翅片管换热器技术进展.doc

概述
众所周知，换热器是工业传热过程中必不可少的设备，广泛应用于一切业领域中，尤其是化、冶金、动力、交通、航空、航天等部门。近年来，由于新技术发展和能源开发，改进换热器性能越来越受工业界重视。新技术、新工艺在现代工业生产领域中发挥着越米越重要的作用。不断提高产品的技术含量，追求高效节能，最大限度地获取经济效益，己成为企业组织生产所遵循的基本原则。多年来，各工业部门广泛地应用列管式换热器，随着科学技术的发展，特别是上述儿个行业的迅速发展，要求换热设各紧凑、轻巧、高效并小型化，而一般的列管式换热器则不能满足上述要求，这就促使人们去研究高效换热器。其中翅片管换热器是人们研究得最多的一种换热器之一。翅片管是组成各种热交换器的核心元件，其质量的优劣直接影响到热交换器的工作性能。
2、翅片管的研制开发
2.1、材料各种的换热器材料，应根据换热器的用途和操作条件等不同而选择。目前常用的材料有:纯铝、铝合金、铜、黄铜、镍、钦、不锈钢、因康镍合金等。其中以铝和铝合金用的最多。对于翅片管式换热器母材的基本要求是:有较好的钎焊性和成型性，较高的机械强度，良好的耐腐蚀性和导热性。铝及铝合金不仅满足了这些要求，而且具有延性和抗拉强度随温度的降低而提高的特性，所以在世界各国的紧凑式换热器中，特别是在低温的紧凑式换热器中，己经获得了最为广泛的应用:
1),铝的密度小，通过合金化和热处理可以达到结构钢的强度。铝制换热器运用于各类的交通工具中，特别小型的轿车，必将减轻其本身重量，降低燃料的消耗。
2)、铝的抗腐蚀性好。铝制品在恶劣条件下生成的氧化物无毒性。用铝做成的换热器，不用过于担心时间长久之后被空气或管内液休等氧化而失效。
3)、铝具有良好的导热性能，特别适用于散热片、换热用的蒸发器和冷凝器等。
4)、铝的屈服强度高，耐冲压，加工成型的过程比较方便。
2.2,型式翅片管一般有内翅片管和外翅片管两种，其中以外翅片管应用最为普遍.外翅片管一般是用机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,螺旋翅片螺旋翅片就是把钢带平面垂直于管子轴线，以螺旋线的形式缠绕在管子外表面上。在形成螺旋翅片时，翅片中性线以内的凹面板缘受到压缩，中性线以外的凸面板缘则受拉伸。当m面内的拉应力达到材料的强度极限时，对厚度较小的钢带会失去稳定，形成皱褶。螺旋翅冷采用的钢带都不厚(通常为6=o.s-2.smm)，失稳现象经常发生。可以说翅片根部起皱是螺旋翅片管的通病。翅片根部起皱会使根部的翅片平面变得凹凸不平。如果把这种样子的管子做热交换器，会有许多不足:凸起部分增加气流阻力;凹下去的部分集聚污物.，并给清洗带来麻烦。图1热浸镀锌缠绕式椭圆钢翅片管
22.2,套装翅片套装翅片工艺是预先用冲床加工出一批单个的翅片，然后用人工或机械方法，按一定的翅片间距，靠过盈将翅片套装在管子外表面上。它是最早的一种加工翅片管的方法。由于套装工艺简单，技术要求不高，所用设备价格低廉，又易于维修，所以，至今仍有不少工厂在采用。此工艺是一种劳动密集型工艺方案，适合于一般小厂或乡镇企业的资金和技术条件。我们知道，翅片管对质量的要求主要有三点:一是翅片间距:二是翅片高度;三是翅片和光管外表面结合的牢固程度，不完全连接的缝越少越好，即热阻要小。一般来说，螺旋翅片和套装翅片对前两点都比较容易保证，但第三点却常常出现问题。这些管子的致命缺点也正是这一点。管子和翅片之间接触不好，热阻大，影响传热。
