喷雾冷却

喷雾冷却（精选4篇）

喷雾冷却 篇1

0引言

近年来, 工业生产过程使用大量切削液, 使得处理切削液的费用占到了零件总加工成本的14%~17%, 切削液还会直接污染车间环境、危害工人健康。本系统利用压缩气体和液体作为冷却介质, 解决了切削液的污染问题, 在提倡绿色环保的今天, 推广喷雾冷却系统具有重要的现实意义。

1 冷却系统整体设计

喷雾实验装置总体结构如图1所示。温度控制器可以根据建工需要事先设置相关需控制的温度, 再由温度传感器采集相关加工工件的温度, 将温度传输给温度控制器, 温度控制器将设置温度和采集温度进行比较, 根据模糊控制规则, 由温度控制器输出相应的控制量分别对气体流量和液体流量进行相应配比, 气体和液体在雾化喷头处进行混合喷出。模糊控制器的优点是不需要对相关的控制环节有太精确的把控, 在整个过程中可以实时根据温度传感器的信号来改变相应的输出变量, 使得工件可以在一个稳定的加工环境中进行加工, 既提高了加工的精度, 也解决了加工过程中温度变化引起的应力集中温度问题。同时使用的冷却介质都是无污染的气体和液体, 也解决了切削液的处理问题。

2 硬件设计

整个系统设计的重点是温度控制的实现。该控制器设计了键盘输入, 可以通过键盘输入加工过程中需要的恒定温度并显示, 加工过程中由温度传感器 (热电偶) 来进行工件温度的实时采集, 并由A/D转化成数字信号交由单片机处理;单片机将采集信号和输入信号进行对比, 再结合模糊控制规则, 将偏差值和偏差变化量进行量化、模糊化, 经过推理得出所需要的输出变量;D/A的作用是将输出的变量转换成模拟控制量, 再经由触发电路和功率调节装置进行相应的放大, 去控制气体和液体比例电磁阀的输出。该系统还设置了环境温度的采集, 主要作用是进行相应的温度补偿, 让该系统可以适应更多的环境。温度控制器系统设计框图如图2所示。

3 模糊温度控制器算法设计

模糊控制不局限于系统输入和输出量是对应的确切的数学关系, 它的设计可以利用设计者的经验来描述输入和输出, 同时在过程之中可以根据控制规则改变输入和输出的关系, 令整个系统达到最优化。这也使得模糊控制器的设计不能用数学来解析模型。控制器算法的设计主要分为4个步骤:模糊控制器结构的确定、相关参数的模糊化处理、模糊规则的建立、最终输出量的反模糊化输出。

3.1 模糊控制器结构确定

模糊控制的结构主要根据系统的设计要求来确定, 这也是模糊控制器的灵活之处。采集温度和输入温度的对比得到偏差信号E, 再根据前后偏差信号的对比可以得出偏差变化量EC。根据两个值确定该系统可以采用二维模糊控制器结构。

3.2 系统参数模糊化处理

根据温度控制器根据设计要求, 偏差e基本论域初设为[-12, 12], 由于升温速率不快, 偏差变化ec基本论域为[-12, 12];模糊论域参考Mamdani模糊控制理论, 模糊论域E和EC统一设为[-6, 6], U设为[-6, 6];量化因子为Ke=6/12=1/2, Kec=6/12=1/2。模糊论域E、EC、U分别具有一定的变化范围, 将该变化范围分别定义为模糊集上的论域, 可以定义为13个等级:

3.3 模糊规则建立

根据模糊控制系统的建立方法, 采用语言描述的形式, 输出及输入的模糊子集的描述分别为:

根据模糊规则可以将偏差E和EC分成两头大、中间小, 考虑温度偏差大时可以快速逼近设定值, 偏差较小时可以使控制效果变得精确、细腻;同时采用三角形和梯形函数, 便于离线计算。输出U采用Z型和S型函数, 使得输出数据过渡变得平滑。

