磁力吸附电加热器升温曲线实验研究

宋军，白兴，谭文才，闫宏光，姜凯，李宝宽

（1.辽宁海天阁环保科技有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819）

0 引 言

液压泵站是独立的液压动力源装置，它按驱动装置要求供油，并控制油流的方向、压力和流量，它适用于主机与液压装置可分离的各种液压机械。用户只要将液压站与主机上的执行机构（油马达和油缸）通过液压油管相连，液压机械即可实现各种规定的操作［1-2］。广泛用于各个工业领域及汽车制动上。

但在冬季低温条件下，油黏度的增加致使液压站启动困难。为解决该问题，液压站使用电加热管直接加热，但长期实践发现管式电加热存在下列弊端：1）液压油受热不均，有些局部温度过高，而有些局部温度达不到启动要求。2）直接加热，和加热器直接接触的油因为温度过高而过早氧化变质，缩短了液压油的使用寿命，使用成本加大。3）使用油浸式加热管，需要制作加热器的安装孔，工业复杂，且有漏油的隐患，检修加热器时，需要将油全部放出，维护量大，损耗大，对环境污染增加。为了解决上述问题，我们设计了一种新型的电加热设备——磁力吸附电加热器。为了掌握该加热设备的工作特性，本文在理论与实验方面做了如下基础研究。

1 工作原理

磁力吸附式电加热器的实物如图1 所示，内部结构如图2 所示。在工作时，先利用布置在加热器中心的磁铁的磁性，将其吸附在油箱的表面。通电后，利用镶嵌在铝制加热盘内部的发热元件发出的焦耳热，热流通过加热盘增大换热面积，更加有效地加热工件。由于铝的密度小，导热系数高，具有较大的热扩散系数，因此较其他材质有更突出的优势。此外发热盘与工件的接触面经车床处理后产生细小波纹，能够加大接触部分的压强，更加有利于导热。并且在竖直使用时能增加摩擦力，避免滑落。

图1 磁力吸附电加热器外观

图2 磁力吸附电加热器内部结构

2 实验研究

2.1 实验过程

本实验选用如图3 所示的500 mm×400 mm×400 mm的水箱模拟油箱，选用额定功率为500 W 的磁力吸附式电加热器作为加热热源，磁力吸附式加热器的加热位置位于水箱的底部中心。用ADAM4118 型8 点测温仪测量水箱内的温度，通过计算机进行数据采集，并利用VB 自编的程序，每隔1 min 记录一次各个测温点的温度值。本实验采用k 型热电偶测量温度，测温点的分布如图4 所示。为了贴近油箱实际工况，本实验分别研究水体积为10 L、20 L、30 L 时，水箱内的不同位置水温随时间的变化曲线，并测定水温稳定时间。

图3 实验水箱

图4 测温点位置

2.2 实验结果

当水箱内水的体积为10 L、20 L、30 L 时，各个测温点的升温曲线如图5～图7 所示。对于不同容积时，测温点5 的温度曲线，如图8 所示。

图5 体积为10 L 时，各个测点温升曲线

图6 体积为20 L 时，各个测温点温升曲线

图7 体积为30 L 时，各个测温点温升曲线

图8 不同体积下，测温点5 温升曲线

根据实验的升温曲线可知，随着加热器的工作，水的温度缓慢上升，这在一定程度上解决了实际应用中液压油受热不均的问题。在不同体积的实验中，加热到平衡所用的时间增长。通过对比测温点5 的温升曲线可以得出：容积每增加10 L，其平衡时间增加约1 h。这为实际工作提供了参考。由于测温点5 直接布置在水箱与加热器接触面的表面，所以其温度最高，但当系统达到平衡时，其温度不超过70 ℃，因此在实际的工作中不会造成液压油的氧化变质，延长了液压油的使用寿命。

3 理论分析

3.1 验证计算

根据能量守恒定律得出公式

式中：Qs为总加热量；Qloss为热量损失；Qwater+tank为水和水箱升温消耗热量。热量损失包括水箱表面散热和水上表面散热两部分，如下式：

整个系统的热源来自铸铝合金盘中的发热体，稳定工作时额定功率500 W，由于电加热器外壳为金属材质，也有少量热量散失，根据实际情况，取电加热器散热系数k=0.05。则最终传入水箱和水的功率为：（1-k）Ws。表1 为空气自然对流简化式［3］。

