CN110413937B - 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校正计算及修正方法 - Google Patents

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校正计算及修正方法，属于冷却系统设计技术领域。所述方法包括：步骤一、分别计算获得冷却系统各换热过程功率的计算式；步骤二、分别确定冷却系统各部分的温度；步骤三、根据步骤二获得的冷却系统各部分的温度确定所述冷却系统各换热过程功率的的最终表达形式；步骤四、设置冷却系统各部件的尺寸数值；步骤五、对结合所述冷却系统各部件的尺寸数值以及所述最终表达形式，对所述冷却系统各换热过程功率校正修正计算，获得修正后的各换热过程功率。

Description

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 率校正计算及修正方法

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校正计算及修正方法，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，使冷却系统设计难度增加，也使其设计值存在不准确的问题。

发明内容

本发明为了解决解决冷却系统设计难度较大，设计不准确的问题，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校正计算及修正方法，所采取的技术方案如下：

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校正计算及修正方法，所述换热功率校正计算及修正方法包括：

步骤一、分别计算获得冷却系统各换热过程功率的计算式，所述各换热过程功率包括：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，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，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和热流方向从铝熔体流向金属保护壳过程的换热功率P₁₀；

步骤二、分别确定冷却系统各部分的温度；所述各部分温度包括冷却管温度、冷却水温度、换能器温度、金属保护壳温度及周围环境温度；

步骤三、根据步骤二获得的冷却管温度、冷却水温度、换能器温度、金属保护壳温度及周围环境温度确定所述换热功率P₂，换热功率P₆，换热功率P₈和换热功率P₁₀的最终表达形式；

步骤四、设置冷却系统各部件的尺寸数值；

步骤五、对结合所述冷却系统各部件的尺寸数值以及所述最终表达形式，对所述冷却系统各换热过程功率校正修正计算，获得修正后的各换热过程功率。

进一步地，所述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，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，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和热流方向从铝熔体流向金属保护壳过程的换热功率P₁₀分别表示为：

针对换热功率P₂，当温压超限时，

或

当温压不超限时，

针对换热功率P₆，

针对换热功率P₁₀，

其中，λ为平壁的热导率；l表示冷却管管长度；T_W为管壁温度；Re_f表示雷诺数；d₀表示冷却管管内径；R₀表示螺旋管曲率半径；Pr_f表示以平均温度为定性温度的普朗特数；μ_f表示以平均温度为定性温度时的动力粘度；μ_W表示以管壁温度为定性温度时的动力粘度；ω为流体流速；υ_f表示温压不超限时的运动粘度；T为平均温度，T＝(T_f+T_W)/2，T_f为远离管壁的流体温度；υ_a表示表示温压超限时的运动粘度；g为重力加速度；H为竖圆柱或竖平板高度；n为常数；α为体积膨胀系数；H_S表示金属保护壳的长度；C_b为材料的灰体辐射系数；ε为材料的黑度；R_S表示金属保护壳的外表面半径；ΔT为温度差；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，C_b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；φ表示有角系数；r_s表示金属保护壳内表面半径。

进一步地，所述冷却管温度、冷却水温度、换能器温度、金属保护壳温度及周围环境温度具体设置为：

冷却管温度设置为40℃，记为T₀；

换能器温度设置为45℃，记为T_P；

冷却水温度设置为30℃，记为T_均水；

金属保护壳温度为设置为37℃，记为T_S；

周围环境温度为设置为35℃，记为T_r。

进一步地，步骤三所述最终表达形式分别为：

换热过程P₂中，层流情况，换热功率P₂计算式：

换热过程P₂中，湍流情况，温压不超限，换热功率P₂计算式：

换热过程P₂中，湍流情况，温压超限，换热功率P₂计算式：

换热过程P₆

换热过程P₈

其中，R_工表示工具杆的半径；r₀表示超声系统中间孔孔径；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；T_L、T_P和T_S分别表示为铝熔体温度、换能器温度和金属保护壳温度；λ_Ti、λ₄₅、λ₇₀₇₅分别为钛合金、45号钢、7075铝合金的热导率；

