强制冷却技术的原理与方式

强制冷却技术包括两个方面，即传热学方面和工艺方面。传热学方面，根据传热学原理，热量的传递有三种基本方式，分别为：导热、热对流和热辐射，强制冷却属于对流换热的范畴。工艺方面包括强制冷却系统的结构、工装、介质和参数。

1.强制冷却的传热学方面

强制冷却换热主要是对流换热，而对流换热是指由于流体内部各部分之间发生相对位移而传递热量的现象。根据流体运动产生的原理，对流换热可分为自然对流换热和受迫对流换热两种方式，强制冷却属于受迫对流换热方式。当流体流经壁面的运动是由外界力的作用而引起时，流体与壁面间的对流换热称为受迫对流换热。这里所说的外界力既包括风等的自然界驱动力，也包括人工产生的人工机械力。换热介质为风、水和雾等。对流换热的计算是根据牛顿公式来进行的，即

Q=AαΔt （10⁃54）

式中 Q——对流换热的热流量（W）；

A——壁面换热面积（m²）；

Δt——流体与壁面之间的温度差（℃）；

α——对流换热系数[W/（m²·℃）]。

换热系数α的大小反映了对流换热的强弱，强制冷却就是通过增大换热系数α来提高对流换热的热流量Q，从而提高冷却效果。换热系数α是把影响对流换热的一切因素都考虑在内的一个调节系数，是各种影响因素的函数，这些影响因素包括流体种类、流体速度、温度、热物性值、壁面温度、散热面积、形状和位置等。

1）对流换热现象可以由流体动力学方程和热量传递方程来描述。在动力相似和热相似的条件下，根据分析流体动力学方程（如连续性方程、Navier⁃Stokes方程）、热量传递方程（如流体导热微分方程）和对流换热方程，用相似转换法求得有关相似准则，它们有：Nus⁃selt准则、Prandtl准则、Grashof准则和Reynolde准则。强制冷却多属于管内受迫对流换热，少数情况属于流体外掠散热体的受迫对流换热。

Reynolde准则即为雷诺准则，是以流体运动相似准则为前提，并具有动力相似的特性，也就是说在相似的流场内，流体受着同样种类的力，且对应力的方向相同，各对应力之比值为常数。因此，在流场中各种力与其合力所组成的力的多边形应相似。Reynolde准则为

Re=vl/ν （10⁃55）

式中 v——流体运动速度（m/s）；

l——流体流经的换热区域的距离（m）；

ν——运动数据库功能系数（m²/s）。

Reynolde准则反映了流体流动时惯性力与内摩擦力的相对大小，当Re数大时，说明惯性力作用大，流态往往呈紊流；当Re数小时，说明内摩擦力作用大，流态往往呈层流。所以说，Reynolde准则是一个表征黏性流体运动情况的准则，可以用它来判断流体流动的状态。

Grashof准则考虑了浮力、介质的内摩擦力，根据两者动力相似原理，推导出的Grashof关系式如下：

式中 _η——黏度系数；

ρ₀——流体平均温度为T_m时的密度；

β_T——流体由温度引起的体积膨胀系数；

L——流体流动方向横断面的半宽度；

ΔT——冷壁和热壁之间的温度差。

Grashof准则关系式是一个表征自然对流速度的准则，可以将其看成是水平温差引起的自然对流的驱动力，Gr数的大小反映了自然对流的趋势，Gr数大，则自然对流倾向较大，反之，自然对流的倾向则较小。

Prandtl准则关系式如下：

Pr=ν/α （10⁃57）

式中 ν——运动黏度系数；

α——热扩散率。

Prandtl准则关系式是一个表征流体物性对流体内部温度场影响的准则。Pr数大的流体必定是导温能力弱而黏度大的流体，如油类；Pr数小的流体必定是导温能力强而黏度小的流体，如液态金属。

Nusselt准则关系式如下：

Nu=αl/λ （10⁃58）

式中 λ——热导率[W/（m·℃）]。

Nusselt准则关系式是一个表征放热强度和边界层中温度场之间关系的准则。Nu数的大小反映了一种流体在不同情况下的对流换热的强弱程度。

当换热为管内受迫对流换热时，在一般情况下，对流所伴随的自然对流很小，可以忽略。Gr数即Grashof准则可以不必考虑。因而受迫对流换热的准则函数关系式为

Nu=f（Re，Pr） （10⁃59）

式中 Re——Reynolde准则数；

Pr——Prandtl准则数。

当流体在管内受迫对流换热时的准则方程分为三种情况，见表10⁃1。

表10⁃1 流体在管内受迫对流换热时的准则方程

注：1.下标f表示定性温度为流体的平均温度，下标w表示定性温度为换热面的平均温度。

2.d_e为管道的当量直径。(www.xing528.com)

3.ε_l为管长修正系数，ε_R为曲率修正系数，ε_t为温差修正系数，见表10⁃2。

4.C为与Reynolde准则数相关的修正系数，见表10⁃3。

表10⁃2 ε_l、ε_R和ε_t修正值

（续）

表10⁃3 与Reynolde准则数相关的修正系数C

2）传热系数α可采用准则方程来计算，计算过程分为三步：

第一步，根据对流换热条件正确地选取准则方程式，也就是说要求被选用的准则方程式的应用范围与所研究的对流换热现象相一致。

第二步，根据准则方程式所要求的参数和定性值，查出有关准则的物理量。

第三步，将定形尺寸及有关物理量等代入相应的准则式中，由所选定的准则方程式求得换热系数α。

2.强制冷却的工艺方面

图10⁃7 管长修正系数ε_l值的曲线求解

强制冷却技术的实施需要工艺及其工装来控制和实现。强制冷却工艺设计和计算的内容包括：强制冷却系统的结构和方式、冷却介质、实施程序和工艺参数等。强制冷却工装设计主要是将工艺设计的结果转化成具体的零件或部件，工装设计的内容包括强制冷却系统的结构、尺寸、制造方法和零件的装配组合等。

