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摘要：针对锻造行业能耗损失大的问题，提出了利用锻件余热的供热系统设计。以某厂锻造齿轮坯为例，设计了热量回收系统的总体结构，计算了系统的传递热能，每天可将4000L的水加热至40℃，热能回收率可达到44%，具有巨大的社会效益，实现能源二次利用，达到节能减排的作用。
关键字：锻件;余热;导热;节能.
中途分类号：文献识别码：文章编号：
Abstract： Aiming at the problem of large energy loss in the forging industry， a heating system design using the waste heat of forgings is proposed. Taking the forging gear blanks of a certain factory as an example， the overall structure of the heat recovery system was designed， and the transfer heat energy of the system was calculated. It can heat 4000L of water to 40℃ per day， and the heat energy recovery rate can reach 44%， which has huge social benefits. Realize the secondary use of energy and achieve the effect of energy saving and emission reduction.
Keywords： Forging; Waste heat; Heat conduction; Energy saving
0 引言
锻造是压力加工的主要方法之一，是利用外加荷载通过设备和模具使金属毛坯产生塑性变形从而获得有一定尺寸和形状的锻件，同时改善了内部组织，提高了锻件的机械性能。对于负载大、工作条件恶劣的关键零件都要经过锻造，如国防工业、机床制造工业、电力工业、交通运输工业等 [1] 。
为提高锻造毛坯的塑性和流动性，要将毛坯加热到一定温度开始锻造，锻后锻件仍保留相当高的温度，比如45钢的终锻温度为800℃，锻后空冷。从800℃至室温的空冷，消耗的热能占加热热能的30%以上，造成了很大的能量浪费，另外，还会引起大气温度升高，污染空气环境。
因此，锻件余热的回收具有一定的价值。目前，根据余热资源利用过程中能量的传递或转换的特点，可以将工业余热利用技术分为热交换技术、热功转换技术、余热制冷制热技术[2]。
付林[3]研究的热电联产烟气余热回收系统通过回收汽轮机排汽的余热达到了提升热电厂供热能力和能源利用效率;董辉[4]借鉴干熄焦提出的一种变革性烧结余热回收系统，具有余热回收率较高、漏风率低等优点;杨昭[5]利用燃气机热力对冬季建筑进行供暖有了很好的帮助;李素芬[6]利用太陽能辅助地源热泵系统进行供暖;刘玲玲[7，8]等对锻铸车间热处理炉烟气余热利用进行仿真研究;李岩[9]、杨昭[10]对多热源联合热泵余热进行回收，提升了单一余热回收技术的能力，利用水源热泵回收火力发电厂循环水的余热，挖掘低品位热能，能提高电厂的综合能源利用效率 [5，11]。
本研究以某齿轮锻造厂为背景，首先是利用铜管包围锻件，通过热辐射和传导的方式收集锻件余热。其次是在铜管内通入循环水，以对流的方式将水加热，起到回收热能的作用。最后是将热水通入取暖器、淋浴间、厨房等，实现热能的有效利用。
1结构方案设计
1.1 机械部分
图1为锻件的冷却水管布置图。冷却水管的材料为纯铜，铜管外壁直径d=22mm，壁厚δ=1mm。冷却水管卷曲成密布的圆环状，圆环外径为300mm，将圆环套装在锻件输送带上。锻件输送带的宽度为200mm，长度l=3000mm。五条输送带上，均布置冷却水管，五条冷却水管通入地下后，汇聚于一条总水管后导入水箱。为将锻件余热充分传递到冷却水管，控制锻件在输送带上的运动速度，从初始位置到收件箱的运动时间设置为30分钟。
1.2 供水部分
供水系统如图2所示。供水系统的循环泵作用是生成循环水，取走锻件冷却水管吸取的热量，实现对水的持续加热。循环泵的工作与锻造生产同步，即锻造生产时，自来水入水阀门1关闭，循环泵启动。锻造生产停止时，回水阀门3关闭，循环泵停止工作。
水箱内部设置了温度感应器，显示水箱的实际温度。当温度高于40℃时，打开阀门2，给用户供水。当温度低于40℃时，关闭阀门2，对水箱中的水进行加热。
设置了水位自动控制器，图中的a点是水箱的最高水位，c点是最低水位。当水位达到a点时，自动关闭入水阀门1，当水位低于c点时，自动打开入水阀门1。
2理论设计计算
2.1系统传递热能计算
传热功率可根据公式Φ=Δt/（1/Ak）[12] 计算。
