空氣冷卻器在熱處理行業中的應用

保定市金能換熱設備有限公司（071000）　楊興茹 范雙喜 宿新天

【摘要】本文介紹了用于熱處理行業中淬火介質和高中頻設備冷卻以及熱處理爐余熱回收的節能節水空氣冷卻器的基本構造和性能。這種設備能夠大幅度降低熱處理過程中的能耗，很值得在國內同行業中推廣。 

關鍵詞：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

中國分類號：文獻標識碼：

建立節約型社會是我們國家的大政方針，關系到國家的發展，民族的興衰和人類生存的重大問題。目前我國熱處理能耗約750kwh/t，實現“十五”規劃目標500kwh/t[1]。降低能耗和提高熱處理產品的質量是每一位熱處理工作者義不容辭的責任，采用節能、節水空氣冷卻器冷卻淬火介質和高中頻設備水冷系統就是一項行之有效的方法，從節約水資源、控制水污染的角度分析，空冷器的優勢是顯而易見的。同時也可看出，對于高溫位的熱量，空冷器具有明顯的節能優勢。因此先干冷后濕冷的聯合冷卻系統應用前景廣闊。 

1、冷卻淬火介質的空氣冷卻器 

1.1　社會背景 

國內熱處理行業對熱處理工藝、淬火介質的研究倍受重視，而對淬火介質的溫度和冷卻往往被忽略，但是由于淬火介質溫度控制不準確，將影響工件的金相組織和機械性能。例如，汽車零件連續滲碳淬火件的淬火介質，原來采用油—水換熱器冷卻，開始時換熱器表面比較干凈，冷卻效果較好，但過一段時間，由于換熱器表面污垢等原因，冷卻能力大大降低，淬火油溫波動較大，嚴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，就會導致冷熱流體的摻混，引發爆炸危險，空冷器冷卻淬火油具有節水、節電、易操作、易維護、壽命長等特點。 

1.2　空冷器結構 

空冷器由許多并聯的翅片管作為冷卻元件組成。翅片管是空冷器的核心和關鍵部件。其性能優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，它是由光管外側纏繞鋁翅片或鋼翅片所構成，由于制造簡單、價格低廉而得到廣泛的應用[2]。 

1.3　空冷器的性能特點 

1.3.1　節水，改用空冷，無冷卻水消耗。 

1.3.2　節電，采用大風量軸流風機，裝機功率較小。 

1.3.3　易維護，由于不再使用大量冷卻水，避免原來水冷系統產生水垢及凍結的弊病。 

1.3.4　傳統的油—水冷卻器，冷流體通過金屬壁面內外側進行熱交換，一旦金屬壁面某處腐蝕泄漏，就會導致冷熱流體的摻混，高溫淬火油若摻進水后，產生水蒸汽將會引發爆炸的危險。而熱管空冷器即使某支熱管失效，不影響其它熱管工作，空冷器正常運行。 

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

1.4　經濟效益分析 

1.4.1　降低維修費用、節電、節水 

現以MKG型多用爐滲碳為例，改造前平均每年停產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、材料費0.28萬元。至于熱處理工件廢品間接效益損失情況復雜，忽略不計。該項維修費用0.7萬元。 

節電，每小時滲碳件產量1000Kg，原來運行費用，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，風機功率1.1KW，每小時節電量： 5.4KW/h,全年（按300天計算）節電費用為： 2.95萬元 

節水，原來水冷卻系統冷卻塔損失水量每小時0.36t，年節水量1592t，年節水費用0.7491萬元，年總節電節水費用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、高中頻設備水冷系統空氣冷卻器 

隨著感應加熱設備使用的不斷增多，因用戶自身條件各不相同，往往對于設備的水冷系統卻不夠重視，許多用戶未按規定使用純凈水，則使用普通井水或自來水，而在實際工作中水質對設備的水冷系統及元器件影響很大。 

2.1　空冷器的特點 

2.1.1　提高電子管使用壽命（高頻設備），普通冷卻水易結垢，需定期清洗，一旦結垢就已經影響到電子管的發射功率及壽命，嚴重時電子管陽極易被燒穿。 

2.1.2　節電，在直流高壓作用下以100KW高頻設備為例，陽極水路對地耗電量為：普通水在8KW左右，純水則在70W左右。 

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

空冷器的儲水箱根據設備功率不同約為1m3，每噸純水價格250元至300元之間。因為使用了閉合循環，所以純凈水消耗量極低，同時如按一定比例加入防凍液可解決高頻水路的冬季凍結難題。使用純凈水不僅提高了設備及元件壽命，而且減少維修費用，從而達到提高生產率，節電的目的。 

