翅片管換熱器的性能優(yōu)勢和結(jié)構(gòu)形式

眾所周知，翅片管換熱器是工業(yè)傳熱過程中必不可少的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于一切業(yè)領(lǐng)域中，尤其是化、冶金、動(dòng)力、交通、航空、航天等部門。近年來，由于新技術(shù)發(fā)展和能源開發(fā)，
改進(jìn)換熱器性能越來越受工業(yè)界重視。新技術(shù)、新工藝在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中發(fā)揮著越米越重要的作用。不斷提高產(chǎn)品的技術(shù)含量，追求高效節(jié)能，最大限度地獲取經(jīng)濟(jì)效益，
己成為企業(yè)組織生產(chǎn)所遵循的基本原則。多年 來 ， 各工業(yè)部門廣泛地應(yīng)用列管式換熱器，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是上述兒個(gè)行業(yè)的迅速發(fā)展，要求換熱設(shè)各緊湊、輕巧、高效并小型化，
而一般的列管式換熱器則不能滿足上述要求，這就促使人們?nèi)パ芯扛咝Q熱器。其中翅片管換熱器是人們研究得最多的一種換熱器之一。
翅片管是組成各種熱交換器的核心元件，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到熱交換器的工作性能。
 2、翅片管的研制開發(fā)
 2.1、材料    各種的換熱器材料，應(yīng)根據(jù)換熱器的用途和操作條件等不同而選擇。目前常用的材料有: 純鋁、鋁合金、銅、黃銅、鎳、欽、不銹鋼、因康鎳合金等。其中以鋁和鋁合金用的最多。
對于翅片管換熱器母材的基本要求是:有較好的釬焊性和成型性，較高的機(jī)械強(qiáng)度，良好的耐腐蝕性和導(dǎo)熱性。鋁及鋁合金不僅滿足了這些要求，而且具有延性和抗拉強(qiáng)度隨溫度的降低而提高的特性，

所以在世界各國的緊湊式換熱器中，特別是在低溫的緊湊式換熱器中，己經(jīng)獲得了最為廣泛的應(yīng)用:
1), 鋁的密度小，通過合金化和熱處理可以達(dá)到結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度。鋁制換熱器運(yùn)用于各類的交通工具中，特別小型的轎車，必將減輕其本身重量，降低燃料的消耗。 
2),鋁的抗腐蝕性好。鋁制品在惡劣條件下生成的氧化物無毒性。用鋁做成的換熱器，不用過于擔(dān)心時(shí)間長久之后被空氣或管內(nèi)液休等氧化而失效。 
3),鋁具有良好的導(dǎo)熱性能，特別適用于散熱片、換熱用的蒸發(fā)器和冷凝器等。 
4)、鋁的屈服強(qiáng)度高，耐沖壓，加工成型的過程比較方便。 
2.2,型式  
 翅片管 一 般有內(nèi)翅片管和外翅片管兩種，其中以外翅片管應(yīng)用最為普遍.外翅片管一般是用機(jī)械加工的方法在光管外表面形成一定高度、一定片距、一定厚度的翅片。
 2.2.1,螺旋翅片   

螺旋翅片就是把鋼帶平面垂直于管子軸線，以螺旋線的形式纏繞在管子外表面上。在形成螺旋翅片時(shí)，翅片中性線以內(nèi)的凹面板緣受到壓縮，
中性線以外的凸面板緣則受拉伸。當(dāng) m面內(nèi)的拉應(yīng)力達(dá)到材料的強(qiáng)度極限時(shí)，對厚度較小的鋼帶會(huì)失去穩(wěn)定，形成皺褶。螺旋翅冷采用的鋼帶都不厚(通常為6 =o.s-2.smm)，
