CN110232252A - 一种铝熔体复合除气装置中超声换能器的冷却系统的换热功率设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种铝熔体复合除气装置中超声换能器的冷却系统的换热功率设计方法，属于冷却系统设计技术领域。所述冷却系统设计方法包括：步骤一、确定冷却系统采用周向水冷式冷却系统，并设置超声换能器各部件的尺寸数据；步骤二、确定超声换能器工作时各部分的换热过程；根据超声换能器工作时各部分的换热过程对步骤一所述周向水冷式冷却系统的换热过程进行分析；步骤三、对与所述周向水冷式冷却系统相关的换热过程中的换热功率进行计算，获得换热过程计算式。所述方法具有降低冷却系统设计难度的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝熔体复合除气装置中超声换能器的冷却系统的换热功率设计方法，属于冷却系统设计技术领域。
背景技术
在采用铝熔体复合除气装置精炼铝合金的过程中，用于产生超声波的压电换能器，使用的材料为压电晶体PZT-8。由于在产生超声的同时，需要在其中间通入气体，进行旋转喷吹，但这样的条件下，原放置在压电晶体上方的冷却风扇就无法安装了。
当压电晶体在工作时，本身就会产生一些热量，与下方高温铝熔体对上方除气设备的影响，若不及时散热，换能器的温度会升高很多。随着温度的升高，压电晶体的工作效率会大大降低。若温度继续升高，达到压电晶体的居里温度时，压电晶体将不再能正常工作，造成损坏。所以需要设计针对该系统中压电晶体的冷却系统。目的为保持压电陶瓷在合适的温度工作，以保证除气装置工作正常且不损坏压电晶体。
冷却系统的合理设计能够改进复合除气装置的工作稳定性，保证除气系统长时间工作，提高生产效率，改善铝合金质量。
传统装置中的冷却散热装置位于换能器的上端，通过风冷的方式将换能器的温度降低。在铝熔体复合除气装置中，超声振动系统的中心需要保留出一个通路，用来放置旋转喷吹系统。这样原本放置冷却风扇的位置被占去，只能考虑从其侧面进行冷却。但在工作时，其表面电压很高，且不断振动，不宜与其接触，冷却系统设计难度增加。
发明内容
本发明为了解决冷却系统设计难度较大的问题，提出了一种铝熔体复合除气装置中超声换能器的冷却系统的换热功率设计方法
一种铝熔体复合除气装置中超声换能器的冷却系统的换热功率设计方法，所述冷却系统设计方法包括：
步骤一、确定冷却系统采用周向水冷式冷却系统，并设置超声换能器各部件的尺寸数据；
步骤二、确定超声换能器工作时各部分的换热过程；根据超声换能器工作时各部分的换热过程对步骤一所述周向水冷式冷却系统的换热过程进行分析；
步骤三、对与所述周向水冷式冷却系统相关的换热过程中的换热功率进行计算，获得换热过程计算式。
进一步地，步骤二所述周向水冷式冷却系统的换热过程分析包括：
第一步、根据铝熔体复合除气装置工作室的温度特性，对铝熔体与超声振动系统之间的换热方式进行分析，确定铝熔体的辐射换热过程中只与超声换能器的金属保护壳之间进行辐射换热；
第二步、将所述超声换能器的工具杆、变幅杆和前盖板三部分作为一个整体结构；共系统宏观能量变化角度，对超声换热器的换热过程进行分析，获得超声换热器各换热过程间的换热功率关系；
第三步、根据所述换热功率关系确定所述周向水冷式冷却系统的换热过程。
进一步地，第二步所述获得超声换热器各换热过程见的换热功率关系的过程包括：
步骤1、假设电能总消耗功率全部转化为超声换能器的产热功率，超声换能器的升温功率为零；
步骤2、确定超声换能器稳态时的等式关系为：
P水+P空散＝P损+P铝
其中，P水冷为冷却水带走热量的冷却功率；P空散为超声振动系统向周围空气中散热的散热功率；P铝为恒温的铝熔体向整个系统内传的总热量的传热总功率；P损为总输入电功率除去总输出声功率得到的总损耗功率；
