汽车空调换热器钎焊炉冷却段的设计及传热计算

汽车空调换热器钎焊炉冷却段的设计及传热计算生意社生意社05月04日讯汽车空调换热器钎焊炉冷却段的设计及传热计算王瑾陈军刘金松（上海理工大学建筑环境与设备工程系上海200093）【摘要】针对某汽车空调换热器钎焊生产流水线冷却段冷却降温不能达到工艺要求，用传热学原理对冷却段进行传热理论分析和计算，得出冷却段不能满足工艺要求的原因和改造所需要的结构参数。【关键词】冷却系统；生产流水线；传热计算中图分类号TB657文献标识码A0引言上海某汽车设备制造有限公司采用钎焊炉对所生产的车用空调蒸发器、冷凝器等部件进行熔合钎焊处理。从钎焊炉出来的铝合金产品及铁质托架夹具，其温度在300℃以上，为了后道工序的人工操作，在钎焊炉出口流水线部位布置了冷却段，工艺要求经冷却段冷却后的产品温度不得超过50℃。同时，相应的铁质托架夹具通过冷却段亦应得到有效冷却。工艺要求冷却段的冷却方式只能采用风冷冷却，采用排风系统将热量排至室外。由于现有的4#和7#钎焊炉流水线，冷却系统设计不尽合理，致使冷却段后的产品及辅助工装的夹具、托盘的温度大大超出工艺要求，影响产品质量。而高温的产品和辅助工装，使操作工人的操作条件较为恶劣，不但容易引起烫伤；高温的产品和辅助工装直接堆放在车间内流水线旁，使车间内环境温度随之上升，对生产环境造成热污染，同时也使冷却段的进风温度提高，进一步恶化了冷却段的冷却效果。为此，需对冷却段进行重新设计。在此之前，厂方已进行了多次冷却段的小改造，例如改变风机的风量、改变链轮转速等等。由于没有对系统的传热与通风的气流组织进行分析，又受到钎焊炉生产工艺、风机安装位置以及噪声等条件限制，改造效果不明显，无法达到工艺要求与通风室内的温度要求。1原有流水线冷却段状况本次改造首先对原来冷却段的实际参数进行实测，找到问题的症结，才能对症下药，以获得满意的结果。采用远红外温度测量仪、热球风速仪即旋翼式风速仪等进行测试。1.1原有冷却段的设计工艺参数4#和7#钎焊炉流水线冷却段的设计工艺参数主要为冷却段的实际尺寸、链轮行进速度与冷却段的截面平均风速等，具体数据如表1所列。1.2原有冷却段产品温度变化的实测数据首先对进、出4#和7#钎焊炉流水线冷却段的钎焊产品和辅助工装(托盘、夹具)的外形尺寸、质量及温度等数据进行现场测试，获得具体数据见表2、表3。表2的数据是在春季下雨的情况下测得的，当时车间内环境温度比较低。从表中数据显示，在环境温度（即冷却段进风温度）为18℃左右时，7#钎焊炉流水线冷却段的冷却效果基本满足工艺生产的要求，而4#钎焊炉流水线冷却段的冷却效果已不能满足要求。进入夏季之后，车间内闷热潮湿，加上钎焊炉等设备的发热量，环境温度一般会在40℃以上，甚至达到50℃，两条流水线的冷却段的冷却效果均无法满足生产工艺要求。2冷却段改造的理论计算为了使系统改造的设计合理，需对冷却段的冷却过程进行传热学分析，用传热公式和相似原理进行计算，从理论到实际改造，有目的地掌握影响冷却段冷却效果的主要因素，达到改造的目的。2.1钎焊炉冷却段的设计要求与假设条件冷却段的设计条件与要求为：钎焊产品及其辅助工装的托盘、夹具初始温度不高于330℃条件下，经过冷却段的风冷冷却，产品温度必须降低至50℃以下，托盘和夹具的温度不高于60℃。由于车间内安装钎焊炉及钎焊炉流水线生产的产品下线后在周边直接堆码，造成车间内环境温度较高，虽然采用自然通风的方式来降低室内环境温度，冷却段的进风温度仍然可达40℃。在进行传热计算之前，首先必须对计算对象作如下假设：a．由于金属产品和辅助工装的托盘、夹具的导热能力远远大于其与空气对流换热的能力，认为在同一时刻产品和辅助工装的温度是均匀的；b．由于空气的运动方式是强制对流，且换热后空气直接排到室外，认为空气在对流换热时，其物性参数：导热系数、粘度、普朗特数等参数保持恒定；c．由于在同一时间段内的室内环境温度变化不大，认为环境温度对换热过程及空气物性参数的影响忽略不计。