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钢管串铝箔空气热交换器的研究探讨点击：1807 日期：[ 2014-04-26 21:39:21 ] |
| 钢管串铝箔空气热交换器的研究探讨 童鸿斌 (湖南省煤田地质局机械研制中心,湖南湘潭411100) 摘要:介绍了常用空气热交换器的结构特点、使用效果。通过对钢管缠绕钢带式热交换器和钢管串铝箔热交换器的有关技术参数进行计算分析探讨,得出钢管串铝箔热交换器的使用效果、材料成本均优于钢管缠绕钢带式热交换器。 关键词:热交换器 使用效果 材料成本 应用 中图分类号:TB657.5 文献标识码:B 文章编号:1002-6886(2011)01-0052-03 1·空气热交换器的用途及特点 空气热交换器(又名散热器或散热排管,本文简称热交换器)是以冷热媒介进行冷却或加热空气的换热装置中的主要设备,广泛应用在工矿、轻工、造纸、纺织、医药、食品等各种行业中的热风采暖、空调、冷却、除湿、烘干等工程。常用的空气热交换器有钢管缠绕钢带式热交换器和铜管串铝箔热交换器。 钢管缠绕钢带式热交换器,是用10mm宽的薄钢带立着缠绕在无缝钢管外径上,单管结构如图1,缠绕的螺线间距t=3. 2mm~7mm,由于钢带与钢管之间存在间隙,为了消除间隙,一般采用热浸锌(即热镀锌)来填充空隙及防腐处理。这样的工艺很难保证钢管与钢带间的间隙全部消除,或接触不紧密,就存在一定的接触热阻。钢带与散热管接触面之间几乎是线接触,接触面积小,热传导量就小,散热条件就较差。缠绕钢带虽然镀了锌,但在湿热环境下长期工作,使用不了几年就生锈,原来浸锌的接触间隙又出来了,严重的缠绕钢带锈到脱落,不仅传热性能下降,而且使用寿命也短。 铜管串铝箔热交换器,也称表冷器,是用铝箔冲孔翻边套在铜管上,然后通过专用涨管机,将铜管涨大(连同铝箔孔一起涨大),局部单管结构如图2,铝翅片与铜管接触紧密,传热性能与空气流动性能良好。目前这类热交换器在空调中大量使用,由于采用铜管,材料成本高。 钢管缠绕钢带式热交换器材料成本低,但使用效果差,使用寿命短,能源浪费大;铜管串铝箔热交换器,使用效果好,但材料成本高。为了寻求一种材料成本低、使用效果又好的热交换器,我们以钢管代替铜管,铝箔串片涨紧代替缠绕结构,进行了理论计算分析和产品的试制、应用。 2·热交换器有关技术参数的分析、探讨 将钢管缠绕钢带式和钢管串铝箔热交换器的接触传热面积、散热面积、导热系数、材料成本和使用寿命进行比较。 2·1接触传热面积的比较 取l=1 000mm长的缠绕式散热管,螺线缠绕节距t=3·2mm,钢管外径d2=16mm,内径d1=14mm,钢带宽B=10mm,钢带厚δ=0.5mm,缠绕在l=1 000mm长的散热钢管上钢带全长L为: 由于是立着绕制,钢带绕在钢管上的接触面积几乎成了线接触,接触面积: 由计算可看出,缠绕带与散热钢管之间接触仅有35·16%的有效传导面积。故散热片热源端热传导面积较小,单位面积传导负荷大,尽管经过浸锌或浸锡已填充间隙,均只能降低接触热阻,对降低单位面积热传导负荷作用不大。 取1 000mm长的整体铝箔热交换器散热钢管进行计算分析,串片的铝箔厚度δ=0.15mm~0.2mm,翻边后高度(也就等于节距t)为3.2mm。从图2可看出,散热钢管只在铝箔翻边后的孔口处有R0.3mm未接触,即串在管子上的铝箔与散热钢管实际接触的长度为: l=3.2-0.3=2.9mm 则每1 000mm套铝箔在管子外径上的全接触面积 接触面积率: ε2=F2/F0=4 553/5 024=90.63% 两种接触面积率比较,接触面积之比: ω=ε2/ε1=90.63% /35.16% =2.58 由此可看出,整体串片热交换器接触面积是缠绕钢带式热交换器接触面积的2.58倍;而且整体串片热交换器通过涨紧,散热钢管与铝箔孔过盈配合,无间隙的圆柱面全接触,温度传递效果明显优于缠绕式的线接触,而且缠绕结构只要全部长度任一处破断,则整条散热管的热传导均会因缠绕断裂松开而失败,引发温度场的变化,而整体串片结构则不存在此种弊端。 2·2散热面积比较 钢管外径d2=16mm,钢带宽B =10mm,节距t =3·2mm,行距s =38mm,排距h =32.9mm 缠绕式热交换器的每一单元节距上散热面积f1: 铝翅片冲孔翻边如图3,整体串片式热交换器的每一单元节距上铝箔散热面积f: 每一单元节距的散热面积几乎相同。 2·3将两种散热片材料导热系数进行比较 钢带的导热系数: λ1=48W /m·k 铝箔的导热系数: λ2=238W /m·k 两种导热系数之比: λ2/λ1=238/48=4.96 可看出铝箔的热传导是软钢缠绕带的传热速度4倍以上,这将大幅提高传热效率。 2·4材料成本的对比 钢管外径d2=16mm,钢带宽B =10mm,钢带厚0·5mm,铝箔厚0.15mm,节距t=3.2mm,行距s=38mm,排距h =32.9mm,按目前市场价格,钢带为5 000元/t,铝箔为28 000元/t。 每米散热管上铝箔用量价格与钢带价格比较: 4.26元/6.94元×100=61.38% 铝箔用量价格仅为钢带用量价格的61.38%,而每米散热钢管用量价格相同,所以钢管套铝箔比钢管缠绕钢带式热交换器的材料成本低,在提高经济效益、降低生产成本方面占绝对优势。 2·5使用寿命方面 我们在实际调查中发现,许多钢管缠绕钢带式热交换器,在使用5年后就锈蚀,翅片表面生成铁锈;时间更长的缠绕带开始脱落,露出里面的散热管,而铝箔的使用寿命在10年以上,有的铝箔表面进行了氧化处理,我们看到使用了10多年的铝箔用清水洗去灰尘后,表面还很光亮。 3·钢管套铝箔热交换器的试制、应用 钢管套铝箔热交换器的结构和铜管套铝箔热交换器的结构相同,钢管套铝箔热交换器制作的关键工艺是涨管,我们研制了一台钢管套铝箔热交换器专用的ZG16-180液压钢管涨管机,采用推涨法,用铝箔冲孔翻边套在钢管上,将钢管涨大(连同铝箔孔一起涨大),这样铝箔牢牢套紧且全接触于钢管上。生产了10排管的钢管(Φ16×2)套铝箔热交换器(迎风面积1.5m×1.0m),这种钢管套铝箔热交换器已在某厂正常使用多年,使用效果良好。 4·结论 由以上分析计算得出:钢管套铝箔热交换器在传热性能、使用寿命、材料成本等方面均优于钢管钢带缠绕式热交换器,钢管套铝箔热交换器具有推广应用的价值。 参考文献 [1]成大先.机械设计手册[M].北京化学工业出版社,2009 [2]丘军,施永年.一种翅片式热交换器换热表面积及其材料用量的实用计算法[J].制冷学报,1994(1):28-32 作者简介:童鸿斌,(1968-),男,工程师,1992年毕业于焦作矿业学院机制专业,工学学士,现主要从事机械设计和制造工作。 |
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