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单一金属高螺纹翅片管换热器的探索与实践点击：2068 日期：[ 2014-04-26 22:14:22 ] |
| 单一金属高螺纹翅片管换热器的探索与实践 王家明 王正全 (杭州杭氧透平机械有限公司,浙江省杭州市东新路388号 310004) 摘要:通过对管壳式换热器几种常见翅片管的结构特点、换热性能和制造经济性进行分析比较和研究,研制出传热效率更高、结构更紧凑、制造成本更低廉的新型换热元件———单一金属轧制的高螺纹翅片管;提出了传热学意义上最佳翅片截面轮廓线的通用解析式。通过生产实践与不断改进,形成了一组高螺纹翅片管系列产品,并成功地应用于为透平压缩机配套的大中型管壳式换热器。 关键词:透平压缩机;管壳式换热器;高螺纹翅片管 中图分类号:ＴＨ452 文献标识码:Ａ 换热器是一种既成熟又不断有创新的机械产品,在各种热力机械、石油化工机械中广泛应用。换热元件的生产需消耗大量的贵重金属,在机械产品中占有十分重要的地位。自第一次工业革命以来,人们一直在不断寻找换热效率更高、结构更紧凑、成本更低廉、更耐用的新型换热元件。在机械产品日趋大型化和有色金属材料价格持续上涨的今天,如何进一步提高换热元件的换热效率、缩小换热器的尺寸、降低生产成本成了工程界面临的重要课题。 1 几种常见翅片管的特点 由于气、液之间热物理性能的巨大差异,工程上普遍采用翅片管作为“气—液”间热交换的基本换热元件。其中外翅翅片管结构简单,易于制造,材料消耗少,适合大量生产,适用于大中型换热器的制造。 工业上常用的外翅翅片管主要有3种形式。 (1)缠绕式翅片管,又称绕片式翅片管。它是用铜带在铜管上侧绕形成翅片,再钎焊成一体。缠绕翅片的内侧形成波纹状褶皱。翅片越高,褶皱起伏越大。褶皱的存在不仅使翅片节距难以减小,而且当气流横掠翅片管时产生很大的流动阻力。加上钎焊的难度和复杂的制作工艺,使缠绕式翅片管的应用受到很大限制。 (2)叠片式翅片管,也称套片式翅片管。它的翅片通常是用铜片或铝片经模具冲压成形,翅片大多成矩形。一张翅片上可以多达数十甚至数百个冲孔,孔口翻边,翻边的高度决定了翅片管上翅片的节距。冲孔套入铜管并经胀管处理后,铜管与翅片间可形成过盈连接,因而接触热阻较小。叠片式翅片管的优点是换热面积大,管束单元整齐美观、刚性好,气流流动阻力小。 但经过多年的应用暴露出了一些缺点:一种规格的翅片只能适应一定范围的换热工况。如果要能较好地适应不同的换热条件,就必须改变翅片的规格(管径、管心距、孔数及翅片节距等),重新制作翅片的冲模。但翅片冲模的制作成本高,周期长。这对于从事多品种、小批量或单件生产的换热器生产企业来说很难适应。多管结构的翅片单元最能体现叠片式翅片管的特点,但多管的单元结构也造成设计条件改变时管束排列调整的不便,往往造成换热器体积过大,换热效率低下。因此,叠片式翅片管换热器比较适合针对产品设计翅片、批量生产的定型产品。此外,在长期过盈应力的作用下,翅片冲孔不整齐的边缘可能出现裂口并逐渐扩大,最终使翅片松动,换热失效;经胀管处理的管内壁过分光滑,使管内流体不易形成紊流,对换热不利。 (3)双金属高螺纹管,通常选择强度好的铜管作为内衬管,管外套入高塑性的铝管,经轧制后使两层管连成一体,并在外层铝管上形成螺纹状高翅片。 轧制螺纹管的一大优点是可以用相同规格的轧刀在不同直径的管子上轧制成不同高度的翅片,因而轻易解决了多品种、多规格翅片管的制造问题。螺纹管轧制过程的连续性以及一次加工成形和无屑加工的特点大大提高了劳动生产率,降低了制造成本。在管束的排列上,单根翅片管极大地方便了设计者对管束陈列进行最合理布置与调整。采用双层管结构有利于针对管、壳两侧流体的不同化学特性选择不同的材料与之相匹配,因此在化工设备中应用较多。例如,上述的“铜—铝”复合管能较好地适应壳层介质含浓度不高的氯离子或氨气的场合。 另一方面,双金属螺纹管也有缺陷。在放大镜下不难发现,解剖后的双金属螺纹管两层管壁之间结合并不紧密,管壁间的实际接触面成螺旋状。这是由于在外管螺纹翅片的轧制过程中,螺纹沟槽处的管内侧表面同时形成了螺旋状凸起。不难想象,在长期的使用过程中,空气或壳层介质中的有害物质会通过两端的管壁间隙或外层管壁的缺陷渗入两层管壁之间的缝隙,侵蚀管壁,致使内外管壁的接触日趋恶化。