[科普中国]-复合翅片管

简介

随着中央空调在生产和生活中的广泛应用，对中央空调中的重要传热元件—翅片管的研究也就显得越来越重要.目前，中央空调中应用得最为广泛的翅片管为内外翅片紫铜管.这种管子虽然传热性能比较好，但消耗铜也多，导致生产成本的增加.因此，对翅片管生产的研究将围绕着如何有效节约铜金属的使用来展开，从而最终达到既提高中央空调工作效率、又降低生产成本、为国家节约贵重资源的三重目的2。

复合翅片管正是为了满足这些需要而产生的.它综合了复合管和翅片管各自的优点，是一种当前国际上研究较为广泛的新型高效传热管. 综合国内外资料来看，对于复合翅片管系列产品的开发，以日本进行的较多.如日本专利文献报导过用轧制法生产外铝内不锈钢复合径向翅片管和焊接法生产外铝内不锈钢轴向复合翅片管.但日本所开发的这类产品均为内光面外翅片复合管，还不能达到充分利用管子内表面积、提高其传热性能的目的，且这些文献均为日本专利，所以，对于复合翅片管的生产工艺未作更详细的报导。

复合翅片
复合翅片是对翅片采取两种(或多种)不同的处理方式来强化其换热的翅片形式，突出特点是可以在同一个翅片上集成不同强化方式的优点，从而获得更好的综合性能。一些专家和学者己经注意到了复合翅片的优势，并开始关注其发展，但目前的研究还不太多。Sanders3在百叶窗开缝翅片上加装了三角翼作为纵向涡发生器，并对结构进行了优化，结果显示这种翅片形式的换热性能较普通百叶窗翅片提高39%，阻力提高23 % 。Tian等4用湍流模型对波纹翅片和带直角三角形小翼的波纹翅片的换热进行了研究，果显示:三角翅产生的纵向涡可显著改善尾迹区的换热，在叉排、顺排布置的情况下，换热分别增强13.1%, 7.0%，但阻力分别增加15.4%, 10.5%。

双金属轧制翅片管由基管和包裹在外的翅片组成，基管通常为碳钢管、不锈钢管或铜管，将铝管套在外面，然后用专用轧机将铝管挤压成翅片，同时在基管外形成一层薄的底层将基管紧紧裹住。

双金属翅片管的主要优点是:基管为钢管，机械性能、耐温、耐压性能和抗腐蚀性能较好;外层材料为铝，重量轻，价格较低，加工容易，有较好的抗大气腐蚀能力，外形美观;翅片强度高，可以承受高压冲洗除垢;一般不会因基管腐蚀和氧化而增加翅片和基管的接触热阻，传热性能略优于绕片式翅片管，因此应用越来越广，特别是在炼油、化工、发电行业得到大规模应用。

换热器的设计同时涉及到流体流场和温度场的分布问题2。一方面，由于目前基础数学知识和理论流体力学的发展水平对于结构比较复杂的换热设备不可能通过求解流体流动与传热控制微分方程的解析来得到换热器的内部特性。工程实际中，通常是利用相似原理，以简化的换热器模型为基础，进行流体流动和传热的数据测量，再通过放大等数据后处理方法得到与实际情况相接近的特性参数。但是，由于换热器应用工况日益多样化以及自身结构不断复杂化，传统的实验手段和理论方法已很难满足该领域研究和开发的需要。另一方面，随着现代计算机技术的进步和先进数值算法的发展，计算流体力学(CFD)和计算传热学(NHT)技术从20世纪60年代以来在世界范围内得到了迅速发展。和实验研究相比，利用CFDHT技术进行换热器研究具有费用低、速度快、能模拟较复杂和较理想过程等优点;同时可以观察不同操作参数对求解问题的影响，获得所有相关变量的详细信息以及潜在的物理过程。因此，利用模拟所得数据对实际设计方案进行评估、选择和优化，再通过有限的实验对分析结果进行检验，可以大幅度减少研究所需的工作量和经费。但数值模拟的准确性与数学模型和数值方法有关，而且受到计算机容量的限制，其正确性还需要实验检验。

翅片的强化传热机理翅片管式换热器空气侧主要是对流换热，对流传热强化技术可以分为无源技术和有源技术两种，无源技术是指除了支持流体流动的功耗外不再需要额外动力的强化传热方式，有源技术是指需要依靠外部动力的辅助来实现强化传热的方式。无源强化技术主要有:处理表面(表面处理成多孔或锯齿形)、粗糙表面、扩展表面、扰流元件、涡流发生器、螺旋管、表面张力元件(换热表面的某些特殊结构，如多孔结构)、添加物(在流体中加入特殊的添加物等);有源强化技术主要有:机械搅动、表面振动、流体振动、电磁场、喷注或抽吸、射流冲击5。

目前的强化传热翅片主要是采用无源技术来强化流体侧的对流换热。关于对流传热强化的的物理机理可以归结为:a加强壁面区域和中心区域流体的混合;b流动边界层的减薄;c二次流的形成和湍流度的增强等。翅片管式换热器中，流体的流态可分为层流和湍流，不同的流动状态下，翅片的强化传热机理和强化方式有所不同。在层流情况下，流体的速度分布和温度分布呈抛物线状，流体与壁面间的温度梯度产生在整个流动截面上，因此对层流换热所采取的强化传热措施主要是使流体产生强烈的径向混合，改善核心区流体的速度场、温度场的均匀性，从而使壁面及壁面附近区域的温度梯度增大，来强化换热。在湍流情况下，流体核心区的速度场和温度场都己经比较均匀，对流换热热阻主要存在于贴壁的流体粘性底层中，因此对湍流换热所采取的主要强化措施是破坏边界层的发展，即增加对边界层的扰动以减薄层流底层的厚度，使传热温差发生在更加贴近壁面的流体层中，从而达到强化传热的目的。在翅片管式换热器中，由于风机流量在不同的换热器结构下是不同的，对应的流动状态既会有层流也有湍流，所以在研究强化传热翅片时层流模型和湍流模型都会得到应用，而对应的强化机理也是复杂的。

