空气冷却器在热处理行业中的应用

保定市金能换热设备有限公司（071000）　杨兴茹 范双喜 宿新天

【摘要】本文介绍了用于热处理行业中淬火介质和高中频设备冷却以及热处理炉余热回收的节能节水空气冷却器的基本构造和性能。这种设备能够大幅度降低热处理过程中的能耗，很值得在国内同行业中推广。 

关键词：空气冷却器、能耗、余热回收

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

中国分类号：文献标识码：

建立节约型社会是我们国家的大政方针，关系到国家的发展，民族的兴衰和人类生存的重大问题。目前我国热处理能耗约750kwh/t，实现“十五”规划目标500kwh/t[1]。降低能耗和提高热处理产品的质量是每一位热处理工作者义不容辞的责任，采用节能、节水空气冷却器冷却淬火介质和高中频设备水冷系统就是一项行之有效的方法，从节约水资源、控制水污染的角度分析，空冷器的优势是显而易见的。同时也可看出，对于高温位的热量，空冷器具有明显的节能优势。因此先干冷后湿冷的联合冷却系统应用前景广阔。 

1、冷却淬火介质的空气冷却器 

1.1　社会背景 

国内热处理行业对热处理工艺、淬火介质的研究倍受重视，而对淬火介质的温度和冷却往往被忽略，但是由于淬火介质温度控制不准确，将影响工件的金相组织和机械性能。例如，汽车零件连续渗碳淬火件的淬火介质，原来采用油—水换热器冷却，开始时换热器表面比较干净，冷却效果较好，但过一段时间，由于换热器表面污垢等原因，冷却能力大大降低，淬火油温波动较大，严重影响渗碳件的组织和性能。另外隐患是油—水换热器金属壁面一旦某处腐蚀泄漏，就会导致冷热流体的掺混，引发爆炸危险，空冷器冷却淬火油具有节水、节电、易操作、易维护、寿命长等特点。 

1.2　空冷器结构 

空冷器由许多并联的翅片管作为冷却元件组成。翅片管是空冷器的核心和关键部件。其性能优劣直接影响到空冷器的性能和使用。L型翅片管是目前使用广泛的，它是由光管外侧缠绕铝翅片或钢翅片所构成，由于制造简单、价格低廉而得到广泛的应用[2]。 

1.3　空冷器的性能特点 

1.3.1　节水，改用空冷，无冷却水消耗。 

1.3.2　节电，采用大风量轴流风机，装机功率较小。 

1.3.3　易维护，由于不再使用大量冷却水，避免原来水冷系统产生水垢及冻结的弊病。 

1.3.4　传统的油—水冷却器，冷流体通过金属壁面内外侧进行热交换，一旦金属壁面某处腐蚀泄漏，就会导致冷热流体的掺混，高温淬火油若掺进水后，产生水蒸汽将会引发爆炸的危险。而热管空冷器即使某支热管失效，不影响其它热管工作，空冷器正常运行。 

1.3.5　寿命长,由于热管与冷热流体的换热仅仅在外表面上进行的,通过对热管外表面进行某些处理,就可以大大提高热管空冷器的使用寿命.

1.4　经济效益分析 

1.4.1　降低维修费用、节电、节水 

现以MKG型多用炉渗碳为例，改造前平均每年停产清洗板式换热器和冷却塔2.5次，（包括拆卸清洗换热片、清洗冷却塔、放水、放油等），每次处理所用的人工费、材料费0.28万元。至于热处理工件废品间接效益损失情况复杂，忽略不计。该项维修费用0.7万元。 

节电，每小时渗碳件产量1000Kg，原来运行费用，油泵功率3.5KW; 水泵功率4.5KW，改用空气冷却器取消了二次换热，油泵功率1.5KW，风机功率1.1KW，每小时节电量： 5.4KW/h,全年（按300天计算）节电费用为： 2.95万元 

节水，原来水冷却系统冷却塔损失水量每小时0.36t，年节水量1592t，年节水费用0.7491万元，年总节电节水费用4.4万元。 

1.4.2　回收期限 

改用空气冷却器投资2.2万元，回收期限为：2.2÷4.4=0.5年 

2、高中频设备水冷系统空气冷却器 

随着感应加热设备使用的不断增多，因用户自身条件各不相同，往往对于设备的水冷系统却不够重视，许多用户未按规定使用纯净水，则使用普通井水或自来水，而在实际工作中水质对设备的水冷系统及元器件影响很大。 

2.1　空冷器的特点 

2.1.1　提高电子管使用寿命（高频设备），普通冷却水易结垢，需定期清洗，一旦结垢就已经影响到电子管的发射功率及寿命，严重时电子管阳极易被烧穿。 

2.1.2　节电，在直流高压作用下以100KW高频设备为例，阳极水路对地耗电量为：普通水在8KW左右，纯水则在70W左右。 

2.1.3　降低电解腐蚀，阳极高压通过水阻对地形成直流电流。造成电子管水套进出口电解腐蚀，普通水的电解腐蚀速度是纯水的十倍以上。

空冷器的储水箱根据设备功率不同约为1m3，每吨纯水价格250元至300元之间。因为使用了闭合循环，所以纯净水消耗量极低，同时如按一定比例加入防冻液可解决高频水路的冬季冻结难题。使用纯净水不仅提高了设备及元件寿命，而且减少维修费用，从而达到提高生产率，节电的目的。 

