冷却壁热阻的影响因素分析

杨士冬

摘 要：冷却壁热阻直接影响其传热能力。本文研究管内径、水速及水量对冷却壁热阻影响，为冷却壁设计及使用提供帮助。铸铁冷却壁传热的限制性环节是气隙导热热阻，铸钢冷却壁的是壁体导热热阻，而铜冷却壁的是对流换热热阻。在相同运行水量下，对铸铁和铸钢冷却壁，满足水速达到紊流状态下，尽量加大管径，以降低其总热阻；而铜冷却壁，则适当减小管径、提高水速，以降低其总热阻。

关键词：冷却壁热阻；管内径；水速；水量

中图分类号：TF573.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）06-0053-02

冷却壁热阻含其本体导热和水通道对流换热热阻两部分，前者与其材质、水管内径及制造工艺有关，后者与冷却水速、水量及水压等运行参数有关。本文对上述参数进行理论计算及分析，以期为冷却壁设计及冷却水调控提供帮助。

1 冷却壁热阻计算模型

对于埋管铸造结构的冷却壁，其传热模型的最小单元可简化成单根水管的传热，如图1所示。

稳态条件下，单根水管的一维传热方程式如下所示：

公式（1）

式中：—单根水管的热流量，W；—冷却壁的壁体温度，℃；——冷却水进出口的平均温度，℃；——冷却水到冷却壁体的总传热热阻，℃/W。

总传热热阻R由五个部分构成，分别为：R0：水和冷却通道之间的对流换热热阻；R1：水管管壁的导热热阻；R2：水管外表面的防渗碳涂层导热热阻；R3：水管与壁体之间的气隙导热热阻；R4：水管外包裹壁体的导热热阻R4。其中R0为对流换热热阻范畴，R1～R4为导热热阻范畴。五个分项热阻为串联关系。

由实践可知，冷却壁的传热路径不仅包含壁体热面至水管的传热，还包括壁体侧面和冷面至水管的传热，因此，将单根水管的传热模型简化成多层圆筒壁的传热模型进行求解[1]，计算结果如下所示。

2 管内径对冷却壁热阻的影响

水速为1.8m/s时，三种冷却壁热阻与管内径关系如图2～4所示。由图2～图4可知，随管内径增大，总热阻（R）及各项热阻（R0～R4）均逐渐减小，但趋势变缓。管内径加大，不仅降低导热热阻，也降低对流换热热阻，故对总热阻影响均较大。因此，设计加大管内径，对降低热阻是有好处的。但同时水量增加，运行电费随之增加，需衡量其性价比（冷却效果与运行成本）。

3 水速对冷却壁热阻的影响

管内径或当量内径（铜冷却壁）为58mm，对应钢管规格为Φ70×6mm，三种冷却壁热阻与水速关系如图5～图7所示。由图5～图7可知，随水速增大，仅对流换热热阻R0减小，总热阻（R）也随之减小。另外水速提高，对铜冷却壁总热阻影响较大，对球墨铸铁和铸钢冷却壁影响较小。水速达2.0m/s继续提高时，对球墨铸铁或铸钢冷却壁总热阻降低作用不大，而对铜冷却壁的作用依然较明显。

综合图2～图7可知，总热阻与管内径和水速均成反比的关系。经计算：球墨铸铁冷却壁的气隙热阻（R3）占总热阻R比重最大，为80%左右；铸钢冷却壁的壁体导热热R4占总热阻R比重最大，为60%左右；铜冷却壁对流换热热阻R0占总热阻R比重最大，为80%左右。由此可见，球墨铸铁和铸钢冷却壁传热的限制性环节是导热热阻环节，而铜冷却壁传热的限制性环节是对流换热热阻环节。

4 水量对冷却壁热阻的影响

水量增加方式有两种：加大管径或提高水速，两者均能降低总热阻。在水量不变前提下，如何匹配管内径及水速，以降低总热阻，需进一步计算分析。

维持基准水量（管内径58mm及水速1.8m/s条件下的水量），增大管内径或降低水速，三种冷却壁热阻与管内径关系如图8～10所示。

由图8～10可知，水量不变，管内径增大（伴随水速降低），铸铁和铸钢冷却壁的总热阻（R）逐渐减小，而铜冷却壁则逐渐增大。可见，相同水量下，尽量加大球墨铸铁和铸钢冷却壁管内径，能够降低其总热阻，提高传热能力；而铜冷卻壁则相反。为保证传热效果，以上水速均要满足紊流状态为前提。

5 结语

（1）铸铁（球墨和灰铸铁）冷却壁传热的限制性环节是气隙导热热阻，铸钢冷却壁的是壁体导热热阻，而铜冷却壁的是对流换热热阻。

（2）管内径加大，不仅降低冷却壁的导热热阻，也降低对流换热热阻，故能够降低总热阻。

（3）水速提高只降低对流换热热阻，对铜冷却壁总热阻的影响要大于铸铁和铸钢冷却壁。管内径58mm时，对铸铁或铸钢冷却壁，水速达到2.0m/s左右即可。对铜冷却壁，水速继续提高，仍能一定程度降低总热阻。

（4）在相同运行水量下，对铸铁和铸钢冷却壁，满足水速达到紊流状态下，尽量加大管径，以降低其总热阻；而铜冷却壁，则适当减小管径、提高水速，以降低其总热阻。

（5）需强调，冷却壁传热能力不等同于其冷却能力。冷却能力不仅与传热能力有关，还与传热面积有关。提高冷却能力不仅需提高传热能力，还需要冷却水管密集布置，缩小冷却盲区，即增大比表面积[2]，两者同时具备才能提高其冷却能力。

参考文献

[1]沈颐身，李保卫，等.冶金传输原理基础[M].北京：冶金工业出版社，2003.3.

[2]项钟庸，王筱留，等.高炉设计—炼铁工艺设计理论与实践[M].北京：冶金工业出版社，2009.6.