3.4 模糊控制规则表确定

确定模糊控制规则表时只需要调整相关参数, 使得系统输出响应的动静态性能达到最佳即可, 这也是模糊控制的特点之一, 可以由设计人员根据经验得出。根据系统输出相应关系, 利用偏差和偏差变化趋势调节, 可推出控制过程的所有控制规则如表1所示。

3.5 输出量的反模糊化

采用Mamdani模糊控制方法来设计本文的模糊温度控制器, 确定了它的量化因子、模糊规则、隶属函数、比例因子等相关参数, 通过模糊推理, 最终计算出相应的输出量, 得出模糊温度控制器最终的输入、输出关系表 (表2) 。

4模糊温度控制器的软件设计

系统软件设计主要包括6个模块:单片机系统初始化模块、所需温度的输入模块、加工工件的温度采集模块、相关温度值的处理模块、环境温度采集模块和模糊控制算法模块。6个模块整合在一起的系统流程如图3所示。

5 结语

本文运用模糊控制作为控制方式, 以单片机作为核心控制芯片, 设计了模糊温度控制器。通过MATLAB/Simulink平台对模糊控制系统的稳定性进行了分析, 也验证了模糊规则设计的实用性与合理性。

参考文献

[1]任家隆.切削中的绿色冷却技术[J].机械工艺师, 2001 (8) :34, 51.

[2]彭跃湘, 胡佳英.切削加工中喷雾冷却的应用[J].新技术新工艺, 2006 (6) :21-22.

[3]石辛民, 郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京:清华大学出版社, 北京交通大学出版社, 2008.

[4]刘曙光, 魏俊民, 竺志超.模糊控制技术[M].北京:中国纺织出版社, 2001.

[5]王鸣.基于模糊控制理论的一种PID参数自整定控制器的设计与仿真[J].自动化与仪器仪表, 2000 (1) :14-17.

喷雾冷却 篇2

目前对喷雾冷却技术的研究,多集中在平面和微结构表面。如Isachenko[1]曾对垂直平板在单相区喷雾冷却的换热特性进行过研究,而Karwa[2]则研究了水平平板在低流量下喷雾冷却的换热特性。Eric A. Silk[3—6]通过大量实验,对方肋、塔肋、直肋、多微孔等微结构表面进行了全面地对比研究,随后Johnathan S. Coursey等人[7]又继续深入,研究了加热面温度同柱肋结构深度的影响。而对圆柱形表面研究的较少,并且研究的内容也存在较大的差异。S. S. Yoon等人[8]对静止的圆柱体进行喷雾,研究了壁面温度对撞击壁面后雾滴的分布和速度的影响。Re DA I. Elghnam[9]则研究了高温圆柱体在空气中静止和转动时周围空气的温度场、流场。Masoumeh Jafari[10]通过实验和模拟,对滚动的圆柱形罐头进行喷雾冷却,获得了内热物料的冷却过程和温度的变化规律。

本文主要是对喷雾冷却旋转圆筒在单相区中的换热特性进行研究。通过研究外壁温度分布和物料的热流密度变化规律,为实际应用提供指导。

1 实验系统

本实验系统主要由三部分组成: 喷雾系统、加热系统和测量系统。喷雾系统如图1 所示,水桶内装有自来水,实验前放置室内3 h,以令水温与室温持平。实验时,通过微型调压阀调节喷雾的压力以控制喷雾流量。冷却水在冷却圆筒后,滴入圆筒下方的水箱,并最终流入废水桶。

圆筒结构如图2 所示,材质为304 不锈钢,外表面未珩磨,规格 219 mm × 5 mm,轴长105 mm。圆筒两端通过不锈钢直杆与轴承相接,直杆一端空心,用于贯穿导线,另一端与马达连接,带动圆筒旋转。

加热系统: 圆筒内热物料采用弧形高温陶瓷电加热板进行恒温模拟,加热板外有不锈钢表皮保护,与圆筒内壁的有效接触面积为174 × 100 mm2。工作时,加热板温度由温控箱进行控制。温控箱首先利用热电偶采集加热板温度,然后通过继电器对加热板电源进行通断控制,最高温度可达到1000 ℃ 左右。为减少加热板非接触面的散热,在加热板上方铺设有保温棉。在圆筒旋转时,加热板在筒内做一定范围的往复运动,约15°左右,如图3( a) 所示。

