摘要：实验研究了强风气垫冲击射流加热铝合金薄板的对流换热特性。基于集总热容法计算表面对流换热系数，获得射流速度42 m/s～68 m/s(压力0.4 kPa～1.0 kPa)的表面对流换热系数与铝板温度关系。对于厚度为3 mm的薄板，若要实现工业气垫炉加热所需的4.5℃/s的加热速率，其表面平均对流换热系数应大于231 W/(m2·K)，雷诺数Re要大于17 138。利用实验数据的回归处理及最小二乘法，建立了强风气垫射流加热过程的平均对流换热准数方程，与实验数据比较，该准数方程与实验结果吻合良好，误差小于4.5%。
关键词：射流冲击加热；气垫炉；热处理；对流换热系数；准数方程
强风气垫加热装置，也称气垫炉，是国外开发成功的一种薄板带加热设备[1]，具有温控精度高、板带生产效率高、表面质量优异、加热速度快(对于0.3 mm～3 mm的铝合金薄板，加热速度可达4.5℃/s～18℃/s)的特点，能充分满足汽车、航空用途的大规格高性能铝合金板带材的快速、高质量热处理需要[2-4]。目前国内西南铝业、南山铝业、南南铝业等多家铝合金加工企业都引进了该设备[5-7]。但国内针对相关技术的研究还不充分，还没有自主开发出气垫炉产业化应用的实例。为使其能在我国高性能铝合金板带工艺优化和产品开发中发挥作用，形成我国自主的强风气垫射流加热技术，有必要对强风气垫加热装置的换热系数及换热特性予以研究。
1 强风气垫射流加热过程的对流换热
1.1 强风气垫射流加热铝板的换热机制
强风气垫射流加热技术是通过气垫喷箱在带材表面形成一层高于环境压力的高温气层，使得板带稳定在一定的高度，如图1所示。其传热过程是一定压力的高速高温气流通过圆形或窄缝形喷嘴垂直(或一定倾角)喷向带材表面[8]，破坏物料表面的热附面层，使对流传热系数增大，强化传热。因此其具有射流冲击换热的特性。
图1 铝合金带材在气垫喷嘴作用下漂浮示意图
Fig.1 Schematic diagram of the aluminum alloy strip under the action of the air cushion nozzle
1.2 对流换热系数的求解计算
换热系数是评价换热能力的重要参数之一，由于其影响因素较多，如流体的物理特性、流速、工件壁面的形状以及布置、材料的热导率等参数，因此它的测量和计算非常困难。对流换热系数测定的方法大致分为两种[9-13]：一种是量纲分析法；另一种是基于牛顿冷却(或加热)公式直接测定，利用温度变化曲线反计算换热系数，使用反传热法或集总热容法。集总热容法假定工件中的温度梯度很小，适用于分析毕渥数Bi<0.1时的情况。毕渥数的计算式如式(1)所示。
Bi=
(1)
式中：
h—换热系数，W/(m2·K)；
δ—铝板的1/2厚度，m；
λ—铝板的热导率，W/(m·K)。
强风气垫射流加热装置是用于加热铝合金薄板的设备，加热的铝板带厚度在6 mm以下。铝合金的热导率180 W/(m·K)，气体射流冲击加热的对流换热系数小于1 000 W/(m2·K)，所以强风气垫射流加热的铝板的毕渥数Bi远小于0.1，可以采用集总热容法分析。由式(2)计算热流密度q
q=-2ρ·c·δ
(2)
式中：
ρ—铝带板密度，kg/m3；
c—铝带板比热容，J/(kg·K)；
δ—铝带板厚度，mm；
—铝带板升温速度，K/s。
由牛顿冷却公式计算表面对流换热系数h：
h=
(3)
式中：
tf—射流温度，K；
tw—铝带板表面温度，K。
由此可以求解在不同射流温度和射流速度下的铝带板表面对流换热系数。
1.3 对流换热准数方程
对流传热的换热量与对流换热系数、换热面积以及温差有关。暂定面积和温差不变，增大对流换热量的手段就是增大对流换热系数h。气体射流冲击换热对流换热系数h与射流速度u，流体的热导率λ，流体的运动黏度ν，流体密度ρ，喷嘴距铝板表面距离z，喷嘴直径d，喷嘴间距S，喷嘴布置形式等因素有关[14-16]，即
h=f(u,λ,ν,ρ,z,d,S)
对流换热系数h也可用努塞尔数Nu数表征，Nu数与表面对流换热系数h满足如下关系
Nu=
(4)
喷嘴出口Re数为
Re=
本研究不改变实验炉的结构参数，不考虑喷嘴距铝板表面距离、喷嘴直径、喷嘴间距、喷嘴布置形式等结构因素对换热特性的影响，只研究在不同射流温度下，射流速度(用集气室压强表征)对换热特性的影响规律。借助量纲分析法将参数方程转化为以下的准数方程
Nu=f(Re,Pr)
在对流传热的研究中，通常将平均努赛尔数与雷诺数之间的关系表达成幂函数的形式[14]。即
(5)
式中：
努赛尔平均数；
Pr—普朗特数；
n—常数；
m—常数。
2 实验装置及方案
图2为高温气体射流冲击加热铝合金板所使用实验装置示意图。厚度3 mm×宽度320 mm×长度520 mm的铝合金板由机械手夹持，风速调节通过集气室压力调节来实现。实验流程为：先将加热炉升温，达到设定温度保温，然后用机械手夹持铝合金板置于两喷嘴中间(两喷嘴表面距离200 mm)，进行高温气体射流冲击加热，加热到设定温度后，用机械手将铝合金薄板转移至冷却炉进行常温气体射流冲击冷却。铝板表面温度低于50℃时，停止数据记录，将数据导出保存。