复合翅片管的生产方法目前，复合翅片管的生产方法主要有焊接法和轧制法两种6。

焊接法焊接法:是在双金属复合管的基础上，用焊枪将金属翅片直接焊接在复合管的外表而。用这种方法可根据产品的需要选择不同尺寸、不同材质的外翅片进行焊接，因而能生产出多种规格的复合翅片管，但由于焊缝处存在大量的氧化物及杂质，致使传热效率大大降低，所以这种复合翅片管的性能不佳。

轧制法轧制法:是在双金属复合管内衬一芯棒，经轧辊刀片的旋转带动，复合管通过轧槽与芯头组成的孔腔在其外表而上加工出翅片。这种方法生产出的传热管因其外管与翅片是一个有机的整体，所以不存在接触热损耗的问题，具有良好的性能与较高的传热效率。本次实验选择三辊轧制法来研究复合翅片管，通过分析轧制压下量、外管壁厚、金属状态和芯头螺旋角对内外翅片形成的影响。

轧制压下量的影响随着轧制压下量的增加，外翅高和内凸筋高也不断增大。根据轧制过程中金属流动规律，增加压下量，刀片切人铜管的深度将增大，由于受轧制形状的限制，径向压缩出金属不可能向轴向流动，所以被迫向阻力较小的轧辊刀片之间的空隙流动，从而达到增加外翅片高度的目的。此外，随着轧制压下量的增加，内层铝管所受轧制挤压力也将增加，在周向挤压力的作用下，径向压下的金属向内螺旋芯头的凹槽处流动，提高了凹槽处金属填充率，从而达到了增加内凸筋高度的目的，因此，轧制压下量的增加，有利于提高翅片管的外翅高和内凸筋高，达到改善传热性能的要求2。
需要指出的是:轧制压下量并不是越大越好，因为压下量愈大，轧制力也要相应增加，如超过外层金属的变形抗力，会导致轧卡。再者，为了保证传热管的顺利组装，复合翅片管的外径应略小于其光面管坯的外径，如压下量太大，翅片高度增加过多，可能会超出其使用要求。

复合翅片管的主要性能要求复合翅片管作为换热元件，长期工作于高温烟气的工况下，比如锅炉换热器用翅片管使用环境恶劣,高温高压且处于腐蚀性气氛,这要求翅片管应具有很高的性能指标5。

1)、 防腐性能（Anti-corrosion）

2)、 耐磨性能（Anti-wear）

3)、 低的接触热阻(lower contact resistance)

4) 、高的稳定性（Higher Stability）

5) 、防积灰能力

管坯壁厚的影响在相同外径、内管壁厚和轧制压下量的前提下，外管壁越厚，则只需要较小的轧制压下量，复合管壁就与芯头接触，剩下更多的压下量则集中于复合管坯外翅和内凸筋形成，所以导致了外翅高和内凸筋高的增加。可见管坯壁厚大小对外翅高影响显著，对内凸筋有一定的影响。因此，可得出以下结论:为了得到较高的外翅和内凸筋，应增加管坯壁厚，但这也导致了翅底壁厚的显著增加，从而大大降低了复合管的传热性能，而且管坯壁厚的增加也会带来原材料的浪费，反而增加了生产成本7。

原始机械强度比的影响当铝管强度越大，即机械强度比越小时，所形成的外翅片高度增大，内凸筋高度减小，这是因为内铝管强度越大，其抗塑性变形能力越强，因而在相同的轧制力作用下，内凸筋高度也相应降低。但内凸筋高随铝管强度增加而减小的规律并不是很明显，主要因为内凸筋的形成相对于外翅片的形成更困难，受变形抗力影响更小的缘故。相反，外翅高的形成较易，受变形抗力影响大，塑性变形将集中在较易变形的外铜管。综合分析得知，为了适应导热性能的要求，实际生产中应选择机械强度较接近的金属状态进行轧制。

中冷器复台翅片管失效与钎焊工艺问题
中冷器复合翅片管材料选择与结构匹配不合理以及工艺选择不合理导致中冷器制造过程中的失效经常发生。主要的失效形式8

(1)内翅片焊接不良。内翅片焊合率不足或几乎没有形成焊接接头。

(2)外翅片焊合率不够，或外翅片与焊管未形成焊缝连接。

由于前述焊接不良，中冷器不能满足使用条件，装机后在内部高压、高温和脉冲压力作用下提前失效，严重时中冷器工作时间不足20h即失效。
造成这些失效的原因主要是:
(1)钎料与工艺匹配不合理。中冷器复合翅片管钎料层可以选择4045或4343，但是由于两种钎料的熔点不同，钎焊温度与钎焊时间存在差异，不合理的钎焊温度与钎焊时间必然造成焊缝缺陷。
(2)焊管、内翅片、外翅片的材料厚度、材料状态等选择不合理，导致零件的结构强度不匹配。内翅片与焊管之间、外翅片与焊管之间存在间隙，焊接过程中因间隙过大无法弥补而至无法形成正常焊缝。
(3)焊管与翅片尺寸设计不合理。焊管内部宽度尺寸大于内翅片高度尺寸过多，使内翅片与焊管内壁之间间隙大，造成焊接不良。