熱管空冷器在滲碳淬火介質控溫過程中的應用

熱管空冷器在滲碳淬火介質控溫過程中的應用 
宿新天 
(保定市金能換熱設備有限公司，河北 保定 071000)

摘要：熱管空冷器以空冷替代水冷用于滲碳淬火油的冷卻，本文介紹了熱管空冷器在連續滲碳淬火過程中冷卻淬火油的應用實例；經實際測試，淬火油出油槽溫度為121℃，經熱管空冷器空冷制冷后，回油槽溫度為79℃，證明淬火油空冷控溫優于水冷。 

關鍵詞：熱管；空冷器；滲碳淬火；冷卻；淬火油中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：

The application of heat pipe air condenser in the temperature control of the cementite and quench medium
Su Xintian
(Baoding Machinery and Electricity Institute，Hebei Baoding 071000)
Abstract:It is air, instead of water that serves as the cooling medium of cementite and quench oil in heat pipe air condenser. The sample of heat pipe air condenser cooling quench oil during the continual cementite quench is introduced in this paper. It is tested that the temperature of quench oil to oil slot ,which has been cooled by the hear pipe air condenser, is 79℃; while its beginning temperature from oil slot is 121℃. It proves that air-cooling is excellent than water-cooling used in temperature control of quench oil.
Keywords:heat pipe; air condenser; cementite and quench; cool; quench oil

1 社會背景和歷史沿革 

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，影響工件的金相組織和機械性能。國外發達國家投入大量人力財力研究淬火介質溫度控制，自動化程度較高，值得我們借鑒。本文介紹的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。

2 滲碳淬火工藝要求 

2.1 滲碳淬火設備及工件 

VFE5/1（S）CN多用箱式爐；工件，20Cr凸輪軸（20CrMn齒輪軸）；每批裝爐量800-1000㎏。 

2.2 滲碳淬火工藝 

表面含碳量1.003%,層深1.8㎜,碳勢1.6%,連續操作15分鐘出爐一批工件。滲碳溫度920℃,淬火油溫設定80℃,每批工件浸入油中油溫升至120℃,要求淬火油冷至80℃流回油槽,待下一批工件淬火。 

3 熱管空冷器的研制 

3.1 熱管原理 

熱管是一種具有極高導熱性能的傳熱元件[1 ]，他通過在全封閉真空管內工質的蒸發與凝結來傳遞熱量，具有極高的導熱性，良好的等溫性，冷熱兩側的傳熱面積可任意改變，可遠距離傳熱，可控制溫度等一系列優點。熱管加熱側吸收熱流體熱量，并將熱量傳遞給管內工作介質，工質吸熱后以蒸發和沸騰的形式轉變為蒸汽，蒸汽因壓差作用上升到放熱側，同時凝結成液體放出汽化潛熱，熱量傳給放熱側流體，冷凝液體依靠重力再回流到受熱側。

由于熱管內部抽成真空，所以工質極易蒸發與沸騰，熱管起動迅速。由熱管組成的空氣冷卻器具有傳熱效率高，結構緊湊，流體阻損小等優點；管殼材質為20#冷拔無縫鋼管,工質為水—乙醇。 
3.2 熱管空冷器 

單管熱管組成管束，加熱管插入淬火油中,每根套管相連,熱管空冷器內部結構簡圖如圖1所示。高溫淬火油加熱熱管工質通過相變把熱量傳遞給熱管冷卻段,冷空氣橫向沖刷熱管冷卻段管外高頻電阻焊接螺旋翅片,散熱面積大,將淬火油的熱量擴散到空氣中去.熱管工質反復蒸發，冷凝循環，達到淬火油冷卻的目的，熱管空冷器，如圖2所示。 

3.3 熱管空冷器的性能特點 

3.3.1 節水,改用空冷,無冷卻水消耗。 

3.3.2 節電,采用大風量軸流風機,裝機功率不到1KV。 

3.3.3 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蔽病。 

1、熱管 2、隔板 3、進入套管 1、軸流風機 2、風機接口 3、換熱器本體 

4、淬火油套管 5、、螺旋翅片 6、進入油槽 4、進口 5、出口 

圖1、熱管空冷器內部結構圖 圖2、熱管空冷器外形圖 

Fig.1 The inside structure diagram of the Fig.2 The form diagram of the heat pipe 

heat pipe air condenser air condenser 

3.3.4 傳統的油—水冷卻器，冷流體通過金屬壁面內外側進熱交換，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。 

3.3.5 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。

4 實測結果 

通過在江蘇省無錫威孚有限公司熱處理分廠和大同齒輪廠一年的實際應用，證明熱管空冷器性能完全達到設計要求指標，結果見表1、表2。

表1 江蘇省無錫威孚有限公司熱處理分廠實測值 
Table 1 Measured value of Jiangsu Wuxi Weifu Ltd. heat treatment factory

表2 山西省大同齒輪廠實測值 
Table 2 Measured value of Shanxi Daton gear factory

5 經濟效益分析 

5.1 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極式換熱器和晾水塔2.5次，（包括拆卸清洗換熱片、清洗晾水塔、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：SW=0.28×2.5=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：3.5+4.5-(1.5+1.1)=5.4KW/h,全年（按300天計算）節電費用為：Sd=0.76×5.4×24×300=2.95萬元 

節水，原來水冷卻系統由晾水塔損失水量每小時0.36t,全年節水量:0.36×24×300=2592t,全年節水費用：SS=2.89×2592=0.7491萬元，全年總節省費用：ST=SW+Sd+SS=0.7+2.95+0.75=4.4萬元。 

5.2 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 

6 結束語 
從2000年至今，我們先后研制開發了三十幾臺熱管空冷器用于全國幾個省市熱處理淬火介質的冷卻，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[2]，又節省了大量水資源和保護了環境。 

該空冷器還可以用于電器設備元件的冷卻，在夏季高溫季節，若要求冷卻介質溫度低于周圍環境溫度時，可采用噴霧方式，將少量水霧化，噴射到熱管散熱表面上，可使熱管表面溫度達到濕球溫度，降至低于氣溫5-6℃，滿足于換熱對溫差的要求，從而增加空冷器的換熱能力。

參考文獻：

[1] 莊駿，張紅.熱管及其工程應用 北京 ：化學工業出版社，2000，6 

[2] 中國機械工程學會熱處理專業分會. 熱處理手冊.北京：機械工業出版社，2001，8

作者簡介：宿新天（1943－），男，遼寧海城人，中國熱處理行業協會理事，北京航空航天大學 505實驗室特約研究員，長期從事熱管換熱技術、干燥技術、熱力工程加熱和冷卻設備的研究設計工作。發表論文10多篇，曾多次在全國學術會議上獲優秀論文獎。

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