步骤3、根据超声换能器各部件之间热量传递方向，获取个部件之间的换热过程；
步骤4、根据所述个部件之间的换热过程确定P水冷、P空散、P损和P铝之间存在换热功率关系如下：
P水冷＝P2
P空散＝P6
P损＝P电-P声
P铝＝P8+P10
根据上述功率关系确定稳态时的换热功率关系为：P2+P6＝P电-P声+P8+P10；其中，P2表示热流方向从冷却系统的冷却管流向冷却水过程的换热功率；P6表示热流方向从超声换能器金属保护壳流向周围环境过程的换热功率；P8表示热流方向从铝熔体流向工具杆、变幅杆及前盖板过程的换热功率；P10表示热流方向从铝熔体流向金属保护壳过程的换热功率；
步骤5、根据步骤4获得换热功率关系，确定所述周向水冷式冷却系统的换热过程。
进一步地，步骤三所述换热过程计算式的获取过程包括：
第1步、分别计算冷却管管内流动为层流情况和冷却管管内流动为湍流情况时，热流方向从冷却系统的冷却管流向冷却水过程的换热功率P2，获得换热功率P2的计算式；
第2步、计算热流方向从超声换能器金属保护壳流向周围环境过程的换热功率P6，获得换热功率P6的计算式；
第3步、计算热流方向从铝熔体流向工具杆、变幅杆及前盖板过程的换热功率P8，获得换热功率P8的计算式；
第4步、计算热流方向从铝熔体流向金属保护壳过程的换热功率P10，获得换热功率P10的计算式。
进一步地，第1步所述冷却管管内流动为层流情况时的换热功率P2计算式的获得过程包括：
A1：在Gr/Re2<0.1条件下，且在Re f Pr f d/l≥10时，确定努塞尔数实验准则公式为：
Nuf＝1.86(RefPrfd0/l)1/3(μf/μW)0.14 (1)
其中，Nuf表示努塞尔数试验准则记号；Ref表示雷诺数；d0表示冷却管管内径；l表示冷却管管长度；μf表示以平均温度为定性温度时的动力粘度；μW表示以管壁温度为定性温度时的动力粘度；
A2：将努塞尔数Nu2＝εRNuf和弯管修正系数带入公式(1)中，获得努塞尔数表达式如下：
Nu2＝1.86[1+10.77(d0/R0)3](RefPrfd0/l)1/3(μf/μW)0.14 (2)
其中，R0表示螺旋管曲率半径；Prf表示以平均温度为定性温度的普朗特数；
A3：将雷诺数代入公式(2)中，获得简化后的努塞尔数表达式如下：
其中，ω为流体流速；ν为运动粘度；
A4：利用简化后的努塞尔数表达式结合等效换热系数表达式计算等效换热系数h2，进而获得热流密度q2：
其中，TW为管壁温度；T为平均温度，T＝(Tf+TW)/2，Tf为远离管壁的流体温度；
A5：将热流密度q2与换热面积A2＝πd0l相乘获得换热功率P2如下：
。
进一步地，第1步所述冷却管管内流动为湍流情况时的换热功率P2计算式的获得过程包括：
当温压不超限时：
第一步、确定努塞尔数实验准则公式Nuf＝0.023Re0.8Pr0.4
其中，Pr为普朗特常数。
第二步、将努塞尔数与弯管修正系数εR相乘，获得努塞尔数Nu2表达式为：
第三步、将雷诺代入公式(7)中，获得简化后的努塞尔数表达式为：
其中，υf表示温压不超限时的运动粘度；
第四步、利用简化后的努塞尔数表达式结合等效换热系数表达式，计算等效换热系数h2，进而获得热流密度q2：
第五步、将热流密度q2与换热面积A2＝πd0l相乘获得换热功率P2如下：
当温压超限时：
第一步、确定努塞尔数采用：
其中，PrW表示以管壁温度为定性温度时的普朗特数；
第二步、分别两种不同的努塞尔数与弯管修正系数εR相乘时，获得努塞尔数Nu2表达式为：
或
第三步、利用两种不同的努塞尔数表达式结合等效换热系数表达式，计算等效换热系数h2，进而获得热流密度q2：
或
或
第五步、将热流密度q2与换热面积A2＝πd0l相乘获得换热功率P2如下：
或。
进一步地，第2步所述获得换热功率P6的计算式的过程包括：