换热过程P₁₀

进一步地，步骤四所述设置冷却系统各部件的尺寸数值为：

步骤1、设置冷却管材质为铜，壁厚0.5mm，内径d₀＝9mm，外径d₀’＝10mm；螺旋曲率半径为R₀＝40mm；被冷却元件换能器的纵向尺寸为41mm；

步骤2，确定定性温度取水的平均温度T_均水，当为25℃时，ν＝0.9055×10^-6m²/s，

此时，设置ω＝2m/s；

步骤3、根据管长l计算式设置管长，管长l计算式为：

获得l≈1005.51mm≈1.01m；

步骤4、将其余参数具体设置为：R_S＝0.05m；r_S＝0.045m；H_S＝0.022m；金属保护壳材料选择为钢，表面黑度取ε＝0.07；R_L＝0.3m。

进一步地，步骤五所述各换热过程功率校正修正计算的具体过程包括：

第一步、根据各部件温度设置值计算冷却管与冷却水间换热功率为：

其中，T_均水＝30℃，Pr₂＝5.42，λ＝0.618W/(m·K)，ν_f＝0.805×10^-6m²/s；则获得修正校正结果为：

P₂≈22824.9452639778W≈22.8249452KW

第二步、根据各部件温度设置值计算金属保护壳与周围环境间换热功率为：

其中，定性温度取37.5℃，得Pr＝0.700，格拉晓夫数计算式中的ν_a＝16.24×10^{- 6}m²/s，体胀系数取

通过体胀系数获得(Gr·Pr)_m≈1.798×10⁴，属于层流，此时C＝0.59；n＝0.25；取λ＝2.70×10^-2W/(m·℃)，则有：P₆≈0.652W；

第三步、根据各部件温度设置值计算铝熔体与工具杆、变幅杆及前盖板间换热功率为：

分别取λ_Ti＝19.9W/(m·℃)、λ₄₅＝43.1W/(m·℃)、λ₇₀₇₅＝165W/(m·℃)为工具杆、变幅杆、前盖板的热导率；代数计算求得P₈＝69.35W；

第四步、根据各部件温度设置值计算铝熔体与金属保护壳间换热功率：

式中的C₁、C₂分别为铝熔体与金属保护壳的辐射系数，取C₁＝212W/(m²·K⁴)；C₂＝εC_b；将其他数据直接代入计算得出P₁₀≈3.17W。

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校正计算及修正方法，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，该方法为铝熔体复合除气装置中超声换能器的冷却系统的设计提供了理论依据。

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校正计算及修正方法，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。所述换热功率校正计算及修正方法包括：

步骤一、首先分别计算获得冷却系统各换热过程功率的计算式，所述各换热过程功率包括：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，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，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和热流方向从铝熔体流向金属保护壳过程的换热功率P₁₀；

步骤二、分别确定冷却系统各部分的温度；所述各部分温度包括冷却管温度、冷却水温度、换能器温度、金属保护壳温度及周围环境温度；

步骤三、根据步骤二获得的冷却管温度、冷却水温度、换能器温度、金属保护壳温度及周围环境温度确定所述换热功率P₂，换热功率P₆，换热功率P₈和换热功率P₁₀的最终表达形式；

步骤四、设置冷却系统各部件的尺寸数值；

步骤五、对结合所述冷却系统各部件的尺寸数值以及所述最终表达形式，对所述冷却系统各换热过程功率校正修正计算，获得修正后的各换热过程功率。

所述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，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，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和热流方向从铝熔体流向金属保护壳过程的换热功率P₁₀分别表示为：

针对换热功率P₂，当温压超限时，

或

当温压不超限时，

针对换热功率P₆，

针对换热功率P₁₀，

其中，λ为平壁的热导率；l表示冷却管管长度；T_W为管壁温度；Re_f表示雷诺数；d₀表示冷却管管内径；R₀表示螺旋管曲率半径；Pr_f表示以平均温度为定性温度的普朗特数；μ_f表示以平均温度为定性温度时的动力粘度；μ_W表示以管壁温度为定性温度时的动力粘度；ω为流体流速；υ_f表示温压不超限时的运动粘度；T为平均温度，T＝(T_f+T_W)/2，T_f为远离管壁的流体温度；υ_a表示表示温压超限时的运动粘度；g为重力加速度；H为竖圆柱或竖平板高度；n为常数；α为体积膨胀系；H_S表示金属保护壳的长度；C_b为材料的灰体辐射系数；ε为材料的黑度；R_S表示金属保护壳的外表面半径；ΔT为温度差；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，C_b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；φ表示有角系数；r_s表示金属保护壳内表面半径。