123、滚乳式翅片管近年来，迅速发展的滚轧式翅片管是一种高效节能传热翅片管(简称高翅管)，冷挤压翅片管是用厚壁管连续通过多组挤压辊，经挤压轧制，在变成薄壁管的过程中，多余金属材料在管子外表面形成翅片的。所轧制翅片的高度一般为)-13mm;片距一般为2-3.5mm,片厚一般为。.2-0.5mm。同时这种冷挤压加工方法还可滚轧复合管翅片管。一般常用的复合管材翅片其基管(即内套管)采用的是碳钢、不锈钢、钦材、铜材等。外管，即挤压翅片的外套管常用铝管和铜管。滚轧翅片管由于翅片和管壁为一整体，故不存在接触热阻和出现电腐蚀现象，因而能提高和保持稳定的传热性能和延长翅片管的使用年限。高翅片轧管机轧制的翅片管，其翅片与基管结合紧密，不需再进行钎焊，翅片间距、翅片高度、翅片厚度等可通过调节轧管机工作状态予以控制，轧出的翅片表面光洁、纹管清晰、节距精确，由其组装而成的热交换器，经多家电力生产企业使用，具有较好的综合经济性能。总的来说，轧制翅片管的结构比较紧凑，流阻小，导热热阻小，传热效率高，产品体积小，综合性能较高。但却需要专门的轧管机，而且翅片管与端板的连接处易渗漏。轧制翅片管中的复合管结构，即将轧制翅片管套在钢管外面，这种结构具有钢翅片管和铝翅片管的双重优点，目前国内己经研制成功，但却工艺复杂。因此，还待研究更先进的技术。图2双金属轧片管
2.2.4、板翅式板翅式换热器的结构形式很多，但其结构单元体基本相同，都是由翅片、隔板、封条和导流片组成，它是在金属平板上放一翅片(即所谓二次传热面积)，然后再在其上放一金属板，两边以边缘封条密封而组成一个基本单元，上下的两块金属平板称为隔板。由许多个基本单元组成板翅式换热器的芯体。冷热流体在相邻的基本单元体的流道中流动，通过翅片及与翅片连成一体的隔板进行热交换。对各个通道进行不同方式的叠置和排列，钎焊成整体，就可得到最常用的逆流、错流、错逆流板翅式换热器板束。翅片除承担主要的传热任务外，还起着两隔板之间的加强作用。所以尽管翅片和隔板材料都很薄，但它的强度很高，故能承受较高的压力。对于一般的换热器，板翅式换热器具有以下的优点:传热效率高;结构紧凑;轻巧而牢固c适应性大;经济性好。但是，这种换热器翅片间距较小，易堵塞，且堵塞后不易清洗，使得阻力大大增加，如果不对其进行除垢，会影响系统的安全稳定运行。板翅式换热器在压缩机中主要用于油冷器和压缩空气冷却器，有空冷和水冷两种形式。无论是空冷还是水冷冷却器，高温压缩空气在冷却过程中都会有冷凝水析出，并在翅片上聚集形成“水桥”，阻止了空气的流通，从而使空气压力增大，并导致热交换效率下降，空调中的板翅式换热器也存在着类似的情况。尽管铝及其合金具有良好的抗蚀性能，但是长期滞留在铝表面的冷凝水吸收空气中的氧、硫及氮等，在铝表面形成腐蚀电池，加速腐蚀。腐蚀产物在铝翅片表面聚集，将降低热交换率。对于水冷却器，在水侧同样存在腐蚀性问题，长期运行也将缩短铝制板翅式换热器的寿命。高压下工作的板翅式换热器因压力的循环变化会引起疲劳而使隔板产生裂纹，引起泄漏，因此在结构设计中必须考虑疲劳破坏。
2.3、研制方向由上面的分析比较可以看出，未来翅片管的发展是朝着换热表面大大强化、翅片与基管连成一体的方向的。并且，生产的成本大幅度降低，生产也愈趋规模化。
3、翅片管的特殊应用及特殊设计
3.1,空冷器的设计空气冷却方式和水冷却方式的讨论己持续了相当长的时间，到目前仍在进行两者之间的经济分析和讨论，但是空冷器的优越性越来越受到人们的注意，以空冷代替水冷的趋势仍在持续发展。空气冷却是在空气冷却器中实现的，冷却介质为牵气，可用于各种流体的冷却和冷凝。由于空气的比热小(约为1.005kJ/kg"-C)，仅为水的比热的四分之一，因此若传热量相同，冷却介质温升相同，则所需的空气量将为水量的四倍。裹考虑到空气的密度远小于水，则相对于水冷却器，空冷器的体积是很大的。另外，，空汽侧的换热系数很低，约为50-60W/(m'·℃)，导致光管空冷器总传热系数也很低，较水冷器的传热系数约低10--30倍，为抵消空气侧换热系数较低的影响，所以空冷器一般均采用扩张表面的翅片管，其翅化比大致为10-24.翅片管是空气冷却换热器的核心和关键部件，其性能优劣直接影响空冷器的性能和发展。事实上，正是由于翅片管的出现，才使空冷器得以发展。除了冷却枯性介质可以采用管内纵向翅片之外，所有空冷器均在管外采用横向翅片。