失穩(wěn)現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生?？梢哉f翅片根部起皺是螺旋翅片管的通病。翅片根部起皺會(huì)使根部的翅片平面變得凹凸不平。如果把這種樣子的管子做熱交換器，會(huì)有許多不足:凸起部分增加氣流阻力;凹下去的部分集聚污物.，并給清洗帶來麻煩。 
 22.2,套裝翅片   
套裝翅片工藝是預(yù)先用沖床加工出一批單個(gè)的翅片，然后用人工或機(jī)械方法，按一定的翅片間距，靠過盈將翅片套裝在管子外表面上。它是最早的一種加工翅片管的方法。由于套裝工藝簡單，技術(shù)要求不高，所用設(shè)備價(jià)格低廉，又易于維修，所以，至今仍有不少工廠在采用。此工藝是一種勞動(dòng)密集型工藝方案，適合于一般小廠或鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的資金和技術(shù)條件。我們知道，翅片管對質(zhì)量的要求主要有三點(diǎn):一是翅片間距:二是翅片高度;三是翅片和光管外表面結(jié)合的牢固程度，不完全連接的縫越少越好，即熱阻要小。
一般來說，螺旋翅片和套裝翅片對前兩點(diǎn)都比較容易保證，但第三點(diǎn)卻常常出現(xiàn)問題。這些管子的致命缺點(diǎn)也正是這一點(diǎn)。管子和翅片之間接觸不好，熱阻大，影響傳熱。 
22.3、滾乳式翅片管   
近年來 ，迅速發(fā)展的滾軋式翅片管是一種高效節(jié)能傳熱翅片管(簡稱高翅管)，冷擠壓翅片管是用厚壁管連續(xù)通過多組擠壓輥，經(jīng)擠壓軋制，在變成薄壁管的過程中，
多余金屬材料在管子外表面形成翅片的。所軋制翅片的高度一般為)-13mm;片距一般為2-3.5mm, 片厚一般為。.2-0.5mm。同時(shí)這種冷擠壓加工方法還可滾軋復(fù)合管翅片管。
一般常用的復(fù)合管材翅片其基管(即內(nèi)套管)采用的是碳鋼、不銹鋼、欽材、銅材等。外管，即擠壓翅片的外套管常用鋁管和銅管。滾軋翅片管由于翅片和管壁為一整體，故不存在接觸熱阻和出現(xiàn)電腐蝕現(xiàn)象，因而能提高和保持穩(wěn)定的傳熱性能和延長翅片管的使用年限。高翅片軋管機(jī)軋制的翅片管，其翅片與基管結(jié)合緊密，不需再進(jìn)行釬焊，翅片間距、翅片高度、翅片厚度等可通過調(diào)節(jié)軋管機(jī)工作狀態(tài)予以控制，軋出的翅片表面光潔、紋管清晰、節(jié)距精確，由其組裝而成的熱交換器，經(jīng)多家電力生產(chǎn)企業(yè)使用，具有較好的綜合經(jīng)濟(jì)性能?？偟膩碚f,軋制翅片管的結(jié)構(gòu)比較緊湊，流阻小，導(dǎo)熱熱阻小，傳熱效率高，產(chǎn)品體積小，綜合性能較高。但卻需要專門的軋管機(jī)，而且翅片管與端板的連接處易滲漏。軋制翅片管中的復(fù)合管結(jié)構(gòu)，即將軋制翅片管套在鋼管外面，這種結(jié)構(gòu)具有鋼翅片管和鋁翅片管的雙重優(yōu)點(diǎn)，目前國內(nèi)己經(jīng)研制成功，但卻工藝復(fù)雜。因此，還待研究更先進(jìn)的技術(shù)。

 2.2.4、板翅式   
板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)形式很多，但其結(jié)構(gòu)單元體基本相同，都是由翅片、隔板、封條和導(dǎo)流片組成，它是在金屬平板上放一翅片(即所謂二次傳熱面積)，然后再在其上放一金屬板，兩邊以邊緣封條密封而組成一個(gè)基本單元，上下的兩塊金屬平板稱為隔板。由許多個(gè)基本單元組成板翅式換熱器的芯體。冷熱流體在相鄰的基本單元體的流道中流動(dòng)，