所述冷却管温度、冷却水温度、换能器温度、金属保护壳温度及周围环境温度具体设置为：

冷却管温度设置为40℃，记为T₀；

换能器温度设置为45℃，记为T_P；

冷却水温度设置为30℃，记为T_均水；

金属保护壳温度为设置为37℃，记为T_S；

周围环境温度为设置为35℃，记为T_r。

步骤三所述最终表达形式分别为：

换热过程P₂中，层流情况，换热功率P₂计算式：

换热过程P₂中，湍流情况，温压不超限，换热功率P₂计算式：

换热过程P₂中，湍流情况，温压超限，换热功率P₂计算式：

换热过程P₆

换热过程P₈

其中，R_工表示工具杆的半径；r₀表示超声系统中间孔孔径；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；T_L、T_P和T_S分别表示为铝熔体温度、换能器温度和金属保护壳温度；λ_Ti、λ₄₅、λ₇₀₇₅分别为钛合金、45号钢、7075铝合金的热导率；

换热过程P₁₀

步骤四所述设置冷却系统各部件的尺寸数值为：

步骤1、设置冷却管材质为铜，壁厚0.5mm，内径d₀＝9mm，外径d₀’＝10mm；螺旋曲率半径为R₀＝40mm；被冷却元件换能器的纵向尺寸为41mm；

步骤2，确定定性温度取水的平均温度T_均水，当为25℃时，ν＝0.9055×10^-6m²/s，

此时，设置ω＝2m/s；

步骤3、根据管长l计算式设置管长，管长l计算式为：

获得l≈1005.51mm≈1.01m；

步骤4、将其余参数具体设置为：R_S＝0.05m；r_S＝0.045m；H_S＝0.022m；金属保护壳材料选择为钢，表面黑度取ε＝0.07；R_L＝0.3m。

步骤五所述各换热过程功率校正修正计算的具体过程包括：

第一步、根据各部件温度设置值计算冷却管与冷却水间换热功率为：

其中，T_均水＝30℃，Pr₂＝5.42，λ＝0.618W/(m·K)，ν_f＝0.805×10^-6m²/s；则获得修正校正结果为：

P₂≈22824.9452639778W≈22.8249452KW

第二步、根据各部件温度设置值计算金属保护壳与周围环境间换热功率为：

其中，定性温度取37.5℃，得Pr＝0.700，格拉晓夫数计算式中的ν_a＝16.24×10^{- 6}m²/s，体胀系数取

通过体胀系数获得(Gr·Pr)_m≈1.798×10⁴，属于层流，此时C＝0.59；n＝0.25；取λ＝2.70×10^-2W/(m·℃)，则有：P₆≈0.652W；

第三步、根据各部件温度设置值计算铝熔体与工具杆、变幅杆及前盖板间换热功率为：

分别取λ_Ti＝19.9W/(m·℃)、λ₄₅＝43.1W/(m·℃)、λ₇₀₇₅＝165W/(m·℃)为工具杆、变幅杆、前盖板的热导率；代数计算求得P₈＝69.35W；

第四步、根据各部件温度设置值计算铝熔体与金属保护壳间换热功率：

式中的C₁、C₂分别为铝熔体与金属保护壳的辐射系数，取C₁＝212W/(m²·K⁴)；C₂＝εC_b；将其他数据直接代入计算得出P₁₀≈3.17W。

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 (5)

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校正计算及修正方法，其特征在于，所述换热功率校正计算及修正方法包括：

步骤一、首先分别计算获得冷却系统各换热过程功率的计算式，所述各换热过程功率包括：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，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，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和热流方向从铝熔体流向金属保护壳过程的换热功率P₁₀；

步骤二、分别确定冷却系统各部分的温度；所述各部分温度包括冷却管温度、冷却水温度、换能器温度、金属保护壳温度及周围环境温度；

步骤三、根据步骤二获得的冷却管温度、冷却水温度、换能器温度、金属保护壳温度及周围环境温度确定所述换热功率P₂，换热功率P₆，换热功率P₈和换热功率P₁₀的最终表达形式；

步骤四、设置冷却系统各部件的尺寸数值；

步骤五、对结合所述冷却系统各部件的尺寸数值以及所述最终表达形式，对所述冷却系统各换热过程功率校正修正计算，获得修正后的各换热过程功率；

所述冷却管温度、冷却水温度、换能器温度、金属保护壳温度及周围环境温度具体设置为：

冷却管温度设置为40℃，记为T₀；

换能器温度设置为45℃，记为T_P；

冷却水温度设置为30℃，记为T_均水；

金属保护壳温度为设置为37℃，记为T_S；

周围环境温度为设置为35℃，记为T_r。

2.根据权利要求1所述换热功率校正计算及修正方法，其特征在于，所述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，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，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和热流方向从铝熔体流向金属保护壳过程的换热功率P₁₀分别表示为：

