R0～R4）均逐漸減小，但趨勢變緩。管內(nèi)徑加大，不僅降低導(dǎo)熱熱阻，也降低對流換熱熱阻，故對總熱阻影響均較大。因此，設(shè)計(jì)加大管內(nèi)徑，對降低熱阻是有好處的。但同時(shí)水量增加，運(yùn)行電費(fèi)隨之增加，需衡量其性價(jià)比（冷卻效果與運(yùn)行成本）。

3 水速對冷卻壁熱阻的影響

管內(nèi)徑或當(dāng)量內(nèi)徑（銅冷卻壁）為58mm，對應(yīng)鋼管規(guī)格為Φ70×6mm，三種冷卻壁熱阻與水速關(guān)系如圖5～圖7所示。由圖5～圖7可知，隨水速增大，僅對流換熱熱阻R0減小，總熱阻（R）也隨之減小。另外水速提高，對銅冷卻壁總熱阻影響較大，對球墨鑄鐵和鑄鋼冷卻壁影響較小。水速達(dá)2.0m/s繼續(xù)提高時(shí)，對球墨鑄鐵或鑄鋼冷卻壁總熱阻降低作用不大，而對銅冷卻壁的作用依然較明顯。

綜合圖2～圖7可知，總熱阻與管內(nèi)徑和水速均成反比的關(guān)系。經(jīng)計(jì)算：球墨鑄鐵冷卻壁的氣隙熱阻（R3）占總熱阻R比重最大，為80%左右；鑄鋼冷卻壁的壁體導(dǎo)熱熱R4占總熱阻R比重最大，為60%左右；銅冷卻壁對流換熱熱阻R0占總熱阻R比重最大，為80%左右。由此可見，球墨鑄鐵和鑄鋼冷卻壁傳熱的限制性環(huán)節(jié)是導(dǎo)熱熱阻環(huán)節(jié)，而銅冷卻壁傳熱的限制性環(huán)節(jié)是對流換熱熱阻環(huán)節(jié)。

4 水量對冷卻壁熱阻的影響

水量增加方式有兩種：加大管徑或提高水速，兩者均能降低總熱阻。在水量不變前提下，如何匹配管內(nèi)徑及水速，以降低總熱阻，需進(jìn)一步計(jì)算分析。

維持基準(zhǔn)水量（管內(nèi)徑58mm及水速1.8m/s條件下的水量），增大管內(nèi)徑或降低水速，三種冷卻壁熱阻與管內(nèi)徑關(guān)系如圖8～10所示。

由圖8～10可知，水量不變，管內(nèi)徑增大（伴隨水速降低），鑄鐵和鑄鋼冷卻壁的總熱阻（R）逐漸減小，而銅冷卻壁則逐漸增大?？梢姡嗤肯?，盡量加大球墨鑄鐵和鑄鋼冷卻壁管內(nèi)徑，能夠降低其總熱阻，提高傳熱能力；而銅冷卻壁則相反。為保證傳熱效果，以上水速均要滿足紊流狀態(tài)為前提。

5 結(jié)語

（1）鑄鐵（球墨和灰鑄鐵）冷卻壁傳熱的限制性環(huán)節(jié)是氣隙導(dǎo)熱熱阻，鑄鋼冷卻壁的是壁體導(dǎo)熱熱阻，而銅冷卻壁的是對流換熱熱阻。

（2）管內(nèi)徑加大，不僅降低冷卻壁的導(dǎo)熱熱阻，也降低對流換熱熱阻，故能夠降低總熱阻。

（3）水速提高只降低對流換熱熱阻，對銅冷卻壁總熱阻的影響要大于鑄鐵和鑄鋼冷卻壁。管內(nèi)徑58mm時(shí)，對鑄鐵或鑄鋼冷卻壁，水速達(dá)到2.0m/s左右即可。對銅冷卻壁，水速繼續(xù)提高，仍能一定程度降低總熱阻。

（4）在相同運(yùn)行水量下，對鑄鐵和鑄鋼冷卻壁，滿足水速達(dá)到紊流狀態(tài)下，盡量加大管徑，以降低其總熱阻；而銅冷卻壁，則適當(dāng)減小管徑、提高水速，以降低其總熱阻。

（5）需強(qiáng)調(diào)，冷卻壁傳熱能力不等同于其冷卻能力。冷卻能力不僅與傳熱能力有關(guān)，還與傳熱面積有關(guān)。提高冷卻能力不僅需提高傳熱能力，還需要冷卻水管密集布置，縮小冷卻盲區(qū)，即增大比表面積[2]，兩者同時(shí)具備才能提高其冷卻能力。

參考文獻(xiàn)

[1]沈頤身，李保衛(wèi)，等.冶金傳輸原理基礎(chǔ)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.3.

[2]項(xiàng)鐘庸，王筱留，等.高爐設(shè)計(jì)—煉鐵工藝設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.6.