因此,管壁之间的接触热阻是进行换热计算时不可小看的不利因素;而且,双层管壁结构不仅增加了材料消耗,也增大了翅片管和换热器的体积。 2 单一金属高螺纹翅片管的传热分析及最佳翅片轮廓线概念 从以上的分析不难想象,如果能轧制成单一金属的高螺纹管,将会得到一种综合性能较为理想的翅片管。过去,螺纹管生产企业由于技术装备条件的限制和轧管技术的不成熟,只能生产翅片高度小于3ｍｍ的低螺纹管。由于低螺纹管翅化率低,不能有效弥补壳程气流放热的不足,换热效率十分有限。从2003年底开始,杭州杭氧透平机械有限公司与相关企业进行合作,试制翅片高度大于6ｍｍ的高螺纹管。同时对螺纹管的局部结构进行优化,使之在具有良好的结构性和轧制工艺性的同时更加符合换热器的特定要求。 翅片管对管外流体的放热集中在翅片的两个侧面上,可以把通过翅片表面传递的单位热量想象成一条热流流线,这些流线沿翅片的高度方向向翅根伸展,最后到达翅片管的内表面并把热量传递给管内流体。显然,越接近翅片根部,热流流线越多。为了使翅片的热传导阻力不随流线的伸长而增大,在通过翅片管中心线的剖面上,从翅顶到翅根的翅片横截面宽度必须相应增大。 从传热的角度考虑,把最佳翅片截面轮廓线定义为:在垂直于热流流线方向上,各翅片截面的热传导阻力相等的翅片轮廓线。即具有最佳翅片截面轮廓线的翅片,在材料各处热导率均匀的前提下,平行于翅片管轴线的任一圆柱面截取的翅片截面上的平均热流密度相等。 假定气流流过翅片表面各点的相对速度相等,翅片表面上各点温度相等。从传热学的基本定律可知,单位翅片表面对流体的放热量也必定相等。 通过翅片管轴线的翅片截面如图1所示。令ｘ为翅片高度方向的坐标轴;ｙ为轴线方向的坐标轴;ｔ为翅片节距;Ｒ1为翅根圆半径;Ｒ2为翅顶圆半径;ｆ(ｘ)为最佳翅片轮廓曲线表达式。 在Ｒ1≤ｘ0<Ｒ2的范围内,ｘ0点外侧轴向长度为ｔ的翅片表面积为: 对式(1)ｆ(ｘ)求解,可以得到传热学意义上的最佳翅片轮廓线,这对于翅片的优化设计有重要指导意义。 在单一金属高螺纹管的开发期间,杭州杭氧透平机械有限公司主要从翅片的轧制工艺性和制造经济性考虑,减少试制难度,暂时把翅片截面形状确定为以翅顶为顶点的等腰三角形。与矩形截面翅片相比,三角形截面翅片温度场的分布更加匀称、合理,如图2、3所示。 翅片管的翅片效率可以用式(2)来评定: 式中:α为翅片的相对表面传热系数(表观表面传热系数与实际表面传热系数之比);δ为翅片的相对厚度(翅片平均厚度与翅根圆直径之比);ｈ为翅片的相对高度(翅片高度与翅根圆直径之比)。 由式(2)可知,翅根附近的翅片效率较高。距离管心越远,翅片效率越低。由此可见,多管结构的叠片式翅片管单元比圆形翅片管多出的那一部分翅片面积是翅片效率较低的部分;而且,翅片高度过低,换热面积过小,不利于换热。因此,可以通过控制翅片的截面形状、平均厚度和翅片高度寻求翅片效率与换热面积的恰当组合,达到既提高翅片管换热性能又节约金属材料的双重目的。 在轧制螺旋形翅片的同时控制好残余管壁厚度,可以在翅片管的内壁形成明显的螺旋形凸起,如图4所示。螺旋形凸起的存在有利于管内流体形成紊流流动,强化管内换热。 气流在横掠翅片管时,只要达到一定的流速,每一片翅片的边缘都可以扰动气流,促使流经翅片表面的流体形成紊流状态,强化管外换热。 3 工程应用 从2004年开始,杭州杭氧透平机械有限公司把以铜为原材料的高螺纹翅片管应用于透平压缩机中间冷却器的设计制造。经过不断的实践与改进,现已形成了一个比较完整的高螺纹翅片管系列,可以满足公司各种透平压缩机的配套需要。3年来的实践证明,与叠片式翅片管换热器相比,采用单金属高螺纹翅片管作为换热元件的冷却器传热性能显著提高。只要管束结构合理,参数选择恰当,冷却器的传热系数可以达到80Ｗ/(ｍ2·Ｋ)以上,冷却器的排气温度与进水温度之差可以减小到3℃。冷却器的外形尺寸明显减小。因此,现已着手在满足产品性能配套要求的前提下进一步缩小管束和冷却器的体积,以降低生产成本。 继开发出纯铜的高螺纹翅片管后,杭州杭氧透平机械有限公司又先后试制成功以黄铜、白铜和铝合金为原材料的单一金属高螺纹翅片管,以适应不同介质、不同场合的需要。 |
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