表1 空气自然对流简化式

表1 中：h 为对流换热系数，W/（m2·K）；Δt=t-ta，其中t、ta为传热面与环境温度，℃；l 为特征长度，m。电加热器处于水箱底部中心，环境温度25 ℃时，当系统稳定时，水箱底部外表面温度可达60 ℃，水面以下水箱外表面温度可达50 ℃，水面以上水箱内外表面温度40℃，水升温至45℃，忽略辐射换热。由经验公式大致可以得到水箱表面与空气对流换热系数，水箱底部侧表面取平均温度。t1=（25+60）/2=42.5 ℃，l=0.5 m，则ht1=0.61（Δt/l2）1/5=0.61×［（42.5-25÷0.52］1/5=1.43 W/（m2·K）。同理，水面以下水箱侧表面：

水面以上水箱内外表面：

水箱散热损失Wtank=W1+W2+W3。

其中：

则Wtank=W1+W2+W3=3.6+17.96+18.96=40.38 W。

取水表面与空气换热系数为5（W/m2·K），则Wwater-topsurface=hW（t-ta）A=5×（45-25）×（0.4×0.5）=20 W。

总损失Wloss=Wtank+Wwater-topsurface=40.38+20=60.38，Wwater+tank=（1-k）Ws-Wloss=（1-0.05）×500-60.38=414.62W。由于水箱部分与水共同升温，水升温功率可乘系数，得，Wwater=k′Wwater+tank=0.9×414.62=373.158 W。

水升温至45℃，所需热量为Qwater=c·m·Δt=4186×1 000×0.4×0.5×0.2×（45-25）=3.348×106J，所需时间为ζ＝Qwater/Wwater=2.49 h 和实验所测时间比较吻合。

3.2 预测计算

假设冬季启动时环境温度为-30 ℃。液压油加热温度为15 ℃，令油箱内外侧壁温度与液压油相同，液压油比热取1 884 J/（kg·℃），密度取900 kg/m3。油箱底部温度取60 ℃。考虑到环境温度较低电加热器散热系数取0.1。油箱尺寸与上例中水箱尺寸相同。

在油箱底部侧表面，

t1=（-30+60）÷2=15 ℃，l=0.5 m，则ht1=0.61（Δt/l2）1/5=0.61×［（-15+30）÷0.52］1/5=1.72 W/（m2·K）。

在油箱侧表面，t2=（15-30）÷2=-7.5 ℃，ht2=1.42（Δt/l）1/4=1.42×［（-7.5+30）÷0.4］1/4=3.88 W/（m2·K）。

油箱散热损失Wtank=W1+W2。

其中：

W1=ht1（t-ta）A=1.72×（15+30）×0.4×0.5=15.48 W，

W2=ht2（t-ta）A=3.88×（-7.5+30）×（0.4×0.2×2+0.5×0.2×2+0.25×0.4×2+0.25×0.5×2）=70.71 W；则Wtank=W1+W2=15.48+70.71+18.96=86.19 W。

取油表面与空气换热系数为5W/（m2·K），则Woil-topsurface=hW（t-ta）A=5×（-7.5+30）×（0.4×0.5）=22.5 W，总损失Wloss=Wtank+Woil-topsurface=86.19+22.5=109.4 W，Woil+tank=（1-k）Ws-Wloss=（1-0.2）×500-109.4=290.6 W。

由于油箱部分与油共同升温，油升温功率可乘系数k′，即Woil=k′Woil+tank=0.9×290.6=261.54 W。

油升温至15 ℃，所需热量Qoil=c·m·Δt=1884×900×0.03×［（15+60）÷2+30］=3.4×106J，所需时间ζ＝Qoil/Woil=3.6 h。

4 结 论

通过实验测定磁力吸附电加热器温升曲线及理论分析加热过程，得到了以下结论：

1）在实验加热过程中，工质的温度缓慢上升，有效地解决了实际应用中液压油受热不均的问题；工质体积每增加10 L，其平衡时间增加约1 h；加热过程中工质最高温度处不超过70 ℃，不会造成液压油的氧化变质，延长了液压油的使用寿命。

2）理论分析中，通过对10 L 水的验证计算预测了环境温度为-30℃、液压油加热到15℃所需要的时间，即3.6h，为其他工况提供了理论计算依据。

3）设备结构轻巧，易于安装，检修方便，检修时不用放油和停机，检修、生产两不误。该设备中还配备了温控装置，可以根据不同工作条件进行调节，大大提高了设备的安全系数。此外，该设备体积较小，还可以对各种车辆的发动机进行加热，减轻了汽车发动机冬季冷启动时的损伤。预计在未来在加热领域有着更加广泛的应用前景。

［1］ 徐兴友.PLC 在液压站控制系统中的应用［J］.科技创新与应用，2004（4）：144.

［2］ 余军伟.提升机液压站冷却和加热装置设计与应用［J］.煤矿机械，2011，32（11）：22-24.

［3］ 郭茂先.工业电炉［M］.北京：冶金工业出版社，2007.