複合翅片管

隨着中央空調在生產和生活中的廣泛應用，對中央空調中的重要傳熱元件—翅片管的研究也就顯得越來越重要.目前，中央空調中應用得最為廣泛的翅片管為內外翅片紫銅管.這種管子雖然傳熱性能比較好，但消耗銅也多，導致生產成本的增加.因此，對翅片管生產的研究將圍繞着如何有效節約銅金屬的使用來展開，從而最終達到既提高中央空調工作效率、又降低生產成本、為國家節約貴重資源的三重目的 ^[2]  。

複合翅片管正是為了滿足這些需要而產生的.它綜合了複合管和翅片管各自的優點，是一種當前國際上研究較為廣泛的新型高效傳熱管. 綜合國內外資料來看，對於複合翅片管系列產品的開發，以日本進行的較多.如日本專利文獻報導過用軋製法生產外鋁內不鏽鋼複合徑向翅片管和焊接法生產外鋁內不鏽鋼軸向複合翅片管.但日本所開發的這類產品均為內光面外翅片複合管，還不能達到充分利用管子內表面積、提高其傳熱性能的目的，且這些文獻均為日本專利，所以，對於複合翅片管的生產工藝未作更詳細的報導。

複合翅片是對翅片採取兩種(或多種)不同的處理方式來強化其換熱的翅片形式，突出特點是可以在同一個翅片上集成不同強化方式的優點，從而獲得更好的綜合性能。一些專家和學者己經注意到了複合翅片的優勢，並開始關注其發展，但目前的研究還不太多。Sanders ^[3]  在百葉窗開縫翅片上加裝了三角翼作為縱向渦發生器，並對結構進行了優化，結果顯示這種翅片形式的換熱性能較普通百葉窗翅片提高39%，阻力提高23 % 。Tian等 ^[4]  用湍流模型對波紋翅片和帶直角三角形小翼的波紋翅片的換熱進行了研究，果顯示:三角翅產生的縱向渦可顯著改善尾跡區的換熱，在叉排、順排佈置的情況下，換熱分別增強13.1%, 7.0%，但阻力分別增加15.4%, 10.5%。

雙金屬軋製翅片管由基管和包裹在外的翅片組成，基管通常為碳鋼管、不鏽鋼管或銅管，將鋁管套在外面，然後用專用軋機將鋁管擠壓成翅片，同時在基管外形成一層薄的底層將基管緊緊裹住。

雙金屬翅片管的主要優點是:基管為鋼管，機械性能、耐温、耐壓性能和抗腐蝕性能較好;外層材料為鋁，重量輕，價格較低，加工容易，有較好的抗大氣腐蝕能力，外形美觀;翅片強度高，可以承受高壓沖洗除垢;一般不會因基管腐蝕和氧化而增加翅片和基管的接觸熱阻，傳熱性能略優於繞片式翅片管，因此應用越來越廣，特別是在煉油、化工、發電行業得到大規模應用。

換熱器的設計同時涉及到流體流場和温度場的分佈問題 ^[2]  。一方面，由於目前基礎數學知識和理論流體力學的發展水平對於結構比較複雜的換熱設備不可能通過求解流體流動與傳熱控制微分方程的解析來得到換熱器的內部特性。工程實際中，通常是利用相似原理，以簡化的換熱器模型為基礎，進行流體流動和傳熱的數據測量，再通過放大等數據後處理方法得到與實際情況相接近的特性參數。但是，由於換熱器應用工況日益多樣化以及自身結構不斷複雜化，傳統的實驗手段和理論方法已很難滿足該領域研究和開發的需要。另一方面，隨着現代計算機技術的進步和先進數值算法的發展，計算流體力學(CFD)和計算傳熱學(NHT)技術從20世紀60年代以來在世界範圍內得到了迅速發展。和實驗研究相比，利用CFDHT技術進行換熱器研究具有費用低、速度快、能模擬較複雜和較理想過程等優點;同時可以觀察不同操作參數對求解問題的影響，獲得所有相關變量的詳細信息以及潛在的物理過程。因此，利用模擬所得數據對實際設計方案進行評估、選擇和優化，再通過有限的實驗對分析結果進行檢驗，可以大幅度減少研究所需的工作量和經費。但數值模擬的準確性與數學模型和數值方法有關，而且受到計算機容量的限制，其正確性還需要實驗檢驗。