B1、对于自然对流换热部分：利用流方向从超声换能器金属保护壳流向周围环境过程中的努赛尔数Num和格拉晓夫数计算获得等效换热系数h6：
其中，g为重力加速度；H为竖圆柱或竖平板高度；C和n为常数；α为体积膨胀系；在此情况下温度差ΔT为金属保护壳温度与室温之间的温度差，ν为空气的运动粘度，记为νa；ΔT为温度差；υa表示表示温压超限时的运动粘度；HS表示金属保护壳的长度；
B2、利用等效换热系数h6获得热流密度q6如下：
B3、确定自然对流换热部分的换热面积A6为金属保护壳侧表面积A6＝2πRSHS；利用换热面积A6和热流密度q6计算获得自然对流换热部分的换热功率P61为：
B4、对于辐射换热部分：根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律利用灰体辐射系数εCb确定辐射换热部分的换热功率P62为：
其中，E为辐射力，单位为W/m2；Cb为材料的灰体辐射系数；ε为材料的黑度；RS表示金属保护壳的半径；
B5、利用自然对流换热部分的换热功率P61和辐射换热部分的换热功率P62获取换热功率P6为：
。
进一步地，第3步所述获得换热功率P8的计算式的过程包括：
C1、利用n层平壁的一维稳态导热问题中的热流密度计算热流方向从铝熔体流向工具杆、变幅杆及前盖板过程的热流密度q8：
其中，δ为平壁厚度；λ为平壁的热导率；T1为传热起始位置的温度；Tn+1为传热终止位置的温度；λTi、λ45、λ7075分别为钛合金、45号钢、7075铝合金的热导率，T1、T4分别为铝熔体温度与换能器温度；H工、H变总和H前分别表示工具杆的长度、变幅杆的总长度和前盖板的长度；
C2、根据热流密度q8结合换热面积计算获得换热功率P8为：
其中，R工表示工具杆的半径；r0表示超声系统中间孔孔径(由工具杆至后盖板均为中空)。
进一步地，第4步所述获得换热功率P10的计算式的过程包括：
D1、根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，辐射换热中，换热功率为：
其中，C为导出辐射系数C1为铝熔体的灰度辐射系数，C2为金属保护壳的灰度辐射系数，Cb为黑体的辐射系数，值为5.675W/(m2·K4)；T1、T2分别为铝熔体与金属保护壳的温度；A10为换热面积；
D2、确定换热面积A10为金属保护壳外表面积
D3、分别取TL、TS为铝熔体与金属保护壳的温度，于是有换热功率P10表达式为：
其中，φ表示有角系数。
本发明有益效果：
本发明提出的一种铝熔体复合除气装置中超声换能器的冷却系统的换热功率设计方法，该换热功率设计方法通过换热过程中的冷却系统和超声换能器各部件之间的热传递过程的分析和计算获得冷却系统设计时需要的换热功率参数，该方法能够有效、精确、准确的计算出冷却系统设计时需要的换热功率参数，提高冷却系统设计的准确性，并降低冷却系统的设计难度。
附图说明
图1为冷却系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
一种铝熔体复合除气装置中超声换能器的冷却系统的换热功率设计方法，所述冷却系统设计方法包括：
步骤一、确定冷却系统采用周向水冷式冷却系统，并设置超声换能器各部件的尺寸数据；
步骤二、确定超声换能器工作时各部分的换热过程；根据超声换能器工作时各部分的换热过程对步骤一所述周向水冷式冷却系统的换热过程进行分析；
步骤三、对与所述周向水冷式冷却系统相关的换热过程中的换热功率进行计算，获得换热过程计算式。
其中，冷却系统的结构如图1所示，其主要由冷却管1、循环水泵2、冷却水远端降温部分3及冷却水构成。其中主要参与换能器换热的为冷却管与冷却水。水选择纯净水，无添加剂等物质。冷却管材料选择为铜，冷却管的管壁厚尽可能薄，改善换热效果。