2.1.4　該冷卻系統使用純凈水在空冷器和感應加熱設備內閉路循環，水質干凈，使被冷卻的電氣系統長期不結水垢，不被異物堵塞。該冷卻系統不需要水池和冷卻塔。 

2.1.5　本空冷器解決了常規水冷系統存在的許多問題，具體如下優點： 

無需水池、冷卻塔、占地面積小。 

純凈水循環、水質干凈、不結水垢、耗水量極少。 

閉路循環、無雜物進入、不長青苔、管路不會堵塞。 

體積小、整體性好、安裝方便。 

能避免夏季設備出現冷凝水造成的故障。 

本設備在突然停電、停水情況下仍然能夠繼續冷卻。 

空冷器為密封式閉路循環。由管道泵將純凈水打入傳熱管束，強制風冷，冷卻后進入分水包，分水包上設有與設備相對應的水管，分別接到設備所需的進水口。 

2.2　噴淋裝置 

噴淋裝置是為夏季炎熱時節準備的，它由噴淋泵（0.37KW）、接水盤、噴淋管等組成獨立的循環系統。在風機和傳熱管之間增設噴頭，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過汽化可帶走大量的潛熱，起到對散熱的補充作用。 

2.3、空冷器結構 

風機選用大風量、低噪聲、小功率的軸流風機，循環泵選用管道泵，因此，在同等揚程和流量的情況下，常規水冷系統使用的離心泵的電機功率與空冷器使用的風機和循環泵功率之和基本相當。 

風機功率是按夏季運行所需要的風量設計的，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水冷系統的年耗電量。 

空冷器設置了配電箱，可控制循環泵、風機、噴淋泵及數字溫度顯示儀，還能和高頻設備互鎖。 

空冷器是獨立的一套設備，占地面積小，可以按用戶要求放置室內或室外。水壓可通過調節閥調整，分水包上配有壓力表顯示壓力。使用前將進高頻設備的所有截門關閉，通過自身循環后，排污閥將水排盡，重新加入純凈水確保高頻設備使用中無雜物，從而不會造成堵塞。 

3　余熱回收 

熱處理加熱爐都有大量的余熱白白浪費掉，尤其燃燒氣加熱爐排煙達到：550℃-400℃，這部分熱量占到加熱爐熱負荷的25%-30%。節能的一個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。 

熱管是應用工質相變進行傳熱的，因此具有啟動快、傳熱強度大的特點。 

3.1　熱管空氣予熱器的優點： 

3.1.1　傳熱效率高，在熱管的吸、放熱段均可根據需要采用翅片強化傳熱，彌補氣體換熱系數低的弱點。 

3.1.2　有效地避免煙氣、空氣串流，每根熱管都是相對獨立密封件，煙氣，空氣在管外流動，中間由隔板密封嚴格分隔。 

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

3.1.4　有效地防止積灰，予熱器設計成變截面結構，保證流體進出采用等速流動，達到自清灰的目的。 

3.1.5　傳熱過程無運動部件，沒有附加動力消耗，不需要經常更換熱管元件，即使有部分損壞，也不會停爐，隨時更換以保證正常生產。 

采用熱管式空氣冷卻器進行冷卻，同時對余熱進行回收，提高整個系統的熱效率，節省能源。將予熱的空氣送入加熱爐作為助燃風，達到雙重效果，充分發揮了熱管換熱器的優點。 

3.2　螺旋槽管——熱管復合式空氣予熱器方案 

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

螺旋槽管空氣予熱器其結構簡單，傳熱系數較一般列管空氣予熱器高出30%，能耐較高溫度，可在450℃煙氣中長期穩定地工作，造價較低。由于高溫區不存在酸腐蝕問題，將螺旋槽管空氣予熱器布置在高溫段不會出現由于酸腐蝕而導致穿孔漏風的危險。而在低溫段，采用熱管空氣予熱器，利用熱管可調節壁溫的特點，可提高受熱面的壁溫，從而避開酸露點以保證受熱面。 

本方案充分發揮螺旋槽管和熱管這兩種形式的空氣予熱器優點避免其缺點，因而可獲得滿意的結果。本方案具有重量輕、造價低、可靠性高、運行調節簡單等顯著優點。在啟動工況時，熱管高工作溫度僅為215℃，在其使用范圍內。 

為了保證冬季運行的可靠性，在熱管予熱器空氣進口處設置前置預熱器，通過提高入口風溫，從而提高受熱面的工作溫度，避免結露。 

4　結語 

從2000年至今，我們先后研制開發了千余臺空冷器用于全國二十多個省及直轄市熱處理企業淬火介質及高中頻設備水冷系統的冷卻，效果令人滿意。尤其北方缺水地區更是倍受歡迎，既保證了熱處理工件的金相組織和機械性能[4]，又節省了大量水資源和保護了環境。

[參考文獻]

[1]樊東黎.熱處理行業“十五”規劃熱處理行業情況和前景預測.金屬熱處理，2005,(1)： 

8～13

[2]李文良，張早校.用空冷器代替冷卻塔的技術經濟性分析.節能，2004,(8)：18～21

[3]李志敏，周贊慶.螺旋翅片管換熱器的優化設計.節能，2005,(1)：19～21

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