2.1.4　该冷却系统使用纯净水在空冷器和感应加热设备内闭路循环，水质干净，使被冷却的电气系统长期不结水垢，不被异物堵塞。该冷却系统不需要水池和冷却塔。 

2.1.5　本空冷器解决了常规水冷系统存在的许多问题，具体如下优点： 

无需水池、冷却塔、占地面积小。 

纯净水循环、水质干净、不结水垢、耗水量极少。 

闭路循环、无杂物进入、不长青苔、管路不会堵塞。 

体积小、整体性好、安装方便。 

能避免夏季设备出现冷凝水造成的故障。 

本设备在突然停电、停水情况下仍然能够继续冷却。 

空冷器为密封式闭路循环。由管道泵将纯净水打入传热管束，强制风冷，冷却后进入分水包，分水包上设有与设备相对应的水管，分别接到设备所需的进水口。 

2.2　喷淋装置 

喷淋装置是为夏季炎热时节准备的，它由喷淋泵（0.37KW）、接水盘、喷淋管等组成独立的循环系统。在风机和传热管之间增设喷头，少量的水喷射至传热管的翅片表面上，使表面温度降至大气湿球温度，从而满足换热温差的要求，喷射到传热管表面的水经过汽化可带走大量的潜热，起到对散热的补充作用。 

2.3、空冷器结构 

风机选用大风量、低噪声、小功率的轴流风机，循环泵选用管道泵，因此，在同等扬程和流量的情况下，常规水冷系统使用的离心泵的电机功率与空冷器使用的风机和循环泵功率之和基本相当。 

风机功率是按夏季运行所需要的风量设计的，冬季可以减半使用，所以使用空冷器的年耗电量要低于常规水冷系统的年耗电量。 

空冷器设置了配电箱，可控制循环泵、风机、喷淋泵及数字温度显示仪，还能和高频设备互锁。 

空冷器是独立的一套设备，占地面积小，可以按用户要求放置室内或室外。水压可通过调节阀调整，分水包上配有压力表显示压力。使用前将进高频设备的所有截门关闭，通过自身循环后，排污阀将水排尽，重新加入纯净水确保高频设备使用中无杂物，从而不会造成堵塞。 

3　余热回收 

热处理加热炉都有大量的余热白白浪费掉，尤其燃烧气加热炉排烟达到：550℃-400℃，这部分热量占到加热炉热负荷的25%-30%。节能的一个重要途径就是降低加热炉的排烟排气温度，回收余热降低能耗。 

热管是应用工质相变进行传热的，因此具有启动快、传热强度大的特点。 

3.1　热管空气予热器的优点： 

3.1.1　传热效率高，在热管的吸、放热段均可根据需要采用翅片强化传热，弥补气体换热系数低的弱点。 

3.1.2　有效地避免烟气、空气串流，每根热管都是相对独立密封件，烟气，空气在管外流动，中间由隔板密封严格分隔。 

3.1.3　有效地防止酸露点腐蚀，通过调整热管根数或热管吸热段与放热段的传热面积比，可控制管壁温度，防止露点腐蚀。 

3.1.4　有效地防止积灰，予热器设计成变截面结构，保证流体进出采用等速流动，达到自清灰的目的。 

3.1.5　传热过程无运动部件，没有附加动力消耗，不需要经常更换热管元件，即使有部分损坏，也不会停炉，随时更换以保证正常生产。 

采用热管式空气冷却器进行冷却，同时对余热进行回收，提高整个系统的热效率，节省能源。将予热的空气送入加热炉作为助燃风，达到双重效果，充分发挥了热管换热器的优点。 

3.2　螺旋槽管——热管复合式空气予热器方案 

此方案的要点是在高温区烟气入口段，采用螺旋管空气予热器[3]，而在低温区使用热管空气予热器。 

螺旋槽管空气予热器其结构简单，传热系数较一般列管空气予热器高出30%，能耐较高温度，可在450℃烟气中长期稳定地工作，造价较低。由于高温区不存在酸腐蚀问题，将螺旋槽管空气予热器布置在高温段不会出现由于酸腐蚀而导致穿孔漏风的危险。而在低温段，采用热管空气予热器，利用热管可调节壁温的特点，可提高受热面的壁温，从而避开酸露点以保证受热面。 

本方案充分发挥螺旋槽管和热管这两种形式的空气予热器优点避免其缺点，因而可获得满意的结果。本方案具有重量轻、造价低、可靠性高、运行调节简单等显著优点。在启动工况时，热管高工作温度仅为215℃，在其使用范围内。 

为了保证冬季运行的可靠性，在热管予热器空气进口处设置前置预热器，通过提高入口风温，从而提高受热面的工作温度，避免结露。 

4　结语 

从2000年至今，我们先后研制开发了千余台空冷器用于全国二十多个省及直辖市热处理企业淬火介质及高中频设备水冷系统的冷却，效果令人满意。尤其北方缺水地区更是倍受欢迎，既保证了热处理工件的金相组织和机械性能[4]，又节省了大量水资源和保护了环境。

[参考文献]

[1]樊东黎.热处理行业“十五”规划热处理行业情况和前景预测.金属热处理，2005,(1)： 

8～13

[2]李文良，张早校.用空冷器代替冷却塔的技术经济性分析.节能，2004,(8)：18～21

[3]李志敏，周赞庆.螺旋翅片管换热器的优化设计.节能，2005,(1)：19～21

[4]温新林，王秀梅.热管空冷器在淬火介质控温过程中的应用.金属热处理，2004,(3)：50～ 52