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电化学腐蚀对翅片管换热器性能的影响点击：2074 日期：[ 2014-04-26 21:53:27 ] |
| 电化学腐蚀对翅片管换热器性能的影响 赵 宇1,王勤韧1,陈江平1,申 隽2 (1上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海200240;2国际铜业协会广州代表处,广东广州510620) 摘要：翅片管换热器的铜管与铝翅片之间容易发生电化学反应,在铝翅片表面形成一层三氧化二铝,增大换热器传热热阻,影响换热器乃至整个空调系统的性能。对翅片管换热器分别进行48 h和96 h的盐雾腐蚀实验,然后对腐蚀前后的实验样件测试其传热及压降特性,结果表明,翅片管蒸发器经盐雾腐蚀以后,其风阻变化在5 Pa以内,而换热量最多会降低12·5%,总的传热系数最多会减少16·6%,传热热阻最多会增加20%。 关键词：翅片管换热器;电化学腐蚀;传热系数;热阻 中图分类号：TB 65 文献标识码：A 文章编号：0438-1157 (2010) 01-0022-05 引 言 节能与环保一直以来都是空调行业最重要的主题。为了提高空调系统的性能,各种新型的换热器形式如层叠式换热器、微通道平行流换热器等被不断提出并投入使用,然而传统的翅片管结构的换热器如今仍然被广泛应用于家用空调、商用空调以及汽车中的大巴空调等领域。翅片管换热器一般采用铜管加铝翅片的结构形式(如图1),这种形式易于加工并且成本较低,但是由于铜铝原子结构不同,铜管和铝翅片之间存在很大的电位差,在潮湿环境下会发生电化学腐蚀现象:铝不断丢失电子而变成铝离子进而与氧离子结合生成三氧化二铝(Al2O3)。三氧化二铝是一种绝缘绝热的物质,热阻非常大,这种物质的存在会使换热器的性能降低,进而降低空调系统的效率。据有关数据统计,目前国内公交车空调在使用一年以后,其性能会下降20%左右,这是由多种原因造成的,然而翅片管换热器本身换热性能的下降是一个很重要的原因。 关于翅片管换热器长期使用造成性能老化的问题,国内外学者也展开了相关的研究。大多数研究主要是针对翅片管换热器的灰尘污垢[1-3]以及微生物污垢[4-5]对空气侧换热性能的影响,并且多是对于船用及海水冷却系统中换热器的研究[6-7]。对于换热器腐蚀的研究主要集中在生成机理与防治方面[8-11],并且大多数对换热器空气侧性能的研究都是用水作换热工质,真正对空调系统中翅片管换热器腐蚀对其性能的影响几乎没有相关研究。本文对目前大巴空调系统中的蒸发器进行不同程度的盐雾腐蚀实验,分别对腐蚀前后的样件测试其性能,研究电化学腐蚀对翅片管换热器性能的影响。 1 实验样件及装置 1·1 实验样件 本实验选取典型的大巴空调中使用的翅片管蒸发器作为实验样件,其结构为铜管外套平直铝翅片,主要结构参数见表1。 为了研究电化学腐蚀对铜管铝翅片换热器性能的影响,分别对蒸发器样件进行48 h和96 h的中性盐雾腐蚀实验,该实验可以加速换热器表面的腐蚀速度,模拟换热器实际运行长期受腐蚀的效果,从而更方便地研究电化学腐蚀对换热器性能的影响。实验依照国家标准[12],在盐雾试验台上进行,具体实验条件如下:盐雾成分为氯化钠和蒸馏水,氯化钠浓度(50±5) g·L-1;溶液pH值6·5~7·2;盐雾箱内温度(35±2)℃。进行不同程度中性盐雾实验后的样件照片如图2所示,可以看到盐雾实验以后铜管铝翅片蒸发器表面有较明显的腐蚀痕迹。 1·2 测试装置及工况 对于腐蚀前后样件性能的测试采用焓差法,在标准的汽车空调综合性能实验台上完成。本实验台的基本结构如图3,主要由蒸发器室、冷凝器室、数据采集模块以及控制终端构成。在实验过程中,样件安装于风洞出口,由风洞内的喷嘴控制风量,环境温、湿度由空调系统及电加热系统控制,系统内制冷剂的状态由多个温度压力传感器测量并由电脑自动控制,通过计算换热器的空气侧进出口焓差及制冷剂侧进出口焓差来测量样件的换热能力,一般认为换热器单体实验空气侧换热能力与制冷剂侧换热能力相差在5%以内实验结果才有效。实验台的各个传感器的精度如表2所示,根据Moffat的误差分析方法[13]可以计算出本实验台对于蒸发器风量测量的不确定度为1·9%,对于换热量测量的不确定度为3%。 