【专题帖】热处理的节能研究和应用【长期交流帖】

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续：节能改造

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续：

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sangshulee

日本工厂节能90例

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热处理车间设计中节能、节水措施之一
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摘要：热处理车间设计中用热管空冷器取代水冷换热器，应用于淬火介质（水、油、淬火液）冷却、高中频感应加热设备冷却以及热处理设备冷却等，它具有明显节水、节能效果，且易操作、易维修、寿命长、运行安全等特点，具有明显经济效益和社会效益。
1、前言
我国社会随着工农业较快发展，能源问题日益突出，一方面能源缺口加大，另一方面能源利用率低，且浪费严重，节约能源空间很大。甚至有的专家建议节约能源、环境保护应共同列入国家基本国策高度。
我国机械制造业热处理是用电大户，能耗所占比重占企业的25%～30%。全国热处理行业热处理炉约12万台炉子。其中90%是电炉，单位电耗约为800～1000KWh/t，是日本、欧、美的2～3倍。
热处理能源的有效利用，降低能耗空间很大，这是我国热处理工作者迫切任务之一。
热处理节能措施有设备节能、工艺节能、管理节能、一次能源应用（天然气）以及专业化生产等等，而本文仅从热处理车间设计中选用热管空气冷却器取代传统
图1      热管原理图
的原水—油、水—板式换热器、列管式换热器循环冷却系统及冷却塔循环冷却系统，以达到节能、节水（二次能源）目的，可取得明显经济效益和社会效益。
2、设计中选用热管空气冷却器
  2.1      热管原理
热管是一种具有极高导热性的传热元件，它通过全封闭真空导热管内工质的蒸发及凝结来传递热量，管内工质吸热后以蒸发和沸腾的形式变成蒸汽，把热量输送到冷却段，从而实现热量转移（热交换），达到冷却目的，如图1所示。
图2      热管空冷器外形照片
  2.2      热管空气冷却器
把单个热管组成管束，中间有隔板，上段（冷却段）焊有螺旋翅片，以增加散热面，将淬火介质的热量通过管内下段，使工质吸热蒸发成蒸汽，由上段通过鼓风机吹到空气中去；工质蒸汽冷却后又凝固成液体，如此反复循环，以达到使淬火介质冷却目的，图2为热管空气冷却器外形照片。
  2.3      淬火介质冷却上应用
常用淬火介质有水、盐水、淬火液、淬火油，其冷却方法基本相同。一般采用循环水池（油池）、过滤器、循环泵及用水—油、或水—水冷却器（板式或列管式）循环系统，而水—水、水—油冷却器中的冷却水还必须再设一套带冷却塔水冷却系统进行冷却。
这几年由于空气冷却器研制成功，并开始在热处理设备上应用，淬火介质冷却上应用、高中频设备上应用，取得了明显经济效益和社会效益。
我们在热处理车间设计中，已成功采用了空气冷却器，在高中频设备冷却水上使用，淬火油、淬火液冷却中使用。
该冷却系统见图3
图3      带空冷器冷却循环系统示意图
1、淬火槽（水槽或油槽）   2、过滤器         3、油泵或水泵         4、空气冷却器
这套系统，它取消了循环水池或油池，取消了一套带冷却塔冷却水循环系统，其投资有所降低，但其运行成本大大降低，且热管寿命很长，不像水—油换热器经常要清洗，冷却效果随时间而下降，维修困难，清洗困难，企业反映也比较强烈（尤其是淬火油槽冷却）。
选用空冷器后，这些问题均已解决，尤其我国是缺水国家，大部城市均为缺水城市，节约用水，其意义更为重要。在国外工业发达国家上世纪90年代已较普遍采用的技术。
     2.4      高中频设备冷却
高频设备目前国内极大部分高频选电子管高频，过去大部分冷却水使用自来水，由于水质硬度均偏高，使灯式高频振荡管经常要清洗，影响生产，影响使用寿命。近几年开始使用纯净水或软化水，但这必须要采取冷却系统。传统办法是加大循环水池，补充冷却水，或用板式换热器、冷却塔等循环冷却系统。
我们设计中选用高频设备冷却水循环系统，即采用空气冷却器冷却循环系统有二种情况：
a.   高频设备冷却水管直接与高频空气冷却器（有系统产品）连接，就可以。循环水池、水泵均不需要，因这种专用空气冷却器自带一个水箱（100KW高频为0.8m3、60KW为0.6   m3）、水泵。
条件是高频设备与空冷器不能布置太远。直接布置高频间内，空冷器噪音≤70dB（A）
b.   第二种情况，也设水泵房，但水池可大大减小，选不带水箱、水泵高频空冷器，可布置在室外，冷却水自流到水池，由泵将水打到冷却器，再送到高频设备。夏天气温高时（尤其是南方）对冷却器还设喷雾冷却功能，增加冷却能力。
循环系统示意图见图4