尺寸及水流参数：冷却管内径d0；外径d0’；管内水流速度ω；螺旋管曲率半径(以冷却管中心轴线为基准)R0；按照工作时从接触铝熔体一端至远离铝熔体一端的顺序，主要部分依次有：工具杆、变幅杆、前盖板、换能器与电极、后盖板。
后续计算中主要计算最终工作平衡稳定时的换热状态，将工具杆插入铝熔体的部分温度近似等效为其与铝熔体温度相等，即工具杆的换热从铝熔体液面出开始计算。
现将各尺寸及符号按照不同部分罗列如下：
工具杆：浸入铝熔体部分长度为h’＝0.03m；总长度为H工总＝0.15m；换热计算中的有效长度为H工＝H工总－h’＝0.12m；工具杆的半径(外径)为R工＝0.02m，材料为钛合金。
变幅杆：小端半径为R变小＝0.02m；大端半径为R变大＝0.03m，小半径部分长度为H变小＝0.07m；大半径部分长度为H变大＝0.07m；则，变幅杆总长度为H变总＝0.14m，材料为45号钢。
前盖板：总长度为H前＝0.05m；半径(外径)为R前＝0.03m。材料为7075铝合金。
换能器与电极片：半径(外径)为RP＝0.03m；换能器的压电元件材料为PZT-8，每片厚度为10mm，共2或4片，本设计按照4片(功率更大)计算；电极片材料为铜，每片0.2mm，共3或5片，当PZT-8为4片时，需要5片铜电极，总厚1mm；由于铜的导热性能很好，在整个装置中很薄，且位置分散，对换热影响很小，所以，计算换热时，忽略铜电极片的存在，将换能器与电极片的厚度均计入同一参量，为HP＝41mm。
后盖板：总长度为H后＝0.04m；半径(外径)为R后＝0.03m。材料为45号钢。
由工具杆至后盖板均为中空，中间孔孔径(半径)为r0＝0.01m。
工作时，换能器表面带电，内侧有绝缘套隔离。为了不影响换能器的输出功率，并没有在换能器外表面设置绝缘装置。但，在实际生产中，将工具杆深入铝熔体后，会有很大的负载，为了保证除气效果，保证输出功率足够，则需要提高换能器的输入电压。此时换能器表面的电势可能达到几千甚至上万伏特，若直接暴露可能发生故障对工作造成影响甚至出现安全事故。所以目前工业生产中均在其外部安装保护外壳，且大多为金属材料，其对换能器的换热有一定影响。
金属保护壳尺寸：半径(外径)为RS＝0.05m；半径(内径)为rS＝0.045m；纵向长度为HS＝0.225m。
铝熔体：铝熔体在炉内，炉口朝上，半径为RL＝0.2m；温度为恒温750℃，记为TL。
其中，步骤二所述周向水冷式冷却系统的换热过程分析包括：
第一步、根据铝熔体复合除气装置工作室的温度特性，对铝熔体与超声振动系统之间的换热方式进行分析，确定铝熔体的辐射换热过程中只与超声换能器的金属保护壳之间进行辐射换热；
第二步、将所述超声换能器的工具杆、变幅杆和前盖板三部分作为一个整体结构；共系统宏观能量变化角度，对超声换热器的换热过程进行分析，获得超声换热器各换热过程间的换热功率关系；
第三步、根据所述换热功率关系确定所述周向水冷式冷却系统的换热过程。
第二步所述获得超声换热器各换热过程见的换热功率关系的过程包括：
步骤1、假设电能总消耗功率全部转化为超声换能器的产热功率，超声换能器的升温功率为零；
步骤2、确定超声换能器稳态时的等式关系为：
P水+P空散＝P损+P铝
其中，P水冷为冷却水带走热量的冷却功率；P空散为超声振动系统向周围空气中散热的散热功率；P铝为恒温的铝熔体向整个系统内传的总热量的传热总功率；P损为总输入电功率除去总输出声功率得到的总损耗功率；
步骤3、根据超声换能器各部件之间热量传递方向，获取个部件之间的换热过程(如表1所示)；
表1各换热过程情况
步骤4、根据所述个部件之间的换热过程确定P水冷、P空散、P损和P铝之间存在换热功率关系如下：
P水冷＝P2
P空散＝P6
P损＝P电-P声
P铝＝P8+P10
根据上述功率关系确定稳态时的换热功率关系为：P2+P6＝P电-P声+P8+P10；其中，P2表示热流方向从冷却系统的冷却管流向冷却水过程的换热功率；P6表示热流方向从超声换能器金属保护壳流向周围环境过程的换热功率；P8表示热流方向从铝熔体流向工具杆、变幅杆及前盖板过程的换热功率；P10表示热流方向从铝熔体流向金属保护壳过程的换热功率；
