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真空炉气体冷却过程分析及冷却系统设 真空炉气体冷却过程分析及冷却系统设计 杨建川 张 弘 王云霞 王家杰 (沈阳真空技术研究所) Ana ly s is on the Ga ss-coo l in g Procedure of Va cuum Furna ce an d D e s ign of the Coo l in g Sy stem Y an g J ian ch u an , Zh an g H o n g, W an g Y u n x ia, W an g J ia jie (S h eny a n g V a cu um T ech n ology I n s t itu te) A bstra c t T h e va r io u s stage s o f th e ga ss2coo ling p ro cedu re o f vacuum fu rnace a re ana lyzed in th is p a2 p e r, d iscu ss in de ta il th e effec t ive fac to r s and va r io u s da ta, b r ing o u t th e m e tho d to enh ance va r i2 o u s p e rfo rm ance. Som e que st io n s th a t m u st be p a id a t ten t io n to th e de sign o f ga ss2coo ling sy stem a re po in ted o u t. 摘 要 本文分析了气冷真空炉冷却过程的各个环节, 对其影响因素及各个状态参数进行了 较详细的分析讨论, 提出了提高各个环节性能的措施, 指出了气冷系统设计过程中应注意的 一些问题。 关键词: 气冷真空炉 冷却系统 以向炉内回充的气体作为冷却介质的真空炉 (即气冷真空炉) 一直是真空炉中量大面广的 主要产品, 广泛应用于热处理、钎焊、烧结等领域, 其冷却性能也一直受到用户及真空炉研制人 员的关注和探讨, 尤其是热处理用的气淬真空炉的冷却性能更是设备的关键性能指标。气冷真 空炉冷却过程由以下各个环节构成: ①热量由工件内部传向工件表面; ②工件表面向周围冷却 介质 (气体) 传 ( 放) 热; ③气体循环输送热量给 换热器; ④换热器将热量传送到真空炉系统外 面。其示意图如图 1。其中工件内部的传热主要 取决于工件材料的导热系数、表面温度、体积及 表面散热情况, 反映了工件材料的导热、导温特 性, 对真空炉自身的冷却能力无影响。因此真空 炉的冷却能力主要由后三个环节决定。 本文先 对工件内部传热过程作理论上的分析以说明真 图 1 冷却系统示意图 F ig 1. D iag ram o f coo ling sy stem 空炉冷却速度与工件冷却的关系, 然后再对影响真空炉冷却能力的后三个环节作以理论分析 和探讨。 11 工件内部的热量向工件表面的传导, 工件降温及内部温度分布情况 收稿日期 1999206226 邮编 110042 40真空第 5 期工件冷却过程中, 首先是 40 真 空 第 5 期 工件冷却过程中, 首先是表面散热后温度降低, 然后内部热量再传向表面, 这种传热形式 是单一的热传导传热, 但工件内部传热状态比较复杂, 属于不稳定导热, 工件的冷却主要由以 下三方面因素决定: ①与工件表面的综合换 (放) 热系数 Α有关; ②与工件材料的导热系数 Κ有 关; ③与工件体积尺寸有关。 假设工件的体积为 V , 表面积为 F , 则 L = V ?F 是其特征尺寸, ΑL ?Κ= B i 称为“比奥数”, 是工件内、外热阻之比。 当 B i 不同时, 工件内部的温度分布情况也不 同。 当B i ν 1时, 其表面热阻起主要作用, 工件内温差很小, 可认为相同; 当 B i ≥100 时, 内阻起 主要作用, 工件表面温度等于冷却气体温度, 即 T w = T f ; 温差主要分布在工件内部; 当 B i 中等 大小时, 内外热阻同时起作用, 温差在工件内部和表面都有分布。图 2 是不同的 B i 值的温度分 布情况, 图 3 是钢与铜在不同炉温中加热时工件内温度随时间变化分布情况。 T f 为工件的环 境温度。不同的 B i 值表明工件冷却时内外热阻所起的作用不同。在计算冷却时间时也要选用 不同的方法。 图 2 不同 B i 值的温度分布图 F ig 2. T em p e ra tu re d ist r ibu t io n d iag ram a s va r