测量系统包含温度测量系统和电功率测量系统。实验采用Raytek激光测温仪进行温度采集,实验前利用热电偶进行标定。采集点分布如图3 所示: 圆周上共设立8 个采集位置,两两间隔45°。每处采集点的温度为沿圆筒轴向3 点温度的平均值,见图3( b) 。电功率测量是在加热板电路中串联电流表。工作时,系统采用220 V标准电压,通过能量守恒,可以计算得到系统换热功率。

实验采用实心锥型低压精细雾化喷嘴,如图4( a) 所示。喷嘴口径0. 3 mm,雾化粒径约50 μm,喷雾全角为45° 左右,喷雾效果见图4 ( b) 。根据Mudaward等人[11,12]的研究,喷雾冷却时,当喷雾高度刚好覆盖或内切换热面时,换热效果最佳,本实验的喷雾高度皆选在喷雾面刚好内切圆筒轴长,喷雾效果如图4( b) 所示。实验环境为标准大气压,温度在20°左右。

2 实验结果与分析

2. 1 物料温度对换热的影响

保持喷雾压力,高度以及转速一定,改变物料的温度,详细参数见表1。工况稳定后,温度延时在10℃ 以内,实验忽略温度延迟的影响。

图5 为未进行喷雾时,圆筒的温度分布曲线图。可以看出,无论物料温度高低,筒外壁平均温度( 8个点的平均值) 都远低于物料的温度,约为30% 左右,这可能是由于物料与圆筒接触面或圆筒自身热阻较大有关,导致热量无法有效传出。此时的散热方式主要以筒壁处的空气对流和系统热辐射为主。随着加热板温度的提高,外壁平均温度显著升高,且在低温时,筒壁温度分布均匀,高温时,均匀性变差,这是由于高温时加热板的传热量增大,而同时空气对流及热辐射的散热强度也增大,导致温差增大。

图6 为喷雾时,圆筒温度的分布状况。由于圆筒表面被液膜覆盖,此时的散热方式主要为外壁的喷雾冷却( 包括液膜对流) ,内壁的空气对流以及系统热辐射。同未喷雾时一样,随着加热板温度升高,外壁平均温度亦显著升高,并且均匀性也变差,此时外壁的平均温度约为物料温度的11% 左右。喷雾时A点到C点温度逐渐升高,C点到D点温度降低,这是由于A点为喷雾直接作用区,外壁面温度低,但由于作用时间短,内壁面温度仍然较高,B、C点处内壁对外壁的导热量大于散热量,所以温度有所回升,但到D点处时,导热量小于散热量,温度开始下降。

2. 2 圆筒转速对换热的影响

保持喷雾压力、高度,物料温度不变,改变圆筒转速,具体参数见表2。

图7 为未喷雾时,筒外壁的温度分布曲线。可见,随转速的提高,圆筒高低温差逐渐减小,温度分布趋向均匀,但外壁的平均温度变化不大,在211 ℃左右。

图8 为喷雾时的温度分布图。转速对整个壁面的温度分布影响较大,转速越大,温度分布越均匀,但外壁的平均温度也基本保持一致,在74 ℃ 左右。图中D点温度较C点温度在转速低时高,而转速高时低,这是因为D点附近存在热源,当转速较慢时,导热较散热占有优势,温度升高,但随着转速增加,热量不能及时传递,温度降低。

2. 3 喷雾流量对换热的影响

保持喷雾高度、圆筒转速、物料温度不变,通过改变喷雾压力来改变喷雾流量。见表3。

图9 为喷雾时筒壁温度随喷雾流量变化的分布图。可以发现,喷雾流量对壁温影响较大,随喷雾流量增大,圆筒外表面平均温度整体呈下降趋势,且下降幅度逐渐的减小。而随着流量的增大,外筒壁温度最低点由D点转到A点,这是由于喷雾作用区的换热强度增大引起。

