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制冷空调:换热器管翅传热与胀接工艺过程机理分析

  目前,国内外对于换热器的胀接研究更多集中在换热管和管板,对管翅式换热器的机械胀接研究相对较少,并且在相关研究中主要以胀头尺寸和胀头形状为研究参数,较少涉及换热管和翅片参数。本文我们来探讨下换热器管翅传热与胀接工艺过程机理。

制冷空调:换热器管翅传热与胀接工艺过程机理分析

  1、蒸发式冷凝技术的概念与原理

  管翅式换热器是管式换热器的一种,在能源设备和制冷设备中被广泛应用。目前换热管多数采用铜材料,翅片采用铝材料,构成如图 1-1 所示的管翅式换热器。

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  换热管通过连铸、轧制、盘拉、退火等手段加工成形,翅片则由铝箔冲压成形。因此,由接触传热理论可知,换热管和翅片孔之间的不完全接触会使得接触传热系数变小,不利于换热器的传热,由此需要关注胀接工艺对换热管与翅片接触的影响,保证胀接工艺的成形质量。

  目前,胀接方法一般有如下几种:

  (1)机械胀接:胀管机推动胀头前行,利用胀头直径大于换热管内径的特点,胀头的轮廓使换热管发生弹塑性变形,进而接触翅片孔,实现换热管和翅片的紧固连接。

  (2)液压胀接:依靠液体高压提供胀接力,属于均匀胀接;

  (3)橡胶胀接:通过橡胶等弹性体给予压力,当弹性体受到轴向挤压发生弹性变形,由于变形过程体积不发生变化,其轴向长度缩短,径向变粗,使换热管向外扩张;

  (4)爆炸胀接:利用炸药爆炸释放的巨大能量来连接换热管和管板;

  (5)气压胀接:与液压胀接方法类似,主要是利用气体高压代替液体发挥作用,如图 1-2 所示,左右推头对铜管口进行密封,高压气体从左推头处进入铜管内,再从右推头处排出,最终完成胀接;

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  2、管翅传热理论模型

  空调换热器整体传热过程是换热管内的冷却液通过热对流将热量传递到换热管壁,换热管则通过热传导将热量传递给与换热管接触的翅片,最后热量由流动的空气以热对流的方式带走。

  在这个过程中,换热管和翅片间的间隙会导致换热管和翅片存在接触热阻。接触热阻是接触界面温差?T 与通过接触界面的平均热流 q 的比值,有研究表明接触热阻占换热器总热阻的比例超过 15%。根据接触热阻是接触传热系数的倒数,可以将管翅接触传热系数写成:

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  综上可以看出,对换热管和翅片之间传热起到影响作用的是材料属性、材料传导系数、接触压力和间隙高度。而材料属性和材料传导系数为固有参数,接触压力与接触长度有关,因此,若要提高换热器的换热效果,就需要增加管翅间接触长度和减小间隙高度以提高接触传热系数,也即是需要优化胀接工艺参数来提高胀接后换热管和翅片的贴合度。 

  3、胀接工艺

  换热管和翅片的胀接过程如图 2-1 所示,换热管穿插在堆叠的翅片孔中,胀头作为提供胀接力的模具在换热管孔内往返.

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  具体可以分成三个过程:

  (1)胀头在推杆的作用下沿着轴线前进,胀头的前 R 角首先与换热管接触,使换热管径向扩张,开始时换热管和翅片之间存在间隙,随着胀头的持续推进,换热管向外扩张,翅片随之变形;

  (2)随着胀头前进,由胀头的直线段提供成形力,换热管发生塑性变形,翅片在换热管径向扩张作用下发生弹塑性变形,此阶段是换热管和翅片完成胀接的主要步骤;

  (3)胀头直线段完成换热管和翅片的胀接后,由于在径向长度上胀头后 R 角小于胀头直线段,即使胀头继续前进,胀头后 R 角对换热管无作用力。随着胀头前进,完成换热管长度的胀接工序,由于换热管发生塑性变形,回弹量较小,在胀头返程过程中,胀头后 R 角和直线段几乎不与换热管发生接触,可认为在胀头前进过程中,当胀头直线段离开已胀接区域后,胀头对换热管和翅片卸载,换热管和翅片发生回弹,完成两者间的连接。

  4、胀接工艺过程机理分析

  上文对换热器胀接工艺过程进行了详细描述,并划分成三个阶段。

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  取未胀接的换热管-翅片位置作为分析对象,如图 2-2 中方框选取位置,对其胀接工艺过程的三个阶段作力学分析,并对胀接工艺过程作以下假设:

  (1)胀接过程在室温中进行,不考虑温度的影响;

  (2)换热管和翅片均为理想弹塑性材料,各向同性;

  (3)胀头、换热管和翅片三者中心轴线重合。

  4.1  胀头前 R 角作用阶段

  胀杆在胀管机的作用下推动胀头前进,胀头前 R 角首先触及换热管内壁,换热管在力的作用下发生弹性变形,随着胀头前进,胀头前 R 角与换热管接触位置逐渐后移,直至与胀头直线段发生接触。

  在这个过程中,换热管受力越来越大,转至发生塑性变形,换热管的管径不断增大,恰好与翅片孔发生接触,此时翅片孔接触位置的受力情况如图2-3 所示。

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  在力的作用下,翅片在径向发生扩张,并沿轴线方向移动。由于翅片和翅片之间基本上间隙很小,翅片轴向移动距离大于间隙,翅片之间则会发生挤压,导致翅片孔直壁变形,会导致翅片孔直壁某些位置不与换热管外壁接触,不利于换热管和翅片间的贴合。为了减少翅片在轴线方向的变形,需要减小翅片受到的轴向力,即令sinα减小,cosα增大。

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  4.2  胀头直线段作用阶段

  随着胀头的不断前进,胀头前 R 角逐渐过渡到胀头直线段与换热管、翅片接触,此时换热管和翅片只受到径向力,胀头直线段给予换热管和翅片均匀的径向压力,将模型简化成双层圆筒模型,如图 2-5 所示。

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  在径向建立换热管微元的受力平衡方程,有: 

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  4.3  胀头卸载阶段

  随着胀头移动,胀头直线段不再与换热管接触,胀头后 R 角也无法提供压力给换热管,相当于胀头对已胀接区域卸载,翅片开始发生回弹,通过两者间的残余接触压力 Pc与换热管紧固。 

  基于换热管发生最大塑性变形和翅片发生最大弹性变形的情况进行分析。当翅片在没有换热管阻碍的情况下,翅片孔在 P3 的作用下自由回弹△1,但是实际上翅片孔回弹量为△2,比自由回弹减少了△3,减少的回弹量相当于是残余接触压力 Pc作用下自由回缩的翅片往外扩张量,方向与△2相反。

  而由于翅片发生回弹,促使换热管回缩,实际上翅片孔回弹量与换热管回缩量相等。从几何关系上有:

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