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空调用翅片管制造工艺以及使用效率

2020-04-10 10:28:03 sunquanjun

翅片管有两个重要的参数来描述其性能,分别为翅化比 β 和翅片效率η。翅化比用“β”来表示,其定义可由公式引出: β =翅片管总的外表面积/原光管外表面积; β 越大说明翅片管的换热面积扩大的越厉害,其换热性能也随之增强。翅片管在换热过程中,假设管内流体的温度高于管外流体的温度,热量由管内经管壁从翅片根部沿翅片高度以热传导方式向外传递,同时翅片还与周围流体发生对流换热, 最终使得沿翅高方向翅片温度逐渐下降

沿翅高方向翅片温度逐渐减小,说明翅片与周围流体间的温差在逐渐减小,由对流换热的热量公式可知,温差减小时,翅片单位面积的换热量也随之减小。翅片越高,其增加的面积对换热的强化作用就越小,为此介绍一个新概念——翅片效率 η。

η=Q实/Q理

式中 Q实—翅片表面的实际散热量; Q理—假定翅片表面温度等于翅根温度时的理论散热量。如果翅片效率小于 1,此时增加 1 倍的翅片散热面积,散热量却没有增加 1 倍,这里散热量就打了个“折扣”,此“折扣”就是翅片效率。经验表明翅片效率受翅片的高度、厚度、形状等因素影响,其中翅高对其影响最大,翅高越大,翅片效率就越小,由此可见翅片的换热面积越大,其换热性能并不是就越理想。 [2] 

制造工艺

空调用翅片管的加工方法有很多,可通过焊接、套装、镶嵌等工艺将翅片"粘接“到基管上,也可通过轧制、滚压等压力加工法在光管上加工出翅片来,近年来有学者综合压力加工和机械加工的优点创造性的提出了一系列复合加工方法,如夏伟等人提出了“劈切—挤压”加工方法,吴斌等人提出了“双面犁法”,李言教授等人提出了“切削—挤压成形方法”来加工整体翅片管。下面以“劈切—挤压”法为例,介绍其加工工艺:

劈切—挤压加工方法 这是一种结合无屑切削与挤压的复合加工方法,此法是按通常的切削加工方式在普通车床上加工翅片管;在专用刀具将管表面金属劈切开后,随着挤压量的增加,金属沿径向和轴向流动,通过径向和轴向挤压使金属塑性变形形成翅片。

低翅片管则是运用滚轧法(三辊斜轧)加工生产的,其工作原理为:在光管内衬一芯棒,管料在轧辊刀片的带动下做螺旋直线运动,通过轧辊轧槽与芯棒组成的孔型在其外表面上逐渐加工出翅片。为了更利于翅片成型,轧件在变形过程中采用咬入、辗轧、整形三个阶段,使加工出来的翅片完整、光滑、规则,这种方法生产出来的翅片管因基管与外翅片是一个有机的整体,因而没有接触热阻损失和电腐蚀的问题,具有良好的传热效率且抗变形能力较强。 

强化传热

翅片管是以对流换热的形式进行热量传递的,由对流换热的数学表达式Q=hAΔT 可知,对流换热量与换热面积 A、温度差△T 及对流换热系数 h 成正比,扩大换热面积以提高传热量是一有效途径,但如果只是简单的增大设备体积来获得更多的换热面积,这种方法在工程运用中不可取,实际运用中只能通过优化换热表面的结构,以增大单位体积的换热面积,从而使换热器紧凑、高效,现在经常使用翅片管、螺纹管及板翅式换热面等形式来扩展表面传热。当换热元件确定了,换热面积 A 及温差△T 基本都已确定下来,提高换热量就可通过提升对流换热系数 h 来实现,在翅片管换热器稳定运行时,且翅片管壁厚较小的情况下,对流传热系数 h 可近似表述为:

式中: h1—管内流体的换热系数; δ-管壁厚度;h2—管外流体的换热系数; τ-管材的导热系数。

对于翅片式传热管,其管材基本为铜、铝等导热系数很大的金属,且管壁厚度δ 相对而言很小,故右式中的第二项的值很小,可忽略不计,上述的对流传热系数可整理简化为 h=(1/ h1+1/ h2)-1,由此可知若要提高对流换热系数h ,可通过提升管内及管外的流体换热系数h1、 h2,当 h1、 h2的数值大小相差很大时,总的换热系数h的值主要取决于较小的那个换热系数hmin ,这说明提升更小的那个传热系数对翅片管的换热具有十分明显的强化作用。

对流换热系数主要由以下因素决定:一是流体的种类及其物理性质,不同的流体(液体或气体)其换热系数相差很大;二是换热过程中流体是否发生相变,若有相变发生,其换热系数将会明显提高;三是流体的流速和换热表面的形状。以空气加热器为例,管内流通热水,管外流通空气,由于管外空气侧的换热系数远低于管内水侧的换热系数,这阻碍了水侧换热“能力”的发挥,由此可看出换热过程的“瓶颈”是在管外空气侧,限制了换热量的增幅。为克服这种“瓶颈”效应,在空气侧的管外加装翅片,大幅增加管外换热面积,以此弥补空气侧换热系数低的不足,极大提高了换热量,其原理如图 1-9 所示: [2]


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