3 换热量的计算

对于系统的换热量,根据能量守恒,采用输入的电功率进行计算。工作时,加热板的电压恒定U =220 V,电流由电流表读取I,通过记录加热与停止加热的时间,得加热板的电功率为

式中,ton为加热板通电时间,toff为加热板断电时间。

工况稳定时,加热板的热流量与电功率相等。

则加热板的平均热流密度为

式中,Ap为加热板的有效接触面积。

结合实验数据,得到不同参数下物料的热流密度曲线,如图10 所示。图10( a) 为不同加热板温度下,空气冷却( 未喷雾时) 与喷雾冷却的对比。可以看出,无论是喷雾冷却还是空气冷却,加热板的热流密度随加热板温度升高而显著增长,但增长的幅度也随温度的升高而减弱。如喷雾时,物料温度由400 ℃ 升到500 ℃ ,热流密度增长40. 5% ; 而由600℃ 升到700 ℃ 时,热流密度增长34. 5% ; 虽然喷雾时热流密度要高于空气冷却,但总体差距较小,这也是由于筒内或筒体材质热阻较大,热量未能充分传到壁面所致,这表明热量从物料传到筒壁的效率会严重制约冷却机的换热性能。此外温度越高,喷雾冷却较空气冷却的优势越明显。图10( b) 为不同转速下,空气冷却与喷雾冷却的对比。随着转速的提高,空气冷却和喷雾冷却的换热能力都略有提高,但整体影响较小,转速提高1 r·min- 1,热流密度提高不到1% 。图10( c) 为不同喷雾流量下加热板的热流密度。随着流量的增大,热流密度逐渐增大,但增大程度逐渐减小,考虑到消耗的冷却水量,喷雾流量存在一个最优值。

4 结论

( 1) 圆筒冷却机的换热过程按时间顺序可以分成三步: 热量从物料传到筒内壁,从筒内壁传到筒外壁,最后由筒外壁与外界换热,其中前两步严重制约系统的换热性能。

( 2) 随物料温度升高,外壁平均温度显著增长,喷雾的换热效果也会显著增强。未喷雾时外壁的平均温度约为物料温度的30% 左右,喷雾时为11% 左右。温度越高,外壁温度分布的均匀性越差,喷雾的换热优势越突出。

( 3) 圆筒的转速对筒壁温度分布会产生一定的影响。提高转速,物料的热流密度会有所增长,但整体影响不大,平均提升1 r/min时,热流密度提高不到1% 。提高转速也有利于改善筒外壁温度分布的均匀性。

( 4) 提高喷雾流量会提高物料的热流密度,但提高的幅度会逐渐地减小,从冷却水利用效率的角度,喷雾流量存在一个最优值。

参考文献

[1] Isachenko V P,Kushnyrev V I,Gorin S V.Experimental study of heat transfer in cooling of a vertical surface by a liquid spray.Heat Transfer–Soviet Research,1979;11(4):142—145

[2] Karwa N,Kale S R,Subbarao P M V.Experimental study of nonboiling heat transfer from a horizontal surface by water sprays.Experimental Thermal and Fluid Science,2007;32(2):571—579

[3] Silk E A.Investigation of enhanced surface spray cooling.Park:University of Maryland,2006

[4] Silk E A,Kim Jungho,Kiger Ken.Impact of cubic pin finned surface structure geometry upon spray cooling heat transfer.The ASME2005 Heat Transfer Summer Conference,2005

[5] Silk E A,Kim J,Kiger K.Spray cooling trajectory angle impact upon heat flux using a straight finned enhanced surface.The ASME 2005Pacific Rim Technical Conference,2005

[6] Silk E A.Investigation of pore size effect on spray cooling heat transfer with porous tunnels.AIP Conference,2008

[7] Coursey J S,Kim J,Kiger K T.Spray cooling of high aspect ratio open microchannels.Journal of Heat Transfer,2007;129(8):1052—1059

[8] Yoon S S,Des Jardin P E,Presser C,et al.Numerical modeling and experimental measurements of water spray impact and transport over a cylinder.International Journal of Multiphase Flow,2006;32(1):132 —157