式中的P电与P声为已知量。只需推导计算过程2、过程6、过程8、过程10中的换热功率即可。但需要计算出的结果满足：P2+P6＞P电-P声+P8+P10，据此，推导出过程2、过程6、过程8、过程10中的换热功率从而可以得到完整的宏观换热关系。
根据步骤4获得换热功率关系，确定所述周向水冷式冷却系统的换热过程。
步骤三所述换热过程计算式的获取过程包括：
第1步、分别计算冷却管管内流动为层流情况和冷却管管内流动为湍流情况时，热流方向从冷却系统的冷却管流向冷却水过程的换热功率P2，获得换热功率P2的计算式；
第2步、计算热流方向从超声换能器金属保护壳流向周围环境过程的换热功率P6，获得换热功率P6的计算式；
第3步、计算热流方向从铝熔体流向工具杆、变幅杆及前盖板过程的换热功率P8，获得换热功率P8的计算式；
第4步、计算热流方向从铝熔体流向金属保护壳过程的换热功率P10，获得换热功率P10的计算式。
换热过程2为冷却管至冷却水的换热过程，换热类型为强制对流换热。
由于冷却管为螺旋形，此时，管内的层流与湍流情况有着不同的换热规律。通常使用临界雷诺数Re进行判断，当Re<2300时，管内流动情况为层流；当Re>104时，管内流动情况为湍流；当雷诺数介于两者之间时，管内流动情况为层流向湍流转变的过渡区段。
层流时管内液体沿着与管轴相平行的方向流动，而湍流时流体有垂直于管轴方向的速度，于是冷却水会与冷却管进行充分接触，从而提高散热效率。所以在水冷时，湍流效果比层流更好。
雷诺数的计算采用：
式中ω为流体流速，d为管内直径，ν为运动粘度。
由于采用的冷却管为螺旋管，在管内水流动时会有二次环流而强化换热。通常采用一个大于1的弯管修正系数εR来反映这种强化。对于液体：
εR＝1+10.77(d/R)3
因此，第1步所述冷却管管内流动为层流情况时的换热功率P2计算式的获得过程包括：
A1：在Gr/Re2<0.1条件下，且在Re f Pr f d/l≥10时，确定努塞尔数实验准则公式为：
Nuf＝1.86(RefPrfd0/l)1/3(μf/μW)0.14 (1)
其中，Nuf表示努塞尔数试验准则记号；Ref表示雷诺数；d0表示冷却管管内径；l表示冷却管管长度；μf表示以平均温度为定性温度时的动力粘度；μW表示以管壁温度为定性温度时的动力粘度；
A2：将努塞尔数Nu2＝εRNuf和弯管修正系数带入公式(1)中，获得努塞尔数表达式如下：
Nu2＝1.86[1+10.77(d0/R0)3](RefPrfd0/l)1/3(μf/μW)0.14 (2)
其中，R0表示螺旋管曲率半径；Prf表示以平均温度为定性温度的普朗特数；
A3：将雷诺数代入公式(2)中，获得简化后的努塞尔数表达式如下：
其中，ω为流体流速；ν为运动粘度；
A4：利用简化后的努塞尔数表达式结合等效换热系数表达式计算等效换热系数h2，进而获得热流密度q2：
其中，TW为管壁温度；T为平均温度，T＝(Tf+TW)/2，Tf为远离管壁的流体温度；
A5：将热流密度q2与换热面积A2＝πd0l相乘获得换热功率P2如下：
。
进一步地，第1步所述冷却管管内流动为湍流情况时的换热功率P2计算式的获得过程包括：
当温压不超限时：
第一步、确定努塞尔数实验准则公式Nuf＝0.023Re0.8Pr0.4
其中，Pr为普朗特常数。
第二步、将努塞尔数与弯管修正系数εR相乘，获得努塞尔数Nu2表达式为：
第三步、将雷诺代入公式(7)中，获得简化后的努塞尔数表达式为：
其中，υf表示温压不超限时的运动粘度；
第四步、利用简化后的努塞尔数表达式结合等效换热系数表达式，计算等效换热系数h2，进而获得热流密度q2：
第五步、将热流密度q2与换热面积A2＝πd0l相乘获得换热功率P2如下：
