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MURPHY摩菲熱能-翅片管換熱器技術(shù)進(jìn)展
點(diǎn)擊次數(shù):71 更新時(shí)間:2023-11-10

  概述

  眾所周知,換熱器是工業(yè)傳熱過(guò)程中必不可少的設(shè)備,廣泛應(yīng)用于一切業(yè)領(lǐng)域中,尤其是化、冶金、動(dòng)力、交通、航空、航天等部門。近年來(lái),由于新技術(shù)發(fā)展和能源開(kāi)發(fā),改進(jìn)換熱器性能越來(lái)越受工業(yè)界重視。新技術(shù)、新工藝在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。不斷提高產(chǎn)品的技術(shù)含量,追求高效節(jié)能,*大限度地獲取經(jīng)濟(jì)效益,己成為企業(yè)組織生產(chǎn)所遵循的基本原則。多年來(lái),各工業(yè)部門廣泛地應(yīng)用列管式換熱器,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,特別是上述兒個(gè)行業(yè)的迅速發(fā)展,要求換熱設(shè)備緊湊、輕巧、高效并小型化,而一般的列管式換熱器則不能滿足上述要求,這就促使人們?nèi)パ芯扛咝Q熱器。其中翅片管換熱器是人們研究得*多的一種換熱器之一。翅片管是組成各種熱交換器的核心元件,其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到熱交換器的工作性能。

  2、翅片管的研制開(kāi)發(fā)

  2.1、材料各種的換熱器材料,應(yīng)根據(jù)換熱器的用途和操作條件等不同而選擇。目前常用的材料有 :純鋁、鋁合金、銅、黃銅、鎳、欽、不銹鋼、鎳合金等。其中以鋁和鋁合金用的*多。對(duì)于翅片管式換熱器母材的基本要求是 :有較好的釬焊性和成型性,較高的機(jī)械強(qiáng)度,良好的耐腐蝕性和導(dǎo)熱性。鋁及鋁合金不僅滿足了這些要求,而且具有延性和抗拉強(qiáng)度隨溫度的降低而提高的特性,所以在世界各國(guó)的緊湊式換熱器中,特別是在低溫的緊湊式換熱器中,己經(jīng)獲得了*為廣泛的應(yīng)用:

  1),鋁的密度小,通過(guò)合金化和熱處理可以達(dá)到結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度。鋁制換熱器運(yùn)用于各類的交通工具中,特別小型的轎車,必將減輕其本身重量,降低燃料的消耗。

  2)、鋁的抗腐蝕性好。鋁制品在惡劣條件下生成的氧化物無(wú)毒性。用鋁做成的換熱器,不用過(guò)于擔(dān)心時(shí)間長(zhǎng)久之后被空氣或管內(nèi)液體等氧化而失效。

  3)、鋁 具有良好的導(dǎo)熱性能,特別適用于散熱片、換熱用的蒸發(fā)器和冷凝器等。

  4)、鋁的屈服強(qiáng)度高,耐沖壓,加工成型的過(guò)程比較方便。

  2.2,型式翅片管一般有內(nèi)翅片管和外翅片管兩種,其中以外翅片管應(yīng)用*為普遍.外翅片管一般是用機(jī)械加工的方法在光管外表面形成一定高度、一定片距、一定厚度的翅片。

  2.2.1,螺旋翅片管螺旋翅片就是把鋼帶平面垂直于管子軸線,以螺旋線的形式纏繞在管子外表面上。在形成螺旋翅片時(shí),翅片中性線以內(nèi)的凹面邊緣受到壓縮,中性線以外的凸面邊緣則受拉伸。當(dāng) m 面內(nèi)的拉應(yīng)力達(dá)到材料的強(qiáng)度極限時(shí),對(duì)厚度較小的鋼帶會(huì)失去穩(wěn)定,形成皺褶。螺旋翅采用的鋼帶都不厚(通常為 6=o.s-2.smm),失穩(wěn)現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生??梢哉f(shuō)翅片根部起皺是螺旋翅片管的通病。翅片根部起皺會(huì)使根部的翅片平面變得凹凸不平。如果把這種樣子的管子做熱交換器,會(huì)有許多不足 :凸起部分增加氣流阻力;凹下去的部分集聚污物.并給清洗帶來(lái)麻煩。圖 1 熱浸鍍鋅纏繞式橢圓鋼翅片管