针对换热功率P₂，当温压超限时，

或

当温压不超限时，

针对换热功率P₆，

针对换热功率P₁₀，

其中，λ为平壁的热导率；l表示冷却管管长度；T_W为管壁温度；Re_f表示雷诺数；d₀表示冷却管管内径；R₀表示螺旋管曲率半径；Pr_f表示以平均温度为定性温度的普朗特数；μ_f表示以平均温度为定性温度时的动力粘度；μ_W表示以管壁温度为定性温度时的动力粘度；ω为流体流速；υ_f表示温压不超限时的运动粘度；T为平均温度，T＝(T_f+T_W)/2，T_f为远离管壁的流体温度；υ_a表示表示温压超限时的运动粘度；g为重力加速度；H为竖圆柱或竖平板高度；n为常数；α为体积膨胀系；H_S表示金属保护壳的长度；C_b为材料的灰体辐射系数；ε为材料的黑度；R_S表示金属保护壳的外表面半径；ΔT为温度差；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，C_b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；φ表示有角系数；r_s表示金属保护壳内表面半径。

3.根据权利要求2所述换热功率校正计算及修正方法，其特征在于步骤三所述最终表达形式分别为：

换热过程P₂中，层流情况，换热功率P₂计算式：

换热过程P₂中，湍流情况，温压不超限，换热功率P₂计算式：

换热过程P₂中，湍流情况，温压超限，换热功率P₂计算式：

换热过程P₆

换热过程P₈

其中，R_工表示工具杆的半径；r₀表示超声系统中间孔孔径；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；T_L、T_P和T_S分别表示为铝熔体温度、换能器温度和金属保护壳温度；λ_Ti、λ₄₅、λ₇₀₇₅分别为钛合金、45号钢、7075铝合金的热导率；

换热过程P₁₀

4.根据权利要求3所述换热功率校正计算及修正方法，其特征在于，步骤四所述设置冷却系统各部件的尺寸数值为：

步骤1、设置冷却管材质为铜，壁厚0.5mm，内径d₀＝9mm，外径d₀’＝10mm；螺旋曲率半径为R₀＝40mm；被冷却元件换能器的纵向尺寸为41mm；

步骤2，确定定性温度取水的平均温度T_均水，当为25℃时，ν＝0.9055×10^-6m²/s，

此时，设置ω＝2m/s；

步骤3、根据管长l计算式设置管长，管长l计算式为：

获得l≈1005.51mm≈1.01m；

步骤4、将其余参数具体设置为：R_S＝0.05m；r_S＝0.045m；H_S＝0.022m；金属保护壳材料选择为钢，表面黑度取ε＝0.07；R_L＝0.3m。

5.根据权利要求4所述换热功率校正计算及修正方法，其特征在于，步骤五所述各换热过程功率校正修正计算的具体过程包括：

第一步、根据各部件温度设置值计算冷却管与冷却水间换热功率为：

其中，T_均水＝30℃，Pr₂＝5.42，λ＝0.618W/(m·K)，ν_f＝0.805×10^-6m²/s；则获得修正校正结果为：

P₂≈22824.9452639778 W≈22.8249452KW

第二步、根据各部件温度设置值计算金属保护壳与周围环境间换热功率为：

其中，定性温度取37.5℃，得Pr＝0.700，格拉晓夫数计算式中的ν_a＝16.24×10^-6m²/s，体胀系数取

通过体胀系数获得(Gr·Pr)_m≈1.798×10⁴，属于层流，此时C＝0.59；n＝0.25；取λ＝2.70×10^-2W/(m·℃)，则有：P₆≈0.652W；

第三步、根据各部件温度设置值计算铝熔体与工具杆、变幅杆及前盖板间换热功率为：

分别取λ_Ti＝19.9W/(m·℃)、λ₄₅＝43.1W/(m·℃)、λ₇₀₇₅＝165W/(m·℃)为工具杆、变幅杆、前盖板的热导率；代数计算求得P₈＝69.35W；

第四步、根据各部件温度设置值计算铝熔体与金属保护壳间换热功率：

式中的C₁、C₂分别为铝熔体与金属保护壳的辐射系数，取C₁＝212W/(m²·K⁴)；C₂＝εC_b；

将其他数据直接代入计算得出P₁₀≈3.17W。

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