[9] Elghnam R I.Experimental and numerical investigation of heat transfer from a heated horizontal cylinder rotating in still air around its axis.Ain Shams Engineering Journal,2014;5(1):177—185

[10] Jafari M.Analysis of heat transfer in spray cooling systems using numerical simulations.Ontario:the University of Windsor,2013

[11] Mudawar I,Estes K A.Optimizing and predicting CHF in spray cooling of a square surface.Journal of Heat Transfer,1996;118(3):672—679

喷雾冷却 篇3

关键词：电牵引采煤机,冷却喷雾系统,流量调节阀

采煤机在井下采煤时，将产生大量的煤尘，同时各主要部件如电机、摇臂、泵箱、变频箱产生很大的热量，必须进行降尘和冷却，以保证采煤机正常工作。采煤机冷却喷雾系统既要降低水量，又要提高喷雾水压力，达到良好的雾化效果，这样优化冷却喷雾系统的配置势在必行。下面以MG500/1280-WD型交流变频电牵引采煤机采煤机为例，对冷却喷雾系统进行了详细分析。

1 MG500/1280-WD型交流变频电牵引采煤机冷却喷雾系统的结构组成

MG500/1280-WD型交流变频电牵引采煤机的喷雾冷却系统主要由反冲洗过滤器、流量调节阀、减压阀、高、低压安全阀、喷雾块、喷嘴、各种接头、管路等组成。其工作原理如系统图所示。

1.1 反冲洗过滤器

反冲洗过滤器有开关功能，泵站来水经过滤器后，将水中杂质留在过滤器网内，每工作3～6小时搬动反冲洗过滤器的手把5次，这样可将滤网杂质颗粒经反冲洗过滤器的排污口排出。保持反冲洗过滤器工作畅通。

1.2 减压阀

为管式联接，铜质壳体防水腐蚀，为可调式阀，出厂调定2.2MPa。

1.3 流量阀

流量阀为可调式，根据现场出水量的要求调整好进水流量。

1.4 安全阀

安全阀压力出厂时调好，高压压力为5.5MPa，低压压力为2.3 MPa。

2 MG500/1280-WD型交流变频电牵引采煤机冷却喷雾系统的工作原理

由工作面喷雾泵来水，经开关式反冲洗过滤器，系统总压力安全阀压力调定为5.5MPa总来水流量表调定为400L/min, 系统共分三路水，在每路都有总的流量调节阀，可以调整该路水的流量大小，这样既节约用水，又使其达到了最佳喷雾效果。一路去左摇臂滚筒内喷雾和左文丘里喷嘴喷出;一路去右摇臂滚筒内喷雾和右文丘里喷嘴喷出，左右文丘里喷嘴前都串一流量调节阀;第三路冷却水进水总流量调定为96L/m in，减压阀压力调定为2.2MPa，旁通冷却安全阀压力2.3MPa，然后分成五个支路，第一支路水去左截割电机串入摇臂壳的冷却水道，经外喷雾喷出，流量可调定;第二支路水是由泵电机串入油箱冷却器再并入左牵引电机经外喷雾喷出;第三支路水去右截割电机串入摇臂壳的冷却水道，经外喷雾喷出;第四支路水通过电控箱冷却水墙到右牵引部后护板处外喷块经喷嘴喷出;第五支路水通过破碎电机冷却后进入破碎摇臂壳的冷却水道，经外喷雾喷出。在左右截割电机、左右牵引电机、破碎电机、泵电机和泵箱冷却水进水处都串接一个流量调节阀，用该流量阀调整好去各处的进水量，在左摇臂截割电机处有一低压安全阀，调定压力2.3MPa，是保护冷却系统各元件的冷却水道安全。水路中有两压力表，可显示来水和减压后冷却水的压力。

所有管路都为高压胶管快速接头。快速接头结构利用O形圈密封，靠U形卡使两者固定，连接方便，密封性能好，使用寿命长。在安装机外管路时，须注意不许损坏O形圈，同时必须有足够的弯曲半径，使高压胶管不蹩卡，做到排列合理、整齐、美观。