  22.2,套裝翅片套裝翅片工藝是預(yù)先用沖床加工出一批單個(gè)的翅片,然后用人工或機(jī)械方法,按一定的翅片間距,靠過(guò)盈將翅片套裝在管子外表面上。它是*早的一種加工翅片管的方法。由于套裝工藝簡(jiǎn)單,技術(shù)要求不高,所用設(shè)備價(jià)格低廉,又易于維修,所以,至今仍有不少工廠在采用。此工藝是一種勞動(dòng)密集型工藝方案,適合于一般小廠或鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的資金和技術(shù)條件。我們知道,翅片管對(duì)質(zhì)量的要求主要有三點(diǎn) :一是翅片間距:二是翅片高度;三是翅片和光管外表面結(jié)合的牢固程度,不完全連接的縫越少越好,即熱阻要小。一般來(lái)說(shuō),螺旋翅片和套裝翅片對(duì)前兩點(diǎn)都比較容易保證,但第三點(diǎn)卻常常出現(xiàn)問(wèn)題。這些管子的致命缺點(diǎn)也正是這一點(diǎn)。管子和翅片之間接觸不好,熱阻大,影響傳熱。

  123、輥軋式翅片管近年來(lái),迅速發(fā)展的輥軋式翅片管是一種高效節(jié)能傳熱翅片管(簡(jiǎn)稱高翅管),冷擠壓翅片管是用厚壁管連續(xù)通過(guò)多組擠壓輥,經(jīng)擠壓軋制,在變成薄壁管的過(guò)程中,多余金屬材料在管子外表面形成翅片的。所軋制翅片的高度一般為)-13mm;片距一般為 2-3.5mm,片厚一般為。2-0.5mm。同時(shí)這種冷擠壓加工方法還可滾軋復(fù)合管翅片管。一般常用的復(fù)合管材翅片其基管(即內(nèi)套管)采用的是碳鋼、不銹鋼、欽材、銅材等。外管,即擠壓翅片的外套管常用鋁管和銅管。滾軋翅片管由于翅片和管壁為一整體,故不存在接觸熱阻和出現(xiàn)電腐蝕現(xiàn)象,因而能提高和保持穩(wěn)定的傳熱性能和延長(zhǎng)翅片管的使用年限。高翅片軋管機(jī)軋制的翅片管,其翅片與基管結(jié)合緊密,不需再進(jìn)行釬焊,翅片間距、翅片高度、翅片厚度等可通過(guò)調(diào)節(jié)軋管機(jī)工作狀態(tài)予以控制,軋出的翅片表面光潔、紋管清晰、節(jié)距**,由其組裝而成的熱交換器,經(jīng)多家電力生產(chǎn)企業(yè)使用,具有較好的綜合經(jīng)濟(jì)性能。總的來(lái)說(shuō),軋制翅片管的結(jié)構(gòu)比較緊湊,流阻小,導(dǎo)熱熱阻小,傳熱效率高,產(chǎn)品體積小,綜合性能較高。但卻需要專門的軋管機(jī),而且翅片管與端板的連接處易滲漏。軋制翅片管中的復(fù)合管結(jié)構(gòu),即將軋制翅片管套在鋼管外面,這種結(jié)構(gòu)具有鋼翅片管和鋁翅片管的雙重優(yōu)點(diǎn),目前國(guó)內(nèi)己經(jīng)研制成功,但卻工藝復(fù)雜。因此,還待研究更**的技術(shù)。圖 2 雙金屬軋片管