通過翅片及與翅片連成一體的隔板進(jìn)行熱交換。對各個(gè)通道進(jìn)行不同方式的疊置和排列，釬焊成整體，就可得到最常用的逆流、錯(cuò)流、錯(cuò)逆流板翅式換熱器板束。翅片除承擔(dān)主要的傳熱任務(wù)外，還起著兩隔板之間的加強(qiáng)作用。所以盡管翅片和隔板材料都很薄，但它的強(qiáng)度很高，故能承受較高的壓力。對 于一 般 的換熱器，板翅式換熱器具有以下的優(yōu)點(diǎn):傳熱效率高;結(jié)構(gòu)緊湊;輕巧而牢固c適應(yīng)性大;經(jīng)濟(jì)性好。但是，這種換熱器翅片間距較小，易堵塞，且堵塞后不易清洗，使得阻力大大增加，如果不對其進(jìn)行除垢，會(huì)影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。板翅式換熱器在壓縮機(jī)中主要用于油冷器和壓縮空氣冷卻器，有空冷和水冷兩種形式。無論是空冷還是水冷冷卻器，高溫壓縮空氣在冷卻過程中都會(huì)有冷凝水析出，并在翅片上聚集形成“水橋”，阻止了空氣的流通，從而使空氣壓力增大，并導(dǎo)致熱交換效率下降，空調(diào)中的板翅式換熱器也存在著類似的情況。盡管鋁及其合金具有良好的抗蝕性能，但是長期滯留在鋁表面的冷凝水吸收空氣中的氧、硫及氮等，在鋁表面形成腐蝕電池，加速腐蝕。腐蝕產(chǎn)物在鋁翅片表面聚集，將降低熱交換率。
對于水冷卻器，在水側(cè)同樣存在腐蝕性問題，長期運(yùn)行也將縮短鋁制板翅式換熱器的壽命。高壓下工作的板翅式換熱器因壓力的循環(huán)變化會(huì)引起疲勞而使隔板產(chǎn)生裂紋，引起泄漏，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮疲勞破壞。
 2.3、研制方向由 上 面 的分析比較可以看出，未來翅片管的發(fā)展是朝著換熱表面大大強(qiáng)化、翅片與基管連成一體的方向的。并且，生產(chǎn)的成本大幅度降低，生產(chǎn)也愈趨規(guī)?；?。 
3、翅片管的特殊應(yīng)用及特殊設(shè)計(jì)
 3.1,空冷器的設(shè)計(jì)    空氣冷卻方式和水冷卻方式的討論己持續(xù)了相當(dāng)長的時(shí)間，到目前仍在進(jìn)行兩者之間的經(jīng)濟(jì)分析和討論，但是空冷器的優(yōu)越性越來越受到人們的注意，
以空冷代替水冷的趨勢仍在持續(xù)發(fā)展?？諝饫鋮s是在空氣冷卻器中實(shí)現(xiàn)的，冷卻介質(zhì)為牽氣，可用于各種流體的冷卻和冷凝。由于空氣的比熱小(約為1.005kJ/kg " -C )，
僅為水的比熱的四分之一，因此若傳熱量相同，冷卻介質(zhì)溫升相同，則所需的空氣量將為水量的四倍。裹考慮到空氣的密度遠(yuǎn)小于水，則相對于水冷卻器，空冷器的體積是很大的。另外，空氣側(cè)的換熱系數(shù)很低，約為50- 60W/(m'·℃)，導(dǎo)致光管空冷器總傳熱系數(shù)也很低，較水冷器的傳熱系數(shù)約低10--30倍，為抵消空氣側(cè)換熱系數(shù)較低的影響，
所以空冷器一般均采用擴(kuò)張表面的翅片管，其翅化比大致為10-24倍. 翅片管是空氣冷卻換熱器的核心和關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣直接影響空冷器的性能和發(fā)展。事實(shí)上，正是由于翅片管的出現(xiàn)，才使空冷器得以發(fā)展。除了冷卻枯性介質(zhì)可以采用管內(nèi)縱向翅片之外，所有空冷器均在管外采用橫向翅片。 
3.2、汽車空調(diào)迄 今 為 止，人們對建筑物的空調(diào)技術(shù)有較多的研究和探索，相比而言，對汽車、火車、船舶以及在高溫環(huán)境下工作的工程車及行車等特殊運(yùn)動(dòng)性裝置的空調(diào)技術(shù)研究較少。