3 结语

该冷却喷雾系统采用流量调节阀，各处的冷却喷雾的水流量可根据现场需要进行大小调整，这是以往采煤机所没有的。采煤机总来水和冷却水量通过配置的两块流量表直接显示。外喷雾装有文丘里喷嘴灭尘效果好，是目前国内采煤机冷却喷雾系统进口配置较高较全较先进的系统。该系统在全国各局矿使用，喷雾效果良好, 用户很满意，进而提高了采煤机的性能和市场竞争能力。

参考文献

[1][美]H.E.梅里特.液压控制系统[M].北京:科学出版社, 1976.

喷雾冷却 篇4

地上式钢制储罐发生火灾, 5min内可使罐壁温度升至500℃, 使钢板强度降低一半, 8~10 min后钢板将失去支持能力。储罐发生火灾, 为控制火势, 降低火焰辐射强度, 必须对储罐及时进行水喷淋冷却, 使罐壁温升不超过100℃。关于油品储罐冷却用水量的规定, 国内外规范有所差别, 并且国内三本规范也不尽相同, 这给石化企业冷却设施的设计安装带来困扰。在油罐发生火灾时, 不能正确指导消防队员合理对其进行冷却。

1 各规范对冷却水的规定

1.1《建筑设计防火规范》第8.2.5条对甲、乙、丙类液体储罐的冷却强度和范围做了规定, 见表1

1.2《石油化工企业设计防火规范》第7.3.8条和《石油库设计规范》第12.2.8条对可燃液体地上立式罐应设固定消防冷却水强度的规定见表2。

1.3《石油化工企业设计防火规范》第7.9.3条对液化烃储罐固定消防冷却水系统的用水量单独作出规定:

一、着火罐冷却水供给强度, 不应小于9 L/m i n·m 2;

二、距着火罐1.5倍着火罐直径范围内的邻近罐冷却水供给强度, 不应小于4.5L/m i n·m 2;

1.4《水喷雾灭火系统设计规范》第3.1.2条也对防护冷却强度做了规范:甲乙丙类液体储罐的设计喷雾强度为6 L/min·m 2。

2 冷却水洒水形式[4]

据文献介绍, 冷却水洒水形式主要有三种, 即水雾喷头、淋水管、水幕喷头, 对比见表3。

由上表可以看出, 水幕喷头受外部条件制约最少, 对油罐冷却最有利。而《建筑设计防火规范》、《石油库设计规范》和《石油化工企业设计防火规范》中均未对喷头形式做出明确要求。

而文献经常用来与国内规范冷却水强度做对比的国外规范均为水喷雾强度, 如美国NFPA 15规定控火的喷雾强度为10~2 0 L/m i n·m 2, 针对钢结构防护冷却的强度为10.2 L/min·m2;日本有关法规规定液化石油气储罐及设备的喷雾强度为7 L/min·m2;英国对液化石油气储罐的喷雾强度为10.2 L/min·m2。

水喷雾灭火系统是利用水雾喷头在一定水压下将水流分解成细小水雾滴进行灭火或防护冷却的一种固定灭火系统。相同体积的水以水雾形态喷出时比直射流形态喷出时的表面积大几百倍, 当水雾滴喷射到燃烧表面时, 因换热面积大而会吸收大量的热迅速汽化, 使燃烧物质表面温度迅速降到物质热分解所需要的温度以下, 使热分解中断, 燃烧即终止。由此可见, 文献通常用国外水喷雾的喷射强度来对比国内规范的喷射强度, 有失合理。

3 结论

可燃液体储罐区消防冷却水强度不同的设计规范规定不同, 这样就导致计算出的冷却水的用量不一样, 建议规范统一标准, 此外, 建议国内规范对喷头的洒水形式做出明确规定, 以便于石化企业进行消防设计和消防员的灭火救援。

参考文献

[1]建筑设计防火规范.GB 50016.2006

[2]石油化工企业设计防火规范.GB 50160～2008.

[3]石油库设计规范.GB 50074.2002.

[4]水喷雾灭火系统设计规范.GB 50219～95.