3.2、汽车空调迄今为止，人们对建筑物的空调技术有较多的研究和探索，相比而言，对汽车、火车、船舶以及在高温环境下工作的工程车及行车等特殊运动性装置的空调技术研究较少。汽车、火车、船舶以及高温环境下工作的工程车与行车等从某种意义上看，可以视为一个特殊的运动性“建筑物”。因此，安装于该类“建筑物”内的特种空调和陆地建筑物既有相同点，又有其特殊性。简单来说，汽车空调要求换热器的体积小、重量轻，这样可以节约空间和能量的消耗。再者，考虑到汽车空调的工作条件，必须要求其具有一定的抗震能力。这样，只有高效的翅片管可以满足它的要求。
3.3、制冷压缩机在中小型活塞制冷压缩机中，翅片管以往大多数以套片和绕片管形式使用的，这些翅片管主要用于各类冷凝器和燕发器。采用翅片管主要是依靠改变换热表面的几何形状或表面状况来强化传热，如此可有效增强管外凝结换热，提高热交换器总的传热系数。
3.4、冷凝器就冷凝器而言，陆用冷凝器一般采用紫铜管翅片管或铜铝复合翅片管。而船用冷凝器由于用海水冷却，尽管其结构形式与陆用相同，但考虑到海水腐蚀的影响，在与海水接触的部位，一般采用紫铜或铝黄铜材料制作翅片管;而蒸发器大都是以铜管套铝片形式出现。
3.5,柴油机的中冷器一些大型的交通工具上的柴油机，因考虑行驶速度的需要，并受空间尺寸的限制，一般均装各高比功率的增压中冷柴油机。选择和设计合适的中冷器可斗在很大程度上改善柴油机的经济性与可靠性。
4,翅片管的发展从上面的分析我们可以看出，研制高效节能的翅片管是势在必行的，并且要求经济性能和工作性能都有所改善。现在研究的整体铝翅片管(AIF管)与上面所介绍的各式翅片管相比，有以下优点:
(1)、无论是管外还是管内，翅片管的换热面积都大大地增大了;
(2),翅片与介质流动的管路为一体结构，结合率为100%，间隙热阻为零，大大改善了传热的效果，而且不存在热腐蚀的问题;
(3)、对介质流动管路截面形状进行了优化设计，管腔的形状和数量发生变化。在入口介质质量流速不变的情况下(压缩机出口流量)，由于横截面积或管腔当量直径减少，而导致换热系数增加。
(4)、翅片管强度高，耐热震和机械震动、热膨胀性能好，结构可靠，寿命长。
(5),翅片光滑**刺，无褶皱，不易结尘、结垢，易于清洗和排除表面积水，流体阻力小，能长期保持良好的传热性能。
(6),母材采用铝材，重量非常轻。材料铝的密度小，传热性能好，且耐腐蚀性高，容易加工成形状复杂的换热管。<
7),翅片厚度小，高度较高，翅片间距较小，管壁厚度也比较小。而且可以根据工件的不同需要来改变各个参数的大小。
(8),翅片与介质流动的管路为一体化加工，加工工艺非常简单，仅需一道工序，就是在母材—管状形的铝管上用特制的刨床上进行加工。
(9)、设备投资少，仅需主体加工设备和简单的焊接设备和弯管设备;生产成品率高，泄漏点少。综上所述，AIF管是一种新型而高效的换热管，其发展前景非常乐观。
5、结论铝整体铝翅片管(AT管)加工技术，属国内首创，处于国际领先地位。经过分析研究，AIF管的应用市场非常广阔，可以用它来替代当今换热性能良好的板翅式换热器和轧片管，并且热性能和经济性能都得到了进一步的改善。不难推测，AIF管将是换热界的新宠儿，它将在汽车空调、各式空冷器和油压中冷器等等的换热器上大有作为。
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