翅片管式換熱器空氣側主要是對流換熱，對流傳熱強化技術可以分為無源技術和有源技術兩種，無源技術是指除了支持流體流動的功耗外不再需要額外動力的強化傳熱方式，有源技術是指需要依靠外部動力的輔助來實現強化傳熱的方式。無源強化技術主要有:處理表面(表面處理成多孔或鋸齒形)、粗糙表面、擴展表面、擾流元件、渦流發生器、螺旋管、表面張力元件(換熱表面的某些特殊結構，如多孔結構)、添加物(在流體中加入特殊的添加物等);有源強化技術主要有:機械攪動、表面振動、流體振動、電磁場、噴注或抽吸、射流衝擊 ^[5]  。

目前的強化傳熱翅片主要是採用無源技術來強化流體側的對流換熱。關於對流傳熱強化的的物理機理可以歸結為:a加強壁面區域和中心區域流體的混合;b流動邊界層的減薄;c二次流的形成和湍流度的增強等。翅片管式換熱器中，流體的流態可分為層流和湍流，不同的流動狀態下，翅片的強化傳熱機理和強化方式有所不同。在層流情況下，流體的速度分佈和温度分佈呈拋物線狀，流體與壁面間的温度梯度產生在整個流動截面上，因此對層流換熱所採取的強化傳熱措施主要是使流體產生強烈的徑向混合，改善核心區流體的速度場、温度場的均勻性，從而使壁面及壁面附近區域的温度梯度增大，來強化換熱。在湍流情況下，流體核心區的速度場和温度場都己經比較均勻，對流換熱熱阻主要存在於貼壁的流體粘性底層中，因此對湍流換熱所採取的主要強化措施是破壞邊界層的發展，即增加對邊界層的擾動以減薄層流底層的厚度，使傳熱温差發生在更加貼近壁面的流體層中，從而達到強化傳熱的目的。在翅片管式換熱器中，由於風機流量在不同的換熱器結構下是不同的，對應的流動狀態既會有層流也有湍流，所以在研究強化傳熱翅片時層流模型和湍流模型都會得到應用，而對應的強化機理也是複雜的。

目前，複合翅片管的生產方法主要有焊接法和軋製法兩種 ^[6]  。

焊接法:是在雙金屬複合管的基礎上，用焊槍將金屬翅片直接焊接在複合管的外表而。用這種方法可根據產品的需要選擇不同尺寸、不同材質的外翅片進行焊接，因而能生產出多種規格的複合翅片管，但由於焊縫處存在大量的氧化物及雜質，致使傳熱效率大大降低，所以這種複合翅片管的性能不佳。

軋製法:是在雙金屬複合管內襯一芯棒，經軋輥刀片的旋轉帶動，複合管通過軋槽與芯頭組成的孔腔在其外表而上加工出翅片。這種方法生產出的傳熱管因其外管與翅片是一個有機的整體，所以不存在接觸熱損耗的問題，具有良好的性能與較高的傳熱效率。本次實驗選擇三輥軋製法來研究複合翅片管，通過分析軋製壓下量、外管壁厚、金屬狀態和芯頭螺旋角對內外翅片形成的影響。