对于盐雾腐蚀前后的翅片管蒸发器样件都在相同的实验工况下测试其换热性能和空气侧压降特性。实验工况依据汽车空调实验测试标准[14],具体设置为:蒸发器进口空气干球温度(27±0·5)℃,湿球温度(19·5±0·5)℃;膨胀阀进口压力(1·5±0·03) MPa (G);蒸发器出口压力(0·2±0·02) MPa (G);阀前过冷(5·5±1)℃;出口过热(10±1)℃;蒸发器风量分别为300、400、550、720 m3·h-1,采用R134a作为制冷剂。 2·实验数据处理 根据传热学的知识,换热器空气侧传热系数ho、制冷剂侧传热系数hi、管壁的热导率kw与换热器总的传热系数U具有以下关系[15] 其中,等式左边部分即为换热器总的热阻,等式右边分别为换热器空气侧热阻、制冷剂侧热阻以及管壁的导热热阻。 换热器总的传热系数U可以根据实验测得的换热量Q由如下关系计算： 3 实验结果分析 3·1 腐蚀对翅片管换热器空气侧压降的影响 腐蚀对翅片管换热器空气侧压降的影响如图4所示,可以看到翅片管换热器经过腐蚀以后,空气侧压降的变化并不大,腐蚀前后风阻最多相差5Pa左右。在风量较小的情况下,腐蚀后换热器的风阻会有一定程度的增大,这主要是由于经过电化学腐蚀换热器翅片表面不再光滑,会导致风阻变大。而在风量较大的情况下,新换热器由于表面冷凝水较多,与腐蚀后换热器相比风阻反而更大,腐蚀后换热器的换热量较小,冷凝水量也较少,由冷凝水产生的风阻不明显,因此还是腐蚀更严重的换热器风阻要更大一些。因此在大风量的情况下,新换热器的风阻明显比腐蚀后换热器的风阻大,经96 h盐雾腐蚀的换热器风阻比经48 h盐雾腐蚀的换热器的风阻略大。 3·2 换热量与传热系数 图5所示为在不同程度盐雾腐蚀实验以后蒸发器换热量随风量的变化。可以看到经过盐雾腐蚀实验以后,翅片管蒸发器换热量有明显的下降,并且盐雾实验越久的样件,换热性能下降越严重,与全新的蒸发器相比,腐蚀后蒸发器换热量最多会有12·5%的降低。这是因为换热器翅片表面由于电化学腐蚀而产生的三氧化二铝薄膜随着腐蚀时间的增加而变厚,会严重影响换热器的换热能力。相应地,换热器的总传热系数也会由于腐蚀而降低(图6),最多会降低16·6%。并且可以看到,对于清洁的换热器,传热系数与风量基本呈线形关系。而换热器受腐蚀以后,由于热阻变大,导致换热器在大风量情况下的换热性能下降,传热系数随风量增加的速度变慢。 3·3 腐蚀热阻 在换热器的设计计算中,一般都需要考虑在有一定污垢后换热器仍能胜任工作,因此也就有了污垢热阻的概念,即用有一定污垢的换热面热阻减去清洁换热面的热阻。与此类似的,换热器受到电化学腐蚀以后换热性能会有明显的下降,这是由于腐蚀造成了热阻的增加,因此可以定义换热器的腐蚀热阻如下： 式中 R、U分别为清洁换热器的热阻和传热系数,Rc、Uc分别为盐雾腐蚀后换热器的热阻和传热系数,ξ为换热器的腐蚀热阻。图7显示了腐蚀后换热器传热热阻的变化,图中不同风量下腐蚀后换热器热阻增加的部分即为换热器的腐蚀热阻。可以看到经过盐雾腐蚀以后,换热器的传热热阻最多会增加20%。而在腐蚀后的蒸发器样件中,腐蚀热阻在总的换热器热阻中所占的比例最多也可达17%。由此可见,换热器铜管铝翅片之间的电化学腐蚀会对换热器的传热热阻产生非常大的影响。 4 结 论 (1)铜管铝翅片换热器不同材料间的电化学腐蚀会对换热器的性能产生一定的影响,对换热器的风阻影响不是十分明显,但是经过盐雾腐蚀的换热器的换热量和传热系数与新换热器相比最多分别会减少12·5%和16·6%。 (2)铜管铝翅片蒸发器受到腐蚀会产生很大的腐蚀热阻。蒸发器腐蚀后其热阻比新蒸发器最多增加了20%,对于腐蚀后的蒸发器样件,其传热热阻最多有17%是由腐蚀热阻构成的。因此电化学腐蚀会对铜管铝翅片换热器的换热特性产生很大的影响,努力避免或减少电化学腐蚀是提高管片式换热器长效性能的重要方法,目前主要可以采用耐腐蚀涂层来减少电化学腐蚀的影响,另外全铝制或者全铜换热器也是一个可以考虑的方向。 参考文献：略 |
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