  2.2.4、板翅式板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)形式很多,但其結(jié)構(gòu)單元體基本相同,都是由翅片、隔板、封條和導(dǎo)流片組成,它是在金屬平板上放一翅片(即所謂二次傳熱面積),然后再在其上放一金屬板,兩邊以邊緣封條密封而組成一個(gè)基本單元,上下的兩塊金屬平板稱為隔板。由許多個(gè)基本單元組成板翅式換熱器的芯體。冷熱流體在相鄰的基本單元體的流道中流動(dòng),通過(guò)翅片及與翅片連成一體的隔板進(jìn)行熱交換。對(duì)各個(gè)通道進(jìn)行不同方式的疊置和排列,釬焊成整體,就可得到*常用的逆流、錯(cuò)流、錯(cuò)逆流板翅式換熱器板束。翅片除承擔(dān)主要的傳熱任務(wù)外,還起著兩隔板之間的加強(qiáng)作用。所以盡管翅片和隔板材料都很薄,但它的強(qiáng)度很高,故能承受較高的壓力。對(duì)于一般的換熱器,板翅式換熱器具有以下的優(yōu)點(diǎn):傳熱效率高;結(jié)構(gòu)緊湊;輕巧而牢固 c 適應(yīng)性大;經(jīng)濟(jì)性好。但是,這種換熱器翅片間距較小,易堵塞,且堵塞后不易清洗,使得阻力大大增加,如果不對(duì)其進(jìn)行除垢,會(huì)影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。板翅式換熱器在壓縮機(jī)中主要用于油冷器和壓縮空氣冷卻器,有空冷和水冷兩種形式。無(wú)論是空冷還是水冷冷卻器,高溫壓縮空氣在冷卻過(guò)程中都會(huì)有冷凝水析出,并在翅片上聚集形成“水橋”,阻止了空氣的流通,從而使空氣壓力增大,并導(dǎo)致熱交換效率下降,空調(diào)中的板翅式換熱器也存在著類似的情況。盡管鋁及其合金具有良好的抗蝕性能,但是長(zhǎng)期滯留在鋁表面的冷凝水吸收空氣中的氧、硫及氮等,在鋁表面形成腐蝕電池,加速腐蝕。腐蝕產(chǎn)物在鋁翅片表面聚集,將降低熱交換率。對(duì)于水冷卻器,在水側(cè)同樣存在腐蝕性問(wèn)題,長(zhǎng)期運(yùn)行也將縮短鋁制板翅式換熱器的壽命。高壓下工作的板翅式換熱器因壓力的循環(huán)變化會(huì)引起疲勞而使隔板產(chǎn)生裂紋,引起泄漏,因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮疲勞破壞。

  2.3、研制方向由上面的分析比較可以看出,未來(lái)翅片管的發(fā)展是朝著換熱表面大大強(qiáng)化、翅片與基管連成一體的方向的。并且,生產(chǎn)的成本大幅度降低,生產(chǎn)也愈趨規(guī)?;?。

  3、翅片管的特殊應(yīng)用及特殊設(shè)計(jì)

  3.1,空冷器的設(shè)計(jì)空氣冷卻方式和水冷卻方式的討論己持續(xù)了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間,到目前仍在進(jìn)行兩者之間的經(jīng)濟(jì)分析和討論,但是空冷器的優(yōu)越性越來(lái)越受到人們的注意,以空冷代替水冷的趨勢(shì)仍在持續(xù)發(fā)展。空氣冷卻是在空氣冷卻器中實(shí)現(xiàn)的,冷卻介質(zhì)為牽氣,可用于各種流體的冷卻和冷凝。由于空氣的比熱小(約為1.005kJ/kg"-C),僅為水的比熱的四分之一,因此若傳熱量相同,冷卻介質(zhì)溫升相同,則所需的空氣量將為水量的四倍。裹考慮到空氣的密度遠(yuǎn)小于水,則相對(duì)于水冷卻器,空冷器的體積是很大的。另外,空汽側(cè)的換熱系數(shù)很低,約為50-60W/(m'·℃),導(dǎo)致光管空冷器總傳熱系數(shù)也很低,較水冷器的傳熱系數(shù)約低 10--30 倍,為抵消空氣側(cè)換熱系數(shù)較低的影響,所以空冷器一般均采用擴(kuò)張表面的翅片管,其翅化比大致為 10-24.翅片管是空氣冷卻換熱器的核心和關(guān)鍵部件,其性能優(yōu)劣直接影響空冷器的性能和發(fā)展。事實(shí)上,正是由于翅片管的出現(xiàn),才使空冷器得以發(fā)展。除了冷卻枯性介質(zhì)可以采用管內(nèi)縱向翅片之外,所有空冷器均在管外采用橫向翅片。

  3.2、汽車空調(diào)迄今為止,人們對(duì)建筑物的空調(diào)技術(shù)有較多的研究和

  探索,相比而言,對(duì)汽車、火車、船舶以及在高溫環(huán)境下工作的工程車及行車等特殊運(yùn)動(dòng)性裝置的空調(diào)技術(shù)研究較少。汽車、火車、船舶以及高溫環(huán)境下工作的工程車與行車等從某種意義上看,可以視為一個(gè)特殊的運(yùn)動(dòng)性“建筑物”。因此,安裝于該類“建筑物”內(nèi)的特種空調(diào)和陸地建筑物既有相同點(diǎn),又有其特殊性。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),汽車空調(diào)要求換熱器的體積小、重量輕,這樣可以節(jié)約空間和能量的消耗。再者,考慮到汽車空調(diào)的工作條件,必須要求其具有一定的抗震能力。這樣,只有高效的翅片管可以滿足它的要求。