图4
1、2      高频设备      3、热水管      4、冷水管         5、水泵         6、水箱         7、空气冷却器
  2.5      其它设备冷却
热处理车间其它设备冷却如真空炉冷却水、电极盐炉电极冷却水、井式电炉风扇及其它冷却水等等均可采用空气冷却器冷却，当然由于热处理车间情况各不相同，冷却塔集中循环冷却系统不可能全部取消，具体情况要具体分析。
3、经济效益分析
以一台炉子按1000kg/h生产能力淬油件为例：
     3.1      采用传统板式换热器循环系统
板式换热器按1000kg/h淬火油件热量计算需11～12t/h冷却水耗量，不能直接排放，要另设带冷却塔冷却水循环系统，即一套冷却油循环系统、一套冷却水循环系统。
电量比较：油泵+水泵电量：～8KW
油泵+鼓风机电量：～6KW
投资比较：油循环系统+水循环系统   7万元
空气冷却循环系统               6万元
水耗量比较：循环冷却用水耗量      ～0.8/h
空冷循环系统                           /
粗略计算      按年负荷      4000h计算
a.   电费：（7-6）×4000   =   4000KWh/年
1KWh按0.8元计   4000×0.8   =   3200元
b.   水费：0.8×4000   =   3200m3/年
1   m3水按3元计      3200×3   =   9600元
c.   维修费：指板式换热器换热片清洗、冷却塔清洗放水，放油及产生停产损失费等
一次维修费按0.3万元计，以一年清洗二次共计   0.6万元
年节费用总计
0.32   +   0.96   +   0.6   =   1.88万元/年
一台炉子生产能力1000kg/h淬油件情况下：
①   使用空冷器节约投资1万元
②   节电：4000KWh/年
③   节水：3200   m3/年
④   年节约运行费：1.88万元/年
另外，由于节电、节水其社会效益更为明显。
5、结束语
2000年至现在，我们在设计中已有几十台空冷器应用于汽车工业、工程机械行业、液压件行业、发动机、柴油机行业、汽车零配件行业等，其效果明显，尤其缺水严重的地区、城市，甚至在原进口设备中将原板式或管式换热器（水—油）改换成空气冷却器，外方认可，效果很好。
这是一种简单，行之有效的节能、节水措施，可以推广。

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热处理节能技术图示

各类热处理所能达到的能量密度及转换效率

类型　　　　　　　　 能量密度（W/cm）　　　　　　　　　　能量转换效率（%）
电阻加热　　　　　　　　 10　　　　　　　　　　　　　　　　 33-34
盐浴，流动粒子加热　　 200 　
感应加热　　　　　　　　 500-1000　　　　　　　　　　　　　　55-90
电子磨加热　　　　 10的8次方-10的8次方　　　　　　　　　　 75-90
激光加热　　　　 10的8次方-10的8次方（最高10的11次方）　　　　7-15

moonstreet75

热处理先进技术的应用与发展趋势的探讨