真空炉换热器传热计算方法浅论

郝嘉欣 张敏 唐宏波

摘要：对于真空炉而言，冷却系统的价值不容忽视，而对于冷却系统而言，换热器又成为其关键所在。本文首先针对翅片管换热器的传热特征展开说明，综合传热方程与热平衡方程对其工作特征进行了定义，而后进一步以此作为基础，对翅片热效率展开讨论，对于加强该领域的理解有着一定的积极意义。

关键词：真空炉;换热器;翅片;效率

对于真空热处理设备而言，冷却系统是一个关键环节。从结构上看，一个完整的冷却系统包括叶轮、风道、喷嘴以及换热器等诸多组件，而在众多组件之中，换热器占据了不容忽视的重要地位，有必要展开深入的分析。

翅片管换热器的传热特征

在真空炉换热器的结构框架中，翅片管换热器因为其良好的结构，以及重量轻、传热系数高等优点而得到广泛应用。在对换热器展开传热相关计算的时候，首先应当明确换热器的诸多参数之间的关系，其中包括换热器的换热量与换热系数、换热面积以及进出口平均温差之间的复杂关系。为了能够对这些细节展开必要的说明，首先应当确定两个重要的热学方程，即传热方程与热平衡方程。

传热方程式参见式（1）。

在式（1）中，Q为换热量，K为换热系数，dS则表示微元传热面积，t为温度。

从式（1）可以看出，换热器的换热量与传热面积以及平均温差都保持了密切关系，并且还与换热系数K有关。因此，想要提升换热效果，可以考虑这三个方面着手。

其一，可以考虑增加传热面积。通常来说，传热面积的大小主要依赖于换热器的设计形式以及强化换热措施，对于翅片管式热交换器而言，翅片本身的设计，就是一种增加传热面积的方式。其二，平均温差与换热效果呈现出正比关系，因此增加平均温差，同样是提升换热效果的重要手段。影响平均温差最关键的因素就是冷热流体的进出口温度，进出口温差越大，对应的换出热量也就会越多，换热效果也会因此提升。除此以外，换热器的流动方式同样是影响平均温差的一个因素，有效控制流体出口温度以及换热器流式，是当前需要优化的重要环节。最后，因为生产过程中传热面积以及平均温差都会受制于换热器本身的具体情况，因此换热系数也会成为了一个重点。这一因素主要受到换热流体的换热系数，以及流体运动形式的影响，并且换热器污垢热阻以及其自身结构同样会有一定影响。从这几个方面进行考察，同样可以对换热系数进行维护。

对于热平衡方程式，在理想的情况下，系统内冷热流体吸收与释放的热量应相等，参见式（2）。

式（2）中，q1与q2分别为冷热流体的质量流量，h1′以及h2′分别表示冷热流体的进口焓，对应的h1″与h2″则表示冷热流体的出口焓。式（2）对于流体是否存在相变均可以使用。

翅片效率分析

在对传热方程与热平衡方程有所了解的基礎之上，进一步分析翅片的热效率，以其获取更为深刻的理解。对应的翅片效率定义如式（3）。

其中分子Qf为翅片的实际换热量，而分母Q0则为翅片各处温度均衡状态的散热量，即翅片叶尖与翅根温度相同情况下的散热量。而h为翅片管与外部之间的换热系数，S为换热面积，Tm以及T0分别表示以流体为基准的平均过余温度以及翅基的过余温度。

下一步进一步针对应用中比较常见的厚度相等的环形翅片展开分析，确定其换热效率。对于这种翅片而言，本子属于对流换热，其翅片上的导热面积随着半径的增加而增加，因此为了简化计算，通常需要假设翅片材料均匀并且保持各项同性，导热系数λ为定值，横切翅片厚度δ远远小于翅片高度h以及宽度L，对应的翅片与基管之间的接触热阻也在理想化的背景下忽略。除此以外，翅基温度T0以及翅片周围介质温度Tf，以及期间的对流换热系数K保持恒定常值，且翅片端部绝热。则有翅片温度随着其半径r而变化，对应的导热方程如式（4）。

在式（4）中，有。并且进一步，设定翅根温度与基管外壁温度相等，则时，有，其中T0和分别文翅根以及翅片外的流体温度。理想状态下，翅片外端部绝热，则，并且有。进一步可以得到翅片温度分布，如式（5）。

进一步可以确定翅片表面传热量如式（6）。

因而有翅片传热量计算式如式（7）。

式（5）（6）中的J0、J1、K0、K1为虚变量的贝塞尔函数，并且上述方程式只能在翅片外端为绝热面的情况下才能使用。实际生活中则需要对翅片进行调整，促使其端部的对流换热量可以往外散发。而在计算过程中，为了能够尽量控制忽略翅片端面换热量所带来的误差，可以考虑修正半径如式（8）。

嘉定翅片表面温度与翅基温度一致，则理想状态下的换热量参见式（9）。

进一步将式（7）（8）（9）代入式（3）中，可以得到等厚度环形翅片的翅片效率如式（10）。

在式（10）中，有

随后，可以依据实际情况对翅片管换人气的传热计算展开进一步的确定，以及对应的传热系数一并展开分析。

对于翅片管换热器而言，想要从细节之处实现优化，无论是对于其设计还是在应用环境中的优化，都必须围绕对应的理论而展开。因此理论的分析，可以说是优化真空炉整体工作效率的根基所在。唯有深入剖析，才能找到影响其工作状态的关键因素，才能展开对应的优化。

参考文献

赵乃勤.热处理原理与工艺[M].北京：机械工业出版社，2012.

徐跃明.热处理技术进展[J].金属热处理，2015，40（9）.