强化传热管表面结构制造技术研究现状与进展

2012年06月20 00:00:00 来源：中国制冷空调技术网

摘要：强化传热技术自20世纪70年代以来获得了迅速发展和广泛应用。换热管作为强化传热的关键传热元件亦获得了迅速的发展。本文综述了换热管表面强化传热结构制造方法及存在的不足,在此基础上,分析了今后的发展趋势。

1引言

20世纪70年代的世界性能源危机,有力促进了传热强化技术的发展[1]。世界上主要工业国都在20世纪70年代开始了强化传热技术的研究开发工作。迄今为止,强化传热技术在石油、化工、动力、核能、制冷、乃至国防工业等领域中己得到广泛应用[2]。

传热强化的途径主要有:增大传热面积、提高传热系数。强化传热技术按照有无外加动力可分为主动强化传热(有源强化)和被动强化传热(无源强化)两种。主动强化传热技术由于受到外加动力限制,工程中主要采用被动强化传热技术。

换热器作为能量传递的基础设备,广泛应用于电力、石油、化工、冶金等高耗能行业。如在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%,占总投资的30%~45%[3]。管壳式换热器结构坚固,具有高度的可靠性和广泛的适应性,目前工业装置中管壳式换热器的用量占全部换热器的70%[4]。换热管是管壳式换热器的关键传热元件,其性能的好坏决定了换热器的性能。为了提高管壳式换热器的传热效率,国内外先后开发了多种强化管内和管外传热的强化换热管。这些强化传热管的型式虽然多种多样,但都是在管的内外表面加工出一定的表面结构,以扩展传热面或提高传热系数,从而提高传热效率。强化传热管按表面结构的不同,可分为二维外翅片管、异形强化管、内翅片管、表面多孔管、三维非连续翅片管等。其强化传热机理各异,加工方法亦不相同。

2强化传热管表面功能结构的制造

(1)二维外翅片管

二维外翅片管加工方式主要有套片[5,6]、绕片[7]、滚轧[8]、切削加工[9]等。套装翅片管是应用最早的一种加工翅片管的方法,如图1所示,预先用冲床加工出一批单个的翅片,然后按一定距离,靠过盈量将翅片套装在管子外表面。套装翅片工艺简单,技术要求不高。但翅片与管子之间的结合靠过盈量来保证,接触不好,热阻大。

绕片式翅片管如图2所示,把铝带、铜带或者钢带的平面垂直于管子轴线,以螺旋的形式缠绕在管子外表面上。绕片式翅片管关键在于如何保证翅片与基管接触良好。为了保证翅片与基管接触良好,采用镶嵌、钎焊、高频焊等方法。镶嵌式螺旋翅片管是在基管上预先加工出一定宽度和深度的螺旋槽,然后把带材镶嵌在基管上。带材缠绕总会有一定的回弹,因此,翅片和螺旋槽底面不能很好结合。钎焊螺旋翅片管则是用钎焊的方法将缠绕好的翅片和管子焊在一起,此种方法翅片与管子间的结合率仍然不高。高频焊螺旋翅片管是在带材缠绕基管的同时,利用高频电流对翅片和基管外表面加热熔化而焊接。与镶嵌、钎焊等方法相比,无论是在产品质量还是生产率和自动化程度上,高频焊都是最为先进的,但高频焊投资大,耗电量大。

滚轧式翅片管一般由铜、铝坯管,通过冷挤压的方式轧制出整体翅片,还可滚轧复合管翅片管。一般常用的复合管材翅片管其基管(即内套管)采用的是碳钢、不锈钢、钛材、铜材等,外套管常用铝管和铜管,这样经过滚轧挤压成形后就形成所需的复合翅片管,如图3所示。滚轧式翅片管为整体结构,不会产生接触热阻和出现电腐蚀现象,使用寿命长。因此,滚轧式翅片管已逐渐取代绕片式和套片式翅片管。

有学者提出利用切削—挤压加工方法加工二维整体外翅片管。加工时,刀具的主切削刃切开基管的表层金属不断滑过刀具前刀面,逐渐翻转直立,最终通过副切削刃的挤压而发生塑性弯曲,形成高于基体的螺旋翅片结构,如图4所示。

(2)异形强化管

各种异形强化管的结构不同,但都是将管壁沿轴向制成波纹或螺旋凹槽,主要有螺旋槽管、横纹管、旋流管、波纹管等。图5是螺旋槽及其扩展管型示意图。传热面上各种形状的凸起,既是无源绕动的促进体,又能断续阻断边界层的发展。螺旋槽管属冷轧成型,利用轧刀在光管上轧制出管外凹入、管内凸出的连续螺纹[10]。

(3)内翅片管

当今,在国外有30%的制冷与空调管采用了内微翅管(见图6),翅高0·1~0·2mm,翅数50~60。该管具有高的强化传热膜系数,包括蒸发、沸腾和冷凝,特别是蒸发过程,压降甚低。内微翅管与光管相比,强化传热可达80%~140%,而压降只增加20%~80%。内螺旋翅片管加工原理图如图6所示[11]。利用旋压体沿管外壁旋转产生的流体动压效应,在特殊设计的旋压腔内,通过充液循环供油及增大旋压体沿管外壁的旋转速度建立所需的高压油膜,利用极高的油压使被加工管坯挤压成形。