2.2冷却系统换热过程的理论分析产品及辅助工装在冷却段内冷却，经过微元时间dτ，产品的温度降低了dt，在dτ冷却过程中产品失去的热量应该等于产品与空气之间的对流换热热量，由此可列出冷却过程的热平衡传热方程：式中α为产品及工装和空气之间的换热系数，W/m2·K；F为产品及工装换热面积，m2；ρ为产品及工装密度，kg/m3；V为产品及工装体积，m3；Cp为产品及工装比热，kJ/kg·K；t、t0分别为产品及工装温度和环境空气温度，℃；τ为换热时间，s。传热过程的边界条件为：当产品及工装刚进入冷却段时，τ=0，此时产品及工装的温度t＝t1；当产品及工装刚离开冷却段时，τ＝τ，此时产品及工装的温度t＝t2；冷却过程的全程温度变化，可通过积分求得：从公式（4）可见，对某一种产品而言，影响在冷却段内冷却效果的因素有产品进口温度，与空气间的对流换热状态，以及在冷却段内持续时间。以最不利条件考虑，环境空气温度为40℃，定性尺寸按表3提供的最大值0.8m来判断在冷却段内产品与空气间的换热状态。由文献〔1〕查得空气在40℃时的主要物性参数：ρ=1.128kg/m3，ν=16.96×10-6m2/s，Pr=0.699。由雷诺数计算判断换热表面的流动边界层状态。2.3冷却设备换热过程的计算从热平衡原理推导的冷却段理论计算公式，产品和辅助工装经过冷却段冷却，是否可以达到改造的设计要求，制约的因素较多。然而，当该计算公式针对某一产品，在稳定冷却状态时，λ、Pr、V、ρ等参数可以认为是定值。根据集总参数法，令：对于同一种产品，ζ是一个常数，可以用传热的相似原理进行计算。将表1～表3的已知数据代入公式（8），即可得到不同产品的ζ值。计算数据见表4。ζ值反映了某一产品及辅助工装在冷却段中的冷却降温特性。在得到ζ值后，用公式（9），按要求环境温度t0为40℃，产品进出冷却段温度t1＝330℃，t2＝50℃，即可确定各种产品及辅助工装在冷却段内，以一定的链轮速度前进（即固定冷却的时间τ）时，确定冷却段内截面平均风速u；或限定冷却段内平均风速，确定冷却过程所需经历的时间，再按钎焊炉流水线工艺要求的链轮行进速度，求出冷却段的合理长度。表5列出了产品“L-Ccar蒸”和产品“KAC后蒸”在满足冷却段出口温度为50℃时，计算风冷段的长度及辅助工装的出口温度情况。在满足产品降温要求的同时，其辅助工装的温度仍然有可能超过设计要求。两者同时满足要求，还需调整冷却段的气流组织、增加平均风速或适当增加冷却段的长度等措施。表6列出的数据显示，要保证产品及辅助工装在冷却后都要满足温度要求，在冷却段截面平均风速1.5m/s时，7#炉流水线冷却段的长度不小于3.1米，在允许的安装距离之内；4#炉流水线冷却段的理论长度达5米，由于现有空间所限，按公式（9）所示各参数之间相互关系，采用调整风速的方法，来调整长度尺寸，达到相同的冷却效果，将4#炉流水线冷却段的截面平均风速调高到2.5m/s，得到的参数值见表7，冷却段的长度调整到4.5米以下，基本满足安装要求，继续调高风速，将会产生太高的排风噪声和能源消耗，又会引出新的问题。确定改造冷却系统所需的技术和结构参数后，需要配合合理的设备布置及合理的气流组织，以获得良好的散热降温效果。在实际改造过程中，冷却段采用下送风为主、侧送风为辅的送风方式和上排风气流组织形式，经过理论计算和CFD模拟，以下送风量和侧送风量9：1左右的比例，合理布置送、排风机与风道断面面积，使改造后的冷却系统内的气流组织通畅，不出现短路现象，保证换热充分均匀，使两条生产线的冷却段在未增加风机功率的情况下，解决了生产工艺要求的降温要求。经现场测试，改造后的冷却效果，完成达到预期的目标。3结语通过钎焊炉生产流水线的冷却段改造可以看出，应用传热的热平衡方程和相似理论计算，找出其工艺参数的主要影响因素，可以根据要求的目标值，进行参数调整，获得了冷却段改造所需的技术、结构参数。以理论指导的设计，减少工作中的盲目性，在施工之前预测结果状态，可以完全按照预定的目标进行改造，便于合理组织工期，节省了投资。使新的冷却系统发挥了应有的作用，满足了生产工艺的要求，同时也减轻了生产环境的热污染，提高了环境的空气品质。