隨着軋製壓下量的增加，外翅高和內凸筋高也不斷增大。根據軋製過程中金屬流動規律，增加壓下量，刀片切人銅管的深度將增大，由於受軋製形狀的限制，徑向壓縮出金屬不可能向軸向流動，所以被迫向阻力較小的軋輥刀片之間的空隙流動，從而達到增加外翅片高度的目的。此外，隨着軋製壓下量的增加，內層鋁管所受軋製擠壓力也將增加，在周向擠壓力的作用下，徑向壓下的金屬向內螺旋芯頭的凹槽處流動，提高了凹槽處金屬填充率，從而達到了增加內凸筋高度的目的，因此，軋製壓下量的增加，有利於提高翅片管的外翅高和內凸筋高，達到改善傳熱性能的要求 ^[2]  。

需要指出的是:軋製壓下量並不是越大越好，因為壓下量愈大，軋製力也要相應增加，如超過外層金屬的變形抗力，會導致軋卡。再者，為了保證傳熱管的順利組裝，複合翅片管的外徑應略小於其光面管坯的外徑，如壓下量太大，翅片高度增加過多，可能會超出其使用要求。

複合翅片管作為換熱元件，長期工作於高温煙氣的工況下，比如鍋爐換熱器用翅片管使用環境惡劣,高温高壓且處於腐蝕性氣氛,這要求翅片管應具有很高的性能指標 ^[5]  。

1)、 防腐性能（Anti-corrosion）

2)、 耐磨性能（Anti-wear）

3)、 低的接觸熱阻(lower contact resistance)

4) 、高的穩定性（Higher Stability）

5) 、防積灰能力

在相同外徑、內管壁厚和軋製壓下量的前提下，外管壁越厚，則只需要較小的軋製壓下量，複合管壁就與芯頭接觸，剩下更多的壓下量則集中於複合管坯外翅和內凸筋形成，所以導致了外翅高和內凸筋高的增加。可見管坯壁厚大小對外翅高影響顯著，對內凸筋有一定的影響。因此，可得出以下結論:為了得到較高的外翅和內凸筋，應增加管坯壁厚，但這也導致了翅底壁厚的顯著增加，從而大大降低了複合管的傳熱性能，而且管坯壁厚的增加也會帶來原材料的浪費，反而增加了生產成本 ^[7]  。

當鋁管強度越大，即機械強度比越小時，所形成的外翅片高度增大，內凸筋高度減小，這是因為內鋁管強度越大，其抗塑性變形能力越強，因而在相同的軋製力作用下，內凸筋高度也相應降低。但內凸筋高隨鋁管強度增加而減小的規律並不是很明顯，主要因為內凸筋的形成相對於外翅片的形成更困難，受變形抗力影響更小的緣故。相反，外翅高的形成較易，受變形抗力影響大，塑性變形將集中在較易變形的外銅管。綜合分析得知，為了適應導熱性能的要求，實際生產中應選擇機械強度較接近的金屬狀態進行軋製。

中冷器複合翅片管材料選擇與結構匹配不合理以及工藝選擇不合理導致中冷器製造過程中的失效經常發生。主要的失效形式 ^[8] 

(1)內翅片焊接不良。內翅片焊合率不足或幾乎沒有形成焊接接頭。

(2)外翅片焊合率不夠，或外翅片與焊管未形成焊縫連接。

由於前述焊接不良，中冷器不能滿足使用條件，裝機後在內部高壓、高温和脈衝壓力作用下提前失效，嚴重時中冷器工作時間不足20h即失效。

造成這些失效的原因主要是:

(1)釺料與工藝匹配不合理。中冷器複合翅片管釺料層可以選擇4045或4343，但是由於兩種釺料的熔點不同，釺焊温度與釺焊時間存在差異，不合理的釺焊温度與釺焊時間必然造成焊縫缺陷。

(2)焊管、內翅片、外翅片的材料厚度、材料狀態等選擇不合理，導致零件的結構強度不匹配。內翅片與焊管之間、外翅片與焊管之間存在間隙，焊接過程中因間隙過大無法彌補而至無法形成正常焊縫。

(3)焊管與翅片尺寸設計不合理。焊管內部寬度尺寸大於內翅片高度尺寸過多，使內翅片與焊管內壁之間間隙大，造成焊接不良。