  3.3、制冷壓縮機(jī)在中小型活塞制冷壓縮機(jī)中,翅片管以往大多數(shù)以套片和繞片管形式使用的,這些翅片管主要用于各類冷凝器和燕發(fā)器。采用翅片管主要是依靠改變換熱表面的幾何形狀或表面狀況來(lái)強(qiáng)化傳熱,如此可有效增強(qiáng)管外凝結(jié)換熱,提高熱交換器總的傳熱系數(shù)。

  3.4、冷凝器就冷凝器而言,陸用冷凝器一般采用紫銅管翅片管或銅鋁復(fù)合翅片管。而船用冷凝器由于用海水冷卻,盡管其結(jié)構(gòu)形式與陸用相同,但考慮到海水腐蝕的影響,在與海水接觸的部位,一般采用紫銅或鋁黃銅材料制作翅片管;而蒸發(fā)器大都是以銅管套鋁片形式出現(xiàn)。

  3.5,柴油機(jī)的中冷器一些大型的交通工具上的柴油機(jī),因考慮行駛速度的需要,并受空間尺寸的限制,一般均裝各高比功率的增壓中冷柴油機(jī)。選擇和設(shè)計(jì)合適的中冷器可在很大程度上改善柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。

  4,翅片管的發(fā)展從上面的分析我們可以看出,研制高效節(jié)能的翅片管是勢(shì)在必行的,并且要求經(jīng)濟(jì)性能和工作性能都有所改善?,F(xiàn)在研究的整體鋁翅片管(AIF 管)與上面所介紹的各式翅片管相比,有以下優(yōu)點(diǎn):

  (1)、無(wú)論是管外還是管內(nèi),翅片管的換熱面積都大大地增大了;

  (2),翅片與介質(zhì)流動(dòng)的管路為一體結(jié)構(gòu),結(jié)合率為 100%,間隙熱阻為零,大大改善了傳熱的效果,而且不存在熱腐蝕的問(wèn)題;

  (3)、對(duì)介質(zhì)流動(dòng)管路截面形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),管腔的形狀和數(shù)量發(fā)生變化。在入口介質(zhì)質(zhì)量流速不變的情況下(壓縮機(jī)出口流量),由于橫截面積或管腔當(dāng)量直徑減少,而導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)增加。

  (4)、翅片管強(qiáng)度高,耐熱震和機(jī)械震動(dòng)、熱膨脹性能好,結(jié)構(gòu)可靠,壽命長(zhǎng)。

  (5),翅片光滑無(wú)毛刺,無(wú)褶皺,不易結(jié)塵、結(jié)垢,易于清洗和排除表面積水,流體阻力小,能長(zhǎng)期保持良好的傳熱性能。

  (6),母材采用鋁材,重量非常輕。材料鋁的密度小,傳熱性能好,且耐腐蝕性高,容易加工成形狀復(fù)雜的換熱管。

  7),翅片厚度小,高度較高,翅片間距較小,管壁厚度也比較小。而且可以根據(jù)工件的不同需要來(lái)改變各個(gè)參數(shù)的大小。

  (8),翅片與介質(zhì)流動(dòng)的管路為一體化加工,加工工藝非常簡(jiǎn)單,僅需一道工序,就是在母材—管狀形的鋁管上用特制的刨床上進(jìn)行加工。

  (9)、設(shè)備投資少,僅需主體加工設(shè)備和簡(jiǎn)單的焊接設(shè)備和彎管設(shè)備;生產(chǎn)成品率高,泄漏點(diǎn)少。綜上所述,AIF 管是一種新型而高效的換熱管,其發(fā)展前景非常樂(lè)觀。

  5、結(jié)論鋁整體鋁翅片管(AT 管)加工技術(shù),屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng),處于國(guó)際**地位。經(jīng)過(guò)分析研究,AIF 管的應(yīng)用市場(chǎng)非常廣闊,可以用它來(lái)替代當(dāng)今換熱性能良好的板翅式換熱器和軋片管,并且熱性能和經(jīng)濟(jì)性能都得到了進(jìn)一步的改善。不難推測(cè),AIF 管將是換熱界的新寵兒,它將在汽車空調(diào)、各式空冷器和油壓中冷器等等的換熱器上大有作為。