当温压超限时：
第一步、确定努塞尔数采用：
其中，PrW表示以管壁温度为定性温度时的普朗特数；
第二步、分别两种不同的努塞尔数与弯管修正系数εR相乘时，获得努塞尔数Nu2表达式为：
或
第三步、利用两种不同的努塞尔数表达式结合等效换热系数表达式，计算等效换热系数h2，进而获得热流密度q2：
或
或
第五步、将热流密度q2与换热面积A2＝πd0l相乘获得换热功率P2如下：
或。
进一步地，第2步所述获得换热功率P6的计算式的过程包括：
B1、对于自然对流换热部分：利用流方向从超声换能器金属保护壳流向周围环境过程中的努赛尔数Num和格拉晓夫数计算获得等效换热系数h6：
其中，g为重力加速度；H为竖圆柱或竖平板高度；C和n为常数；α为体积膨胀系；在此情况下温度差ΔT为金属保护壳温度与室温之间的温度差，ν为空气的运动粘度，记为νa；ΔT为温度差；υa表示表示温压超限时的运动粘度；HS表示金属保护壳的长度；
B2、利用等效换热系数h6获得热流密度q6如下：
B3、确定自然对流换热部分的换热面积A6为金属保护壳侧表面积A6＝2πRSHS；利用换热面积A6和热流密度q6计算获得自然对流换热部分的换热功率P61为：
B4、对于辐射换热部分：根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律利用灰体辐射系数εCb确定辐射换热部分的换热功率P62为：
其中，E为辐射力，单位为W/m2；Cb为材料的灰体辐射系数；ε为材料的黑度；RS表示金属保护壳的半径；
B5、利用自然对流换热部分的换热功率P61和辐射换热部分的换热功率P62获取换热功率P6为：
。
进一步地，第3步所述获得换热功率P8的计算式的过程包括：
C1、利用n层平壁的一维稳态导热问题中的热流密度计算热流方向从铝熔体流向工具杆、变幅杆及前盖板过程的热流密度q8：
其中，δ为平壁厚度；λ为平壁的热导率；T1为传热起始位置的温度；Tn+1为传热终止位置的温度；λTi、λ45、λ7075分别为钛合金、45号钢、7075铝合金的热导率，T1、T4分别为铝熔体温度与换能器温度；H工、H变总和H前分别表示工具杆的长度、变幅杆的总长度和前盖板的长度；
C2、根据热流密度q8结合换热面积计算获得换热功率P8为：
其中，R工表示工具杆的半径；r0表示超声系统中间孔孔径(由工具杆至后盖板均为中空)。
进一步地，第4步所述获得换热功率P10的计算式的过程包括：
D1、根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，辐射换热中，换热功率为：
其中，C为导出辐射系数C1为铝熔体的灰度辐射系数，C2为金属保护壳的灰度辐射系数，Cb为黑体的辐射系数，值为5.675W/(m2·K4)；T1、T2分别为铝熔体与金属保护壳的温度；A10为换热面积；
D2、确定换热面积A10为金属保护壳外表面积
D3、分别取TL、TS为铝熔体与金属保护壳的温度，于是有换热功率P10表达式为：
其中，φ表示有角系数。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (9)
1.一种铝熔体复合除气装置中超声换能器的冷却系统的换热功率设计方法，其特征在于，所述冷却系统设计方法包括：
步骤一、确定冷却系统采用周向水冷式冷却系统，并设置超声换能器各部件的尺寸数据；
步骤二、确定超声换能器工作时各部分的换热过程；根据超声换能器工作时各部分的换热过程对步骤一所述周向水冷式冷却系统的换热过程进行分析；
步骤三、对与所述周向水冷式冷却系统相关的换热过程中的换热功率进行计算，获得换热过程计算式。
2.根据权利要求1所述冷却系统设计方法，其特征在于，步骤二所述周向水冷式冷却系统的换热过程分析包括：