式中：A为导热面积，k为传热系数，Δt为流体和物体表面温差。
传热过程[13]分为4个阶段：
1）45钢到空气的对流热换热
A1=246.33cm2，k1=10W/（m2·℃）
2）空气到铜管外壁的对流热换
A2=4164.7cm2，k2=10W/（m2·℃）
3）铜管外壁到内壁的导热
A3=4164.7cm2，k3=λ=380W/（m·℃）
式中：λ为铜管的导热系数，λ=380W/（m·℃）[12，13]。 4）铜管内壁到水的对流换热
A4=3786.1cm2，k4=10000W/（m2·℃）
已知45钢锻造后温度为800℃，假设自来水初始温度为10℃，则锻件和自来水的温差为Δt=790℃。
Φ=Δt/（1/Ak）=790*（1/A1k1+1/A2k2+δ/（A3k3）+1/A4k4）=183.7W。
式中：δ为铜管管壁厚度，δ=1mm。
假设工厂一天工作10小时，则一天生产约1500个零件，零件总重为3000kg。
由Q=Φt算出45钢传至水的热量为4.96×108J。
2.2循环水的温度与数量计算。
根据公式：Q=c·m·Δt。
c为比热容，水的比热容为4.2×103J/（kg·℃）。
假设将水加热至40℃，则Δt=30;带入公式，可以加热的水量m≈4000L的水。
45钢从800℃空冷至室温释放的热量约为11.25×108J。
前面已经计算的循环水吸收的热能为4.96×108J，可计算出本设计的能量回收率为44%。
3 结论
本设计很好的利用了锻造后空冷时的余热，减少了这部分热量的浪费。解決了工厂内热水的供应。可以应用于锻造加工的各类工厂。 本设计每天可回收能源4.96×108J，能源的回收率达到44%。
参考文献
[1] 刘润广.锻造工艺学.哈尔滨工业大学出版社，1992：1-10，18-52
[2] 连红奎，李艳，束光阳子，顾春伟.我国工业余热回收利用技术综述[J].节能技术，2011（02）：123-128
[3]付林，江亿，张世钢.基于Co-ah循环的热电联产集中供热方法[J].清华大学学报（自然科学版），2008（09）：1377-1380
[4] 冯军胜，董辉.烧结矿余热回收竖罐内关键问题研究[J].冶金能源，2017（S2）：34-39
[5] 杨昭，高轶德，张强，李宁.带储能单元的燃气机热泵供暖季运行分析[J].天津大学学报（自然科学与工程技术版），2018（05）：460-465
[6] 李素芬，代兰花，尚妍，东明，端木琳，李祥立.基于不同动态负荷的太阳能辅助地源热泵系统供暖特性研究[J].大连理工大学学报，2015（03）：243-251
[7] 苏见波，秦洪建，姜宗营.铸造工厂空压机站房及余热回用系统设计[J].铸造技术，2018（09）：2062-2064
[8] 刘玲玲，王东霞，李保强，张骞.锻造车间热处理炉二次回收利用系统[J].铸造技术，2017（07）：235-238
[9] 李岩，马懿峰，李文涛.湿冷机组乏汽余热利用的新型热电联产系统集成优化[J].中国电机工程学报，2017（19）：172-129
[10] 杨昭，马常胜，陈贺.多热源联合热泵的性能模拟[J].天津大学学报（自然科学与工程技术版），2017（02）：34-38
[11] 孙天宇，任建兴，张健，王庆阳.水源热泵在火电厂循环水余热利用中的应用[J].汽轮机技术，2014（03）：206-208
[12] 许国良，王晓墨.工程传热学[M].中国电力出版社，2011：1-10
[13] 刘学来，宋永军，金洪文.热工学理论基础[M].中国电力出版社，2004：32-40
关键字：锻件;余热;导热;节能.
中途分类号：文献识别码：文章编号：
Abstract： Aiming at the problem of large energy loss in the forging industry， a heating system design using the waste heat of forgings is proposed. Taking the forging gear blanks of a certain factory as an example， the overall structure of the heat recovery system was designed， and the transfer heat energy of the system was calculated. It can heat 4000L of water to 40℃ per day， and the heat energy recovery rate can reach 44%， which has huge social benefits. Realize the secondary use of energy and achieve the effect of energy saving and emission reduction.