图2 实验装置示意图
Fig.2 Schematic diagram of the experimental devices
图3为喷嘴的布置及尺寸。
测温用直径0.3 mm的K型热电偶，热电偶用铆钉铆接于铝板表面，安装位置如图4所示。取三个热电偶测量温度的平均值作为铝板表面温度。
实验过程中射流气体温度为540℃，通过改变集气室压力来调节射流速度，集气室压力分别设为0.4 kPa、0.5 kPa、0.6 kPa、0.7 kPa、0.8 kPa、0.9 kPa、1.0 kPa。只要空气的速度低于约100m/s，就可以忽略其压缩性，当作不可压缩流体来处理。在集气室内外应用伯努利方程[15]，忽略内外高度差，可得如下关系式
+
=
+
式中：
u1—喷嘴出口射流速度，m/s；
u2—集气室内空气流速，m/s；
p1—u1速度下集气室内外压力，Pa；
p2—u2速度下集气室内外压力，Pa；
ρ—空气密度，kg/m3。
图3 喷嘴布置及尺寸
Fig.3 Nozzle arrangement and dimensions
图4 实验板的热电偶安装示意图
Fig.4 Schematic diagram of the thermocouple installation in the experimental plate
流动是保持连续的，于是u2=
u1，A1为喷嘴截面积之和；A2为集气室横截面积。代入伯努利方程得
u1=
(6)
根据公式(6)计算射流速度与集气室压力的关系如图5所示。
图5 射流压力与射流流速及Re的关系
Fig.5 Relationship among jet pressure,jet velocity and Re
3 实验结果与分析
射流速度通过调节集气室压力来调整，集气室压力分别为0.4 kPa、0.5 kPa、0.6 kPa、0.7 kPa、0.8 kPa、0.9 kPa、1.0 kPa条件下的铝板温度随时间的变化如图6所示。
3.1 对流换热系数计算
根据实验测得的数据，根据公式(2)和(3)可以求解在不同射流速度(压力)下的表面对流换热系数。表面对流换热系数随铝板表面温度的变化关系如图7所示。
结果表明，强风射流加热铝合金板带时，铝板表面温度越接近炉气温度，铝板表面对流换热系数越小，并且在450℃～500℃之间有个转折点，该转折点随射流速度(压力)的增加逐渐地接近射流气体的温度。在射流速度在42 m/s～68 m/s(集气室压力0.4 kPa～1.0 kPa)范围内，随着射流速度(压力)增加，气体流量增加，换热更加剧烈，对流换热系数增加。对图7中瞬时对流换热系数进行平均处理，可求得不同流速(压力)下平均对流换热系数如表1所示。
图6 不同条件下测试铝板的升温曲线
Fig.6 Plate temperature under different conditions
图7 测试铝板表面对流换热系数与表面温度关系
Fig.7 Relationship between the convective heat transfer coefficient and the surface temperature of the experimental plate
表1 平均对流换热系数
Table 1 Average convective heat transfer coefficient
3.2 对流换热准数方程计算
利用计算得到的平均表面对流换热，对公式(5)两边取对数，得到如下方程
方程左边
可以根据公式(4)计算，右边Re和Pr均是已知量。采用最小二乘法确定常数C，指数n和m，从而获得高温气体射流加热铝合金薄板的对流换热准数方程，最终得到表达式
根据获得的平均努赛尔数方程可以计算任意射流速度下的平均对流换热系数
表2 平均对流换热系数实验值和计算值对比
Table 2 Comparison of the experimental and calculated values of the average convective heat transfer coefficient
为了验证所求对流换热准数方程的准确性，对0.5 kPa、0.7 kPa和0.9 kPa条件下的实验获得的平均对流换热系数和计算得到的理论换热系数进行对比，见表2，准数方程基本可信。
4 结 论
1)在分析强风气垫射流加热铝合金薄板换热特性的基础上，得到了气垫炉快速加热所需的板带表面换热系数。对于厚度为3 mm的薄板，若要实现工业气垫炉加热所需的4.5℃/s的加热速率，其板带表面平均对流换热系数应大于231 W/(m2·K)，Re要大于17 138。
2)铝合金板强风射流加热实验表明，射流速度在42 m/s～68 m/s(集气室压力0.4 kPa～1.0 kPa)范围内，随着射流速度(压力)增加，板带表面对流换热系数提高。不足之处是由于实验条件所限，未能得到极限对流换热能力。极限对流换热能力对应射流速度超过68 m/s。
3)通过对实验数据的回归处理，获得高温气体射流冲击加热铝合金薄板的平均对流换热准数方程。与实验数据比较，该准数方程与实验结果吻合良好，误差小于4.5%，可以为强风气垫射流加热研究提供支撑。