第一步、根据铝熔体复合除气装置工作室的温度特性，对铝熔体与超声振动系统之间的换热方式进行分析，确定铝熔体的辐射换热过程中只与超声换能器的金属保护壳之间进行辐射换热；
第二步、将所述超声换能器的工具杆、变幅杆和前盖板三部分作为一个整体结构；共系统宏观能量变化角度，对超声换热器的换热过程进行分析，获得超声换热器各换热过程间的换热功率关系；
第三步、根据所述换热功率关系确定所述周向水冷式冷却系统的换热过程。
3.根据权利要求2所述冷却系统设计方法，其特征在于，第二步所述获得超声换热器各换热过程见的换热功率关系的过程包括：
步骤1、假设电能总消耗功率全部转化为超声换能器的产热功率，超声换能器的升温功率为零；
步骤2、确定超声换能器稳态时的等式关系为：
P水+P空散＝P损+P铝
其中，P水冷为冷却水带走热量的冷却功率；P空散为超声振动系统向周围空气中散热的散热功率；P铝为恒温的铝熔体向整个系统内传的总热量的传热总功率；P损为总输入电功率除去总输出声功率得到的总损耗功率；
步骤3、根据超声换能器各部件之间热量传递方向，获取个部件之间的换热过程；
步骤4、根据所述个部件之间的换热过程确定P水冷、P空散、P损和P铝之间存在换热功率关系如下：
P水冷＝P2
P空散＝P6
P损＝P电-P声
P铝＝P8+P10
根据上述功率关系确定稳态时的换热功率关系为：P2+P6＝P电-P声+P8+P10；其中，P2表示热流方向从冷却系统的冷却管流向冷却水过程的换热功率；P6表示热流方向从超声换能器金属保护壳流向周围环境过程的换热功率；P8表示热流方向从铝熔体流向工具杆、变幅杆及前盖板过程的换热功率；P10表示热流方向从铝熔体流向金属保护壳过程的换热功率；步骤5、根据步骤4获得换热功率关系，确定所述周向水冷式冷却系统的换热过程。
4.根据权利要求1或3所述冷却系统设计方法，其特征在于，步骤三所述换热过程计算式的获取过程包括：
第1步、分别计算冷却管管内流动为层流情况和冷却管管内流动为湍流情况时，热流方向从冷却系统的冷却管流向冷却水过程的换热功率P2，获得换热功率P2的计算式；
第2步、计算热流方向从超声换能器金属保护壳流向周围环境过程的换热功率P6，获得换热功率P6的计算式；
第3步、计算热流方向从铝熔体流向工具杆、变幅杆及前盖板过程的换热功率P8，获得换热功率P8的计算式；
第4步、计算热流方向从铝熔体流向金属保护壳过程的换热功率P10，获得换热功率P10的计算式。
5.根据权利要求4所述冷却系统设计方法，其特征在于，第1步所述冷却管管内流动为层流情况时的换热功率P2计算式的获得过程包括：
A1：在Gr/Re2<0.1条件下，且在RefPrfd/l≥10时，确定努塞尔数实验准则公式为：
Nuf＝1.86(RefPrfd0/l)1/3(μf/μW)0.14 (1)
其中，Nuf表示努塞尔数试验准则记号；Ref表示雷诺数；d0表示冷却管管内径；l表示冷却管管长度；μf表示以平均温度为定性温度时的动力粘度；μW表示以管壁温度为定性温度时的动力粘度；
A2：将努塞尔数Nu2＝εRNuf和弯管修正系数带入公式(1)中，获得努塞尔数表达式如下：
Nu2＝1.86[1+10.77(d0/R0)3](RefPrfd0/l)1/3(μf/μW)0.14 (2)
其中，R0表示螺旋管曲率半径；Prf表示以平均温度为定性温度的普朗特数；
A3：将雷诺数代入公式(2)中，获得简化后的努塞尔数表达式如下：
其中，ω为流体流速；ν为运动粘度；
A4：利用简化后的努塞尔数表达式结合等效换热系数表达式计算等效换热系数h2，进而获得热流密度q2：
其中，TW为管壁温度；T为平均温度，T＝(Tf+TW)/2，Tf为远离管壁的流体温度；
A5：将热流密度q2与换热面积A2＝πd0l相乘获得换热功率P2如下：
。
6.根据权利要求4所述冷却系统设计方法，其特征在于，第1步所述冷却管管内流动为湍流情况时的换热功率P2计算式的获得过程包括：
