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不同金属换热面对总传热系数的影响
吴植仁 毛四成
(湖北永大换热设备有限公司)
摘 要：铜是重大战略物资,我国每年约60%的铜需要进口,制冷空调机组中的两器(蒸发器和冷凝器)是耗铜大户,用其他金属代替铜意义重大。本文整理有关金属替代的实践成果,证明换热面采用的金属的导热系数大小对换热器的总传热系数的影响不大;而换热器的结构型式、流体的流动状态、是否采取强化措施对总传热系数有显著的影响。为制冷空调机组中两器实现以铝代铜和以不锈钢代铜,提高两器的性价比提供实践和理论依据。
关键词：换热器;总传热系数;导热系数;蒸发器;冷凝器;换热面
铜在我国是仅次于石油的重大战略物资,我国人均铜的占有量只有世界平均水平的26%。我国每年约60%的铜需要进口,而换热设备又是耗铜大户,因此寻求用其他金属代铜意义重大。而在换热设备换热面的选材问题上,存在着认识上的误区。不少人认为金属的导热系数是决定总传热系数的一个决定性因素,又由于铜材具有很高的导热系数,就认为铜是换热面的首选材料。
近年来,国内一些研究人员积极开展了“代铜”的研究工作,取得了显著的经济效益和社会效益,如江苏兴荣高新科技股份有限公司生产的铜铝复合管(ACC管)。笔者多年来从事换热设备设计、制造和使用,并未发现用导热系数很小的金属代替铜后,对总传热系数有明显的影响。笔者总结有关金属替代的实践成果,证明金属换热面导热系数大小对换热器的总传热系数的影响不大而换热器的结构型式、流体的流动状态、是否采取强化措施对总传热系数有显著的影响。笔者通过计算,量化金属导热系数大小对换热器的总传热系数的影响。为制冷空调机组中两器(蒸发器和冷凝器)实现以铝代铜和以不锈钢代铜,提高两器的性价比提供实践和理论上的依据。
1 有关金属替代的实践成果
近年来,笔者曾对不同工况下换热器的换热面进行了代铜实践研究,现整理于表1中。
由表1可见:用不锈钢代替紫铜管,虽然前者的热阻大48倍,但总传热系数反而增加42%;用不锈钢代替钢管,虽然前者热阻大3.7倍,但总传热系数反而增加108%;用钛材代替白铜管,虽然前者热阻大4.56倍,但总传热系数增加80%。由此可见,在换热器中,换热面的材质及其热阻的大小对总传热系数的影响不大,而换热器的结构型式、流体的流动状态、是否采取强化措施对总传热系数有显著的影响。
2 金属替代对总传热系数影响的量化分析
2. 1 换热器的总传热系数
不计垢阻,管壳式换热器的总传热系K用式(1)计算:
式中:Ko为蒸发总传热系数(W /(m2·℃));Kk为冷凝总传热系数(W /(m2·℃));αf为空气侧对流换热系数(W /(m2·℃));αk为工艺介质侧对流换热系数(W /(m2·℃));αo为制冷剂侧对流换热系数(W /(m2·℃));δ为换热面材料的厚度(m);λ为换热面材料的导热系数(W /(m·℃))。套片式散热管空气侧对流换热系数αf可用关联式(4)[1]求得:
上式的适用范围:Ref=500~10 000;Sf/db=0.18~0.35; tf=-40~40℃;L/de=4~50;s1/db=2~3。对于叉排管簇,按式(4)计算的给热系数还要增加10%。对于一正三角形叉排的套片式散热器,管子是10mm×0.7mm的紫铜管,翅片为厚δ=0.2mm的平直铝翅片,管子共4排,垂直于气流方向管的中心距为25mm,翅片节距Sf=2.2mm,空气平均温度tf=22℃,迎面风速=2.5m/s。
2. 2 不同金属对管壳式换热器和套片式散热器总传热系数的影响
现分别考察不同金属管对管壳式换热器和套片式散热器总传热系数的影响。对管壳式换热器,分别考察了水-气冷凝(此时气侧冷凝对流换热系数取5 000W /(m2·℃),水侧对流换热系数取2 000W /(m2·℃))和水-水换热(水侧对流换热系数均取2 000W /(m2·℃))2种工况。对套片式散热器,分别考察蒸发和冷凝2种工况,管内的工质都是R22,且工况相同,即αo=1 000W /(m2·℃),αk=2 000W /(m2·℃)。管外翅片又分2种,一种为平直翅片αf=53W /(m2·℃),另外一种为锯齿翅片(效率较平直翅片可提高40% ),此时αf=74.2W /(m2·℃)(注:光管内R22的对流换热系数范围:蒸发αo=1 000~2 000W /(m2·℃),计算时取1 000W /(m2·℃);冷凝αk=2 000~3 000W /(m2·℃),计算时取2 000W /(m2·℃))。忽略污垢热阻,当管壁厚度均为1mm时,5种导热系数不同金属管按式(1)、(2)和(3)计算的总传热系数值,其结果列于表2中。由表2可见:
1)虽然不锈钢的热阻比紫铜大23.96倍,但在管壳式换热器中,用不锈钢代替紫铜,其总传热系数只降低5.5%~7.7%;在套片式散热器中,其总传热系数只降低0.1%左右,这说明,材料的导热系数对总传热系数影响不大,在设计换热器时无需过多考虑材料导热系数的大小。
2)但是将平直翅片改为锯齿翅片(αf约增加40%,即由53W /(m2·℃)增加到74.2W /(m·℃),其总传热系数可增加37.1%~38.6%,这说明,强化换热系数小的一侧换热,对提高总传热系数的效果较显著。
3)铝的密度最小,故单位换热面的金属消耗量最少,而且单位换热面的材料购置费最低,是理想的替代铜的材料。但由于铝的线膨胀率较大在设计换热器时,须设法消除热膨胀应力,此外铝对焊接条件要求较高。
4)虽然钛具有很高的比强度,但因其价格过高(约为碳钢的50倍以上),只宜用在换热器的关键部位,比如用海水作为冷却水的冷凝器,其换热芯采用钛,而外壳用碳钢制造。
3 经济性
以上讨论了用其他金属替代铜对传热性能的影响,本节将讨论其经济性。为便于量化,不考虑总传热系数大小对整体换热器造价的影响,而以毎平方米换热面的材料购置费为基准,对材料必需的安全厚度(铜为0.8mm,铝为2mm,不锈钢为1.5mm)、密度、价格,进行对比,结果列于表3。
由表3可见,即使考虑到材料的安全厚度,在铝材厚度增大2.5倍的条件下,单位换热面的材料购置费铝材也只是铜材的26.7%。
4 结论
铜是重大战略物资,我国每年约60%的铜需要进口,制冷空调机组中的两器是耗铜大户,以铝代铜意义重大。实践证明换热面采用的金属导热系数大小对换热器的总传热系数的影响不大;而换热器的结构型式、流体的流动状态及是否采取强化措施对总传热系数有显著的影响。在材料安全厚度的条件下,铝材单位换热面的材料购置费只是铜材的26.7%,又由于铝钎焊技术日益成熟,铝材的厚度可进一步减薄,其购置费仍有下降的空间。
参考文献
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