汽車、火車、船舶以及高溫環(huán)境下工作的工程車與行車等從某種意義上看，可以視為一個(gè)特殊的運(yùn)動(dòng)性“建筑物”。因此，安裝于該類“建筑物”內(nèi)的特種空調(diào)和陸地建筑物既有相同點(diǎn)，又有其特殊性。簡單來說，汽車空調(diào)要求換熱器的體積小、重量輕，這樣可以節(jié)約空間和能量的消耗。再者，考慮到汽車空調(diào)的工作條件，必須要求其具有一定的抗震能力。這樣，只有高效的翅片管可以滿足它的要求。
3.3、制冷壓縮機(jī)在 中小 型 活塞制冷壓縮機(jī)中，翅片管以往大多數(shù)以套片和繞片管形式使用的，這些翅片管主要用于各類冷凝器和燕發(fā)器。
采用翅片管主要是依靠改變換熱表面的幾何形狀或表面狀況來強(qiáng)化傳熱，如此可有效增強(qiáng)管外凝結(jié)換熱，提高翅片管換熱器總的傳熱系數(shù)。
 3.4、冷凝器就冷 凝 器 而言，陸用冷凝器一般采用紫銅管翅片管或銅鋁復(fù)合翅片管。而船用冷凝器由于用海水冷卻，盡管其結(jié)構(gòu)形式與陸用相同，但考慮到海水腐蝕的影響，在與海水接觸的部位，一般采用紫銅或鋁黃銅材料制作翅片管;而蒸發(fā)器大都是以銅管套鋁片形式出現(xiàn)
3.5,柴油機(jī)的中冷器一些 大 型 的交通工具上的柴油機(jī)，因考慮行駛速度的需要，并受空間尺寸的限制，一般均裝各高比功率的增壓中冷柴油機(jī)。
選擇和設(shè)計(jì)合適的中冷器可斗在很大程度上改善柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。  4,翅片管的發(fā)展從上 面 的 分析我們可以看出，研制高效節(jié)能的翅片管是勢在必行的，并且要求經(jīng)濟(jì)性能和工作性能都有所改善。
現(xiàn)在研究的整體鋁翅片管(AIF管)與上面所介紹的各式翅片管相比，
有以下優(yōu)點(diǎn): 

 (1)、無論是管外還是管內(nèi)，翅片管的換熱面積都大大地增大了; 
(2),翅片與介質(zhì)流動(dòng)的管路為一體結(jié)構(gòu)，結(jié)合率為100%，間隙熱阻為零，大大改善了傳熱的效果，而且不存在熱腐蝕的問題; 
(3)，對介質(zhì)流動(dòng)管路截面形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，管腔的形狀和數(shù)量發(fā)生變化。在入口介質(zhì)質(zhì)量流速不變的情況下(壓縮機(jī)出口流量)，由于橫截面積或管腔當(dāng)量直徑減少，而導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)增加。
(4)、翅片管強(qiáng)度高，耐熱震和機(jī)械震動(dòng)、熱膨脹性能好，結(jié)構(gòu)可靠，壽命長。
(5),翅片光滑無毛刺，無褶皺，不易結(jié)塵、結(jié)垢，易于清洗和排除表面積水，流體阻力小，能長期保持良好的傳熱性能。 
(6),母材采用鋁材，重量非常輕。材料鋁的密度小，傳熱性能好，且耐腐蝕性高，容易加工成形狀復(fù)雜的換熱管。
（7),翅片厚度小，高度較高，翅片間距較小，管壁厚度也比較小。而且可以根據(jù)工件的不同需要來改變各個(gè)參數(shù)的大小。 
(8),翅片與介質(zhì)流動(dòng)的管路為一體化加工，加工工藝非常簡單，僅需一道工序，就是在母材— 管狀形的鋁管上用特制的刨床上進(jìn)行加工。 
(9)、設(shè)備投資少，僅需主體加工設(shè)備和簡單的焊接設(shè)備和彎管設(shè)備;