辊底炉冷却段换热器的设计和优化

魏凯 古莹奎 姜业欣 肖柱

摘  要：通过辊底式退火炉冷却段结构的描述，参照冷却段空间范围，对冷却段翅片换热器进行设计、选型、验证。合理选择换热器类型及换热面积，有助于冷却段冷却水、保护气氛、盘管之间的热交换，在保证较高的换热系数下，降低能源消耗，提高生产率。

关键词：对流换热;翅片管;管排数;换热效果

中图分类号：TU83         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）27-0019-04

Abstract： Through the description of the roller hearth cooling section structure， with reference to the cooling section of space， the design， selection， testing and verification for the fin heat exchanger of the cooling system were discussed according to its structure and cooling space for Roller-Hearth Continuous Annealing Furnace. Reasonable selection of heat exchanger type and heat exchange area is helpful to the heat exchange among the cooling water， protective atmosphere and coil in cooling section. This can be effective to reduce the energy consumption and increase the productivity under the guarantee of high heat exchange coefficient.

Keywords： convective heat transfer; finned tube; tube row number; heat exchange effect

輥底式退火炉的加热和冷却过程，总体来说就是传导、对流和辐射三种方式，主要涉及铜盘管、炉壁、料架、辊道、保护气体。加热段电热辐射、冷却段翅片换热器通过风机使保护气氛（氮气）在炉内循环传递热量。

根据辊底式退火炉冷却段结构特点，合理选择换热器类型及换热面积，提高其热交换效率[1]，强对流风冷循环实现盘管表面、芯部的均匀性。减少产品力学性能偏低，抗拉强度硬度等指标达不到客户要求的现象。

1 换热器的设计及其性能影响因素

1.1 翅片式换热器的设计

目前选用的换热器基础材料：管外镶嵌翅片、光管、内外螺纹管等，通过这些异形的管材、管件，增加固体和流体介质之间的接触面积。本文分析讨论使用外镶嵌翅片管加工制作的换热器。

图1比较了三种翅片管随介质流经表面风速的增加，传热性能的变化。由图可见，绕片式翅片管性能较差，由于存在接触热阻，温度升高性能反而下降，使接触热阻不断增加。焊片式传热性能最好。镶片式翅片管的性能属于居中，其主要原因是翅片紧套于管表面上后再加以表面热镀锌。

实际生产中，为了提高传热能力，翅片管的基管常为圆形。这种类型的管子对流换热系数可以是光管的1.25倍，同时还能够降低10%～20%空气阻力[2]。

1.2 换热器关键因素影响性分析

不同管排数的换热器，其效率不一。制冷量一定，管排数选择4排、6排、8排，翅片管管径与翅片间距相同，以6排管的换热面积为基准，进行比较。排管数越多，则需要选择长度较短的;管排数越少，选择长度较长的，如图2所示。

翅片间距会影响换热器热传导效率。在单位长度下增加各翅片间距，翅片的密度越小，其接触面积会减小，间距越大，增加接触可以使热传导增加，但大到一定程度后继续增加翅片数量对热传导的提高已经没有太大作用[4]。翅片间距过小，翅片密度过大，会严重影响风机的风量，因此下一步的工作就是要分析对迎面风速的影响[5]。气体流过的量与流通面积的比值被称为流体的迎面风速。翅片距离大时密度较低，气体的流通面积就越大[6]。对于规格不同的翅片，阻力系数有偏差，造成最佳的迎面风速点也是不同的[7]。

为了满足安装和运输，在某些特定的情况下，换热器会选择较高的外形。但高度过高，对传热系数的变化影响是比较大的，受换热器结构和风机特性的不同，气流的分布会不同，但底部的换热效率降低是肯定存在的。

2 换热器的选用

为了优化冷却段换热器的换热效果，在翅片类型、基础管、管排数上做了相关要求，详细参数见表1。结合换热器制造厂家制作了4组外形尺寸相同的换热器试样，每组2件[8]。

为降低炉内油烟含量造成表面结垢，影响冷却器表面换热效果，同时便于更换，将每组换热器安装在冷却七段，该段的炉内温度保持在60～70℃左右;冷却风机循环风速为20m/s;测试时使用系统循环水，进水温度为25～28℃[9];炉内温度收集为炉内风机处热电偶，循环水温度变化收集为温度传感器;炉内气体风压变化收集设置可以测量压力变化的传感器。

图3（a）为各式样炉内温度生产节拍内变化曲线。可见，试样1的管径小、管排数多，与试样2相比能够较快的将室内保护气氛冷却下来;同样，试样3与试样4的换热效率相比，试样3具有优势，说明小管径多排数的换热器在单位时间内完成降温的效果较好。另外试样1与试样3由于翅片高度不同，相比来说低翅片的换热效率比高翅片的要好，试样3在循环水的作用下，实现快速的换热[10]。

图3（b）为各式样出水温度生产节拍内变化曲线。可见，试样2和试样3的换热曲线相似，由于管徑和管排数中和，表现出的换热效果相同，效果最好的为试样3，小管径基管提高了循环水的通过量，低翅片传热实现了表面流体与翅片、翅片与循环水的快速换热，翅片上减少了存储热量的时间。

图4为相同风速下各试样压降变化曲线。确定了风机速度，低翅片管换热器造成风阻比高翅片的要大。试样3和试样4对迎面风速产生的压降偏大，提升流体介质的接触时间，即提升换热的量;低翅片中由于管排数的数量多，表现为排管紧密，因此也提高了流体介质穿过换热器的阻力，表现为试样3的压降比试样4的压降大[11]。

根据辊底炉空间的大小和试验结果，选择了一种换热面积在25平方左右的翅片式换热器，基础管和翅片的材质选择不锈钢。

换热器的主要技术参数：

（1）绕片管：钢管18×2mm无缝锅炉管，翅片间距6mm。

（2）换热管数量：67支，总换热面积26.22m2。

（3）风阻压降<840Pa（风量10m3/s）。

（4）采用2.5MPa/m压力进行耐压泄漏检验，不得泄漏。

3 换热器的效果

新型换热器投入使用后，辊底炉冷却段的换热温差基本保持在5℃左右，统计部分规格铜管基础性能，在抗拉强度、延伸率、晶粒度上进行比较，消除环境因素影响，铜盘管的性能基本保持一致。表2所示为铜管使用客户有关性能的要求。

表3中测试不同炉次5种规格铜管，其中3种光管、2种内螺纹管，经测试所有抽样的抗拉强度Rm在238～248之间，满足客户要求中220≤Rm≤250的相关要求。

如表4相关记录显示，在试验压力相同的情况下，获得的各规格铜管的硬度值在47～52HV之间，满足客户质量要求中40≤HV≤60的要求。

如表5相关记录显示，抽样测试两种光管、两种螺纹管的微观晶粒直径，试验压力相同，获得各规格铜管晶粒平均直径范围是0.025～0.030mm，满足客户晶粒度在0.025-0.030mm之间的要求。图5为金相显微镜下铜管的微观晶粒图像，在使用冷水机组前铜管的微观晶粒度偏大。

4 结论

本文主要通过辊底式光亮退火炉冷却段结构的描述，及所选用鼓风式风机形成内循环换热，以冷却器选型和制作理论计算为基础，参照冷却段空间范围，对换热器进行设计、选型、验证。提高整体冷却段的冷却效果，铜盘管在炉内外表与芯部的温差越小，表现出的铜管温度均匀性就越高，有效的提高了铜盘管的质量，增长了铜管储存周期，提高了生产厂家的成本效益。

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