（1）强制冷却系统的结构和方式 强制冷却系统一般包括冷却器、冷却介质循环系统和冷却介质。冷却器就是与铸件或铸型进行热交换的元件，一般设置在铸型的内表面，与铸件直接接触，或设置在铸型的内部，与铸件之间隔一层挂砂，类似于暗冷铁的作用。冷却器按其设置的位置可分为外置式强制冷却系统和内置式强制冷却系统。外置强制冷却系统的结构如图10⁃8所示，由该图可见，冷却器是由一组热交换元件组成的，见图10⁃8中件6。该冷却系统由图中件1、2、3、4、5和6组成，其冷却介质是水和空气。根据凝固进程先引入空气，然后再引入水。水由系统的顶部引入，见图10⁃8b中标注“注水”字样的箭头所指处。空气由左下图示部位，即左侧底部引入。内置强制冷却系统的结构示意图如图10⁃9所示。强制冷却系统的冷却器、冷却介质循环系统和冷却介质均在图10⁃9中4内，冷却器由一圆柱形钢管构成，其内部是冷却介质循环系统，由两根细钢管引入，形成往复式流动。冷却介质为空气。

（2）冷却介质 一般的冷却介质是水和空气，还包括雾，也就是水与气的混合体。冷却介质的选择取决于铸件需要激冷的热交换强度，热交换强度的不同，所选取的冷却介质也不同。需要较强热交换的情况可选择水作为冷却介质，需要一般强度的热交换情况可选空气作为冷却介质，介于两者之间的情况，可选雾作为冷却介质。

图10⁃8 外置式强制冷却系统示意图

1—空气导入管 2—压力表 3—阀门 4—预备空气导入管 5—抽水管 6—冷却器 7—铸件（砧座） 8—冒口

图10⁃9 内置式强制冷却系统示意图

1—钢质外壳 2—支架 3—排气道 4—冷却器 5—外芯 6—排气过渡装置 7—铸件外轮廓

（3）雾的生成 需要一定的装置将水和空气生成雾，雾化装置一般由以下几部分构成：水入口、空气入口、混合室、扩散室和喷嘴等。图10⁃10所示为典型的雾化装置。

（4）多喷嘴阵列式强制冷却 以上是单喷嘴的强制冷却情况，对于强制冷却面积比较大的情况，可以采用多喷嘴阵列式强制冷却方式进行。对于四喷嘴阵列式强制冷却，其强冷换热界面处的换热系数由下式计算：

h_c⁃4=0.2284+0.2141ρ_lc_pQ+0.003812QΔT_s （10⁃60）

式中 h_c⁃4——四喷嘴阵列换热系数；

ρ_l——液体密度；

c_p——液体比热容；

Q——喷雾体积流量；

ΔT_s——冷却表面过热度。

图10⁃11所示为一种多喷嘴阵列式强制冷却装置及冷却表面的情况。影响喷雾冷却系统换热性能的因素很多，其中的关键因素有：冷却剂性质、介质流量、喷嘴高度和倾斜角度、热源表面特性和液滴特性等。冷却的强度可以由质量流量、喷嘴入口压力和喷雾腔压力等因素的增加而改善，而热源表面的温度均匀性只能由大的质量流量和高的喷嘴入口压力加以改善。图10⁃11所示的三种散热情况中，散热面水平向上时的强制冷却效果最差，散热面垂直于重力方向的情况次之，散热面水平向下的强制冷却效果最好。

图10⁃10 雾化装置

1—空气入口 2—水入口 3—混合室 4—收缩室 5—混合喉管段 6—扩散段 7—嘴体 8—喷雾出口 9—喷头

（5）强制冷却的实施程序和工艺参数 实施程序是指根据凝固进程而改变的控制强制冷却程度的程序，是与工艺参数密切相关的。当冷却介质为单介质时，通过介质的压力和流量来调控；当冷却介质为双介质时，除对压力和流量进行调节，还要控制介质的比例和转换；当冷却介质为水雾时，除了要控制介质的流量，还需要控制水雾中水分的含量。工艺参数就是冷却介质喷出前的压力和喷射流量，还包括总的冷却时间和每种冷却介质相应的冷却时间。

图10⁃11 多喷嘴阵列式强制冷却装置及冷却表面的情况

a）散热面水平向上 b）散热面水平向下 c）散热面垂直

（6）强制冷却系统的工装 强制冷却系统中各个组成部分和相应的辅助设施均需要一定的零件和材料制造而成，那么这一零件和材料体系就是强制冷却系统的工装。通过强制冷却的工艺设计我们得到了系统的结构、形状和大小，而工装设计就是将这些要素以及相关的辅助设施进行再设计，确定相关的制造方法和工艺流程。具体地说，工装设计包括冷却器、冷却介质循环部分和冷却介质导入部分的零件设计和制造工艺设计，还包括强制冷却系统与其他结构的相互联系，如支架、固定装置等。