Keywords： Forging; Waste heat; Heat conduction; Energy saving
0 引言
锻造是压力加工的主要方法之一，是利用外加荷载通过设备和模具使金属毛坯产生塑性变形从而获得有一定尺寸和形状的锻件，同时改善了内部组织，提高了锻件的机械性能。对于负载大、工作条件恶劣的关键零件都要经过锻造，如国防工业、机床制造工业、电力工业、交通运输工业等 [1] 。
为提高锻造毛坯的塑性和流动性，要将毛坯加热到一定温度开始锻造，锻后锻件仍保留相当高的温度，比如45钢的终锻温度为800℃，锻后空冷。从800℃至室温的空冷，消耗的热能占加热热能的30%以上，造成了很大的能量浪费，另外，还会引起大气温度升高，污染空气环境。
因此，锻件余热的回收具有一定的价值。目前，根据余热资源利用过程中能量的传递或转换的特点，可以将工业余热利用技术分为热交换技术、热功转换技术、余热制冷制热技术[2]。
付林[3]研究的热电联产烟气余热回收系统通过回收汽轮机排汽的余热达到了提升热电厂供热能力和能源利用效率;董辉[4]借鉴干熄焦提出的一种变革性烧结余热回收系统，具有余热回收率较高、漏风率低等优点;杨昭[5]利用燃气机热力对冬季建筑进行供暖有了很好的帮助;李素芬[6]利用太陽能辅助地源热泵系统进行供暖;刘玲玲[7，8]等对锻铸车间热处理炉烟气余热利用进行仿真研究;李岩[9]、杨昭[10]对多热源联合热泵余热进行回收，提升了单一余热回收技术的能力，利用水源热泵回收火力发电厂循环水的余热，挖掘低品位热能，能提高电厂的综合能源利用效率 [5，11]。
本研究以某齿轮锻造厂为背景，首先是利用铜管包围锻件，通过热辐射和传导的方式收集锻件余热。其次是在铜管内通入循环水，以对流的方式将水加热，起到回收热能的作用。最后是将热水通入取暖器、淋浴间、厨房等，实现热能的有效利用。
1结构方案设计
1.1 机械部分
图1为锻件的冷却水管布置图。冷却水管的材料为纯铜，铜管外壁直径d=22mm，壁厚δ=1mm。冷却水管卷曲成密布的圆环状，圆环外径为300mm，将圆环套装在锻件输送带上。锻件输送带的宽度为200mm，长度l=3000mm。五条输送带上，均布置冷却水管，五条冷却水管通入地下后，汇聚于一条总水管后导入水箱。为将锻件余热充分传递到冷却水管，控制锻件在输送带上的运动速度，从初始位置到收件箱的运动时间设置为30分钟。
1.2 供水部分
供水系统如图2所示。供水系统的循环泵作用是生成循环水，取走锻件冷却水管吸取的热量，实现对水的持续加热。循环泵的工作与锻造生产同步，即锻造生产时，自来水入水阀门1关闭，循环泵启动。锻造生产停止时，回水阀门3关闭，循环泵停止工作。
水箱内部设置了温度感应器，显示水箱的实际温度。当温度高于40℃时，打开阀门2，给用户供水。当温度低于40℃时，关闭阀门2，对水箱中的水进行加热。
设置了水位自动控制器，图中的a点是水箱的最高水位，c点是最低水位。当水位达到a点时，自动关闭入水阀门1，当水位低于c点时，自动打开入水阀门1。
2理论设计计算
2.1系统传递热能计算
传热功率可根据公式Φ=Δt/（1/Ak）[12] 计算。
式中：A为导热面积，k为传热系数，Δt为流体和物体表面温差。
传热过程[13]分为4个阶段：
1）45钢到空气的对流热换热
A1=246.33cm2，k1=10W/（m2·℃）
2）空气到铜管外壁的对流热换
A2=4164.7cm2，k2=10W/（m2·℃）
3）铜管外壁到内壁的导热
A3=4164.7cm2，k3=λ=380W/（m·℃）
式中：λ为铜管的导热系数，λ=380W/（m·℃）[12，13]。 4）铜管内壁到水的对流换热
A4=3786.1cm2，k4=10000W/（m2·℃）
已知45钢锻造后温度为800℃，假设自来水初始温度为10℃，则锻件和自来水的温差为Δt=790℃。
Φ=Δt/（1/Ak）=790*（1/A1k1+1/A2k2+δ/（A3k3）+1/A4k4）=183.7W。
式中：δ为铜管管壁厚度，δ=1mm。
假设工厂一天工作10小时，则一天生产约1500个零件，零件总重为3000kg。
由Q=Φt算出45钢传至水的热量为4.96×108J。
2.2循环水的温度与数量计算。
根据公式：Q=c·m·Δt。
c为比热容，水的比热容为4.2×103J/（kg·℃）。
假设将水加热至40℃，则Δt=30;带入公式，可以加热的水量m≈4000L的水。
45钢从800℃空冷至室温释放的热量约为11.25×108J。
前面已经计算的循环水吸收的热能为4.96×108J，可计算出本设计的能量回收率为44%。
3 结论
本设计很好的利用了锻造后空冷时的余热，减少了这部分热量的浪费。解決了工厂内热水的供应。可以应用于锻造加工的各类工厂。 本设计每天可回收能源4.96×108J，能源的回收率达到44%。
参考文献
[1] 刘润广.锻造工艺学.哈尔滨工业大学出版社，1992：1-10，18-52
[2] 连红奎，李艳，束光阳子，顾春伟.我国工业余热回收利用技术综述[J].节能技术，2011（02）：123-128
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[6] 李素芬，代兰花，尚妍，东明，端木琳，李祥立.基于不同动态负荷的太阳能辅助地源热泵系统供暖特性研究[J].大连理工大学学报，2015（03）：243-251
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[10] 杨昭，马常胜，陈贺.多热源联合热泵的性能模拟[J].天津大学学报（自然科学与工程技术版），2017（02）：34-38
[11] 孙天宇，任建兴，张健，王庆阳.水源热泵在火电厂循环水余热利用中的应用[J].汽轮机技术，2014（03）：206-208
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[13] 刘学来，宋永军，金洪文.热工学理论基础[M].中国电力出版社，2004：32-40