(4)表面多孔管

多孔表面主要用于强化沸腾传热,其制造方法主要可分为两类[12]:多孔覆盖表面和开孔多孔表面。多孔覆盖表面是在换热表面上加一层多孔覆盖物,作为覆盖层的材料可以是铜、铝、不锈钢和其它合金,制造方法有金属粉末烧结法、火焰喷涂法、电镀法、覆盖金属丝网法等。开孔多孔表面主要是指机械加工表面多孔管,在专用机床上用特殊设计的刀具在金属管(一般为铜或铝等易加工金属)外表面直接加工出各种形状的翘片、小孔隙及各种形状的螺旋形隧道,或在金属管内表面拉制出V形等轴向沟槽;也可用轧制或滚压法在金属管外表面直接加工出具有低螺纹形翅片、低肋形翅片或各种形状的表面花纹管。图7是常用的所谓E管和T管的结构示意图。机械加工法成本较低,加工简单,但只适用于软金属管材,制造的多孔层孔隙率为30%~35%。相对其它制造方法其成型的多孔层孔径大,在表面张力较小的介质中使用效果不明显。

(5)三维非连续翅片管

三维非连续翅片管比二维连续翅片管具有更不规则的扩展表面,流体流过时,边界层得到不断的反复破坏,使传热系数得到进一步的提高。近几年来,在工程中三维强化传热管得到了迅速发展和广泛研究。

三维非连续翅片管按照加工方式可分为焊接式和整体式两种。图8a、图8b分别是瑞典Sunrod公司研究开发的太阳棒针翅管和Durst提出的钉翅管[13],均属焊接式三维翅片管。焊接式采用焊接方法将翅片焊接在基管上,加工麻烦,对翅片的大小及排列密度有诸多限制;翅管体积庞大、不紧凑,金属消耗量大;针翅与基管之间存在接触热阻;易出现虚焊或接触不紧密。

整体式三维非连续翅片管是在基管上直接加工出三维独立的翅片。图9是三维整体低翅片管,利用滚压/犁削复合加工方法加工[14],又名花瓣形翅片管。该翅片管最大的特点是翅片从翅顶到翅根都被割裂开,翅片侧面呈一定的弧线,管外的翅片结构有规则地间断。整体式翅片管结构紧凑,极大地降低金属消耗量,并可消除翅片与基管间的接触热阻,符合换热器紧凑、高效、节能、节材的发展要求。

但是,三维整体低翅片管也存在某些不足,如用于冷凝强化时,在翅片间易出现冷凝液架桥现象,此时扩大的传热面将会无效。因此,三维整体低翅片管面临着如何进一步提高传热效率的问题。

3强化传热管表面功能结构发展趋势

强化传热的国际权威Bergles将被动强化传热技术划分为三代,对换热管而言,以光管、光通道为代表的为第一代传热技术,以平翅片、二维粗糙元、二维肋片等为代表的为第二代传热技术,以三维粗糙元、三维微肋等为代表的为第三代传热技术[15]。Bergles指出,第二代传热理论和技术已经建立,并在动力和过程工业中获得广泛应用,现在需要的是更先进的强化技术或第三代传热技术[16]。可见,研究和发展第三代传热技术,已成为强化传热领域的发展方向。

此外,国内外针对强化传热管表面功能结构的应用和加工技术虽然进行了大量的研究工作,但研究工作比较分散,缺乏较为系统的设计和制造理论,不能为强化传热管表面功能结构具体应用提供完善的理论指导。从目前的研究趋势来看,按其功能要求设计表面功能结构,然后根据结构形状进行制造是该技术领域的发展方向。

4结语

本文对各种强化换热管表面结构及其相应的制造技术进行了详细介绍,并对其发展趋势进行了探讨。随着能源的日益紧张以及以能源为中心的社会、经济、环境问题日益突出,我国坚持“节约与开发并举,节约优先”的方针,大力推进节能技术进步,新的、更高效的强化传热管一定会层出不穷,这就需要对强化传热管的强化传热机理、强化传热表面结构的设计及其制造进行深入的研究。

参考文献

1·过增元,魏澎,程新广.换热器强化的场协同原则.科学通报,2003,48(22):2324~2327

2·王斌斌,仇性启.高效传热技术的研究现状及进展.工业加热,2006,35(4):48~51

3·矫明,徐宏,程泉等.新型高效换热器发展现状及研究方向.化工设计通讯,2007,33(3):50~55

4·潘文厚,杨启明.管壳式换热器节能技术研究.石油和化工设备,2007,(10):26~29

5·段松屏,伍青山.翅片管各种加工工艺的分析.水利电力机械,1999(6):30~33

6·宋鸣,李有堂.套片式翅片管的热套工艺.化工机械,2007,34(3):159~161

7·马文锁,郑文杰,李松安.简易铝制翅片散热管绕制机.机械制造,2001,39(10):19~20

8·王必武,杨子谦,施广森.高效节能翅片管的加工、应用及发展趋势.水利电力机械,2002,24(1):16~18

9·袁启龙,李言,郑建明等.切削—挤压翅片管成形过程的研究.中国机械工程,2005,16(17):1550~1553

10·李敏孝.螺纹管冷轧工艺的研究和发展.石油化工设备,2007,36(2):59~62

11·汤勇,陈澄洲,张发英等.内螺旋翅片铜管充液旋压成形加工的研究.工具技术,1998,32(4):12~15