当温压不超限时：
第一步、确定努塞尔数实验准则公式Nuf＝0.023Re0.8Pr0.4
其中，Pr为普朗特常数；
第二步、将努塞尔数与弯管修正系数εR相乘，获得努塞尔数Nu2表达式为：
第三步、将雷诺代入公式(7)中，获得简化后的努塞尔数表达式为：
其中，υf表示温压不超限时的运动粘度；
第四步、利用简化后的努塞尔数表达式结合等效换热系数表达式，计算等效换热系数h2，进而获得热流密度q2：
第五步、将热流密度q2与换热面积A2＝πd0l相乘获得换热功率P2如下：
当温压超限时：
第一步、确定努塞尔数采用：
其中，PrW表示以管壁温度为定性温度时的普朗特数；
第二步、分别两种不同的努塞尔数与弯管修正系数εR相乘时，获得努塞尔数Nu2表达式为：
或
第三步、利用两种不同的努塞尔数表达式结合等效换热系数表达式，计算等效换热系数h2，进而获得热流密度q2：
或
或
第五步、将热流密度q2与换热面积A2＝πd0l相乘获得换热功率P2如下：
或。
7.根据权利要求4所述冷却系统设计方法，其特征在于，第2步所述获得换热功率P6的计算式的过程包括：
B1、对于自然对流换热部分：利用流方向从超声换能器金属保护壳流向周围环境过程中的努赛尔数Num和格拉晓夫数计算获得等效换热系数h6：
其中，g为重力加速度；H为竖圆柱或竖平板高度；C和n为常数；α为体积膨胀系；在此情况下温度差ΔT为金属保护壳温度与室温之间的温度差，ν为空气的运动粘度，记为νa；ΔT为温度差；υa表示表示温压超限时的运动粘度；HS表示金属保护壳的长度；
B2、利用等效换热系数h6获得热流密度q6如下：
B3、确定自然对流换热部分的换热面积A6为金属保护壳侧表面积A6＝2πRSHS；利用换热面积A6和热流密度q6计算获得自然对流换热部分的换热功率P61为：
B4、对于辐射换热部分：根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律利用灰体辐射系数εCb确定辐射换热部分的换热功率P62为：
其中，E为辐射力，单位为W/m2；Cb为材料的灰体辐射系数；ε为材料的黑度；RS表示金属保护壳的半径；
B5、利用自然对流换热部分的换热功率P61和辐射换热部分的换热功率P62获取换热功率P6为：
。
8.根据权利要求4所述冷却系统设计方法，其特征在于，第3步所述获得换热功率P8的计算式的过程包括：
C1、利用n层平壁的一维稳态导热问题中的热流密度计算热流方向从铝熔体流向工具杆、变幅杆及前盖板过程的热流密度q8：
其中，δ为平壁厚度；λ为平壁的热导率；T1为传热起始位置的温度；Tn+1为传热终止位置的温度；λTi、λ45、λ7075分别为钛合金、45号钢、7075铝合金的热导率，T1、T4分别为铝熔体温度与换能器温度；H工、H变总和H前分别表示工具杆的长度、变幅杆的总长度和前盖板的长度；
C2、根据热流密度q8结合换热面积计算获得换热功率P8为：
其中，R工表示工具杆的半径；r0表示超声系统中间孔孔径，由工具杆至后盖板均为中空。
9.根据权利要求4所述冷却系统设计方法，其特征在于，第4步所述获得换热功率P10的计算式的过程包括：
D1、根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，辐射换热中，换热功率为：
其中，C为导出辐射系数C1为铝熔体的灰度辐射系数，C2为金属保护壳的灰度辐射系数，Cb为黑体的辐射系数，值为5.675W/(m2·K4)；T1、T2分别为铝熔体与金属保护壳的温度；A10为换热面积；
D2、确定换热面积A10为金属保护壳外表面积
D3、分别取TL、TS为铝熔体与金属保护壳的温度，于是有换热功率P10表达式为：
其中，φ表示有角系数。
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