冷卻壁熱阻的影響因素分析

楊士冬

摘 要：冷卻壁熱阻直接影響其傳熱能力。本文研究管內徑、水速及水量對冷卻壁熱阻影響，為冷卻壁設計及使用提供幫助。鑄鐵冷卻壁傳熱的限制性環節是氣隙導熱熱阻，鑄鋼冷卻壁的是壁體導熱熱阻，而銅冷卻壁的是對流換熱熱阻。在相同運行水量下，對鑄鐵和鑄鋼冷卻壁，滿足水速達到紊流狀態下，盡量加大管徑，以降低其總熱阻；而銅冷卻壁，則適當減小管徑、提高水速，以降低其總熱阻。

關鍵詞：冷卻壁熱阻；管內徑；水速；水量

中圖分類號：TF573.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）06-0053-02

冷卻壁熱阻含其本體導熱和水通道對流換熱熱阻兩部分，前者與其材質、水管內徑及制造工藝有關，后者與冷卻水速、水量及水壓等運行參數有關。本文對上述參數進行理論計算及分析，以期為冷卻壁設計及冷卻水調控提供幫助。

1 冷卻壁熱阻計算模型

對于埋管鑄造結構的冷卻壁，其傳熱模型的最小單元可簡化成單根水管的傳熱，如圖1所示。

穩態條件下，單根水管的一維傳熱方程式如下所示：

公式（1）

式中：—單根水管的熱流量，W；—冷卻壁的壁體溫度，℃；——冷卻水進出口的平均溫度，℃；——冷卻水到冷卻壁體的總傳熱熱阻，℃/W。

總傳熱熱阻R由五個部分構成，分別為：R0：水和冷卻通道之間的對流換熱熱阻；R1：水管管壁的導熱熱阻；R2：水管外表面的防滲碳涂層導熱熱阻；R3：水管與壁體之間的氣隙導熱熱阻；R4：水管外包裹壁體的導熱熱阻R4。其中R0為對流換熱熱阻范疇，R1～R4為導熱熱阻范疇。五個分項熱阻為串聯關系。

由實踐可知，冷卻壁的傳熱路徑不僅包含壁體熱面至水管的傳熱，還包括壁體側面和冷面至水管的傳熱，因此，將單根水管的傳熱模型簡化成多層圓筒壁的傳熱模型進行求解[1]，計算結果如下所示。

2 管內徑對冷卻壁熱阻的影響

水速為1.8m/s時，三種冷卻壁熱阻與管內徑關系如圖2～4所示。由圖2～圖4可知，隨管內徑增大，總熱阻（R）及各項熱阻（R0～R4）均逐漸減小，但趨勢變緩。管內徑加大，不僅降低導熱熱阻，也降低對流換熱熱阻，故對總熱阻影響均較大。因此，設計加大管內徑，對降低熱阻是有好處的。但同時水量增加，運行電費隨之增加，需衡量其性價比（冷卻效果與運行成本）。

3 水速對冷卻壁熱阻的影響

管內徑或當量內徑（銅冷卻壁）為58mm，對應鋼管規格為Φ70×6mm，三種冷卻壁熱阻與水速關系如圖5～圖7所示。由圖5～圖7可知，隨水速增大，僅對流換熱熱阻R0減小，總熱阻（R）也隨之減小。另外水速提高，對銅冷卻壁總熱阻影響較大，對球墨鑄鐵和鑄鋼冷卻壁影響較小。水速達2.0m/s繼續提高時，對球墨鑄鐵或鑄鋼冷卻壁總熱阻降低作用不大，而對銅冷卻壁的作用依然較明顯。

綜合圖2～圖7可知，總熱阻與管內徑和水速均成反比的關系。經計算：球墨鑄鐵冷卻壁的氣隙熱阻（R3）占總熱阻R比重最大，為80%左右；鑄鋼冷卻壁的壁體導熱熱R4占總熱阻R比重最大，為60%左右；銅冷卻壁對流換熱熱阻R0占總熱阻R比重最大，為80%左右。由此可見，球墨鑄鐵和鑄鋼冷卻壁傳熱的限制性環節是導熱熱阻環節，而銅冷卻壁傳熱的限制性環節是對流換熱熱阻環節。

4 水量對冷卻壁熱阻的影響

水量增加方式有兩種：加大管徑或提高水速，兩者均能降低總熱阻。在水量不變前提下，如何匹配管內徑及水速，以降低總熱阻，需進一步計算分析。

維持基準水量（管內徑58mm及水速1.8m/s條件下的水量），增大管內徑或降低水速，三種冷卻壁熱阻與管內徑關系如圖8～10所示。

由圖8～10可知，水量不變，管內徑增大（伴隨水速降低），鑄鐵和鑄鋼冷卻壁的總熱阻（R）逐漸減小，而銅冷卻壁則逐漸增大?？梢?，相同水量下，盡量加大球墨鑄鐵和鑄鋼冷卻壁管內徑，能夠降低其總熱阻，提高傳熱能力；而銅冷卻壁則相反。為保證傳熱效果，以上水速均要滿足紊流狀態為前提。

5 結語

（1）鑄鐵（球墨和灰鑄鐵）冷卻壁傳熱的限制性環節是氣隙導熱熱阻，鑄鋼冷卻壁的是壁體導熱熱阻，而銅冷卻壁的是對流換熱熱阻。

（2）管內徑加大，不僅降低冷卻壁的導熱熱阻，也降低對流換熱熱阻，故能夠降低總熱阻。

（3）水速提高只降低對流換熱熱阻，對銅冷卻壁總熱阻的影響要大于鑄鐵和鑄鋼冷卻壁。管內徑58mm時，對鑄鐵或鑄鋼冷卻壁，水速達到2.0m/s左右即可。對銅冷卻壁，水速繼續提高，仍能一定程度降低總熱阻。

（4）在相同運行水量下，對鑄鐵和鑄鋼冷卻壁，滿足水速達到紊流狀態下，盡量加大管徑，以降低其總熱阻；而銅冷卻壁，則適當減小管徑、提高水速，以降低其總熱阻。

（5）需強調，冷卻壁傳熱能力不等同于其冷卻能力。冷卻能力不僅與傳熱能力有關，還與傳熱面積有關。提高冷卻能力不僅需提高傳熱能力，還需要冷卻水管密集布置，縮小冷卻盲區，即增大比表面積[2]，兩者同時具備才能提高其冷卻能力。

參考文獻

[1]沈頤身，李保衛，等.冶金傳輸原理基礎[M].北京：冶金工業出版社，2003.3.

[2]項鐘庸，王筱留，等.高爐設計—煉鐵工藝設計理論與實踐[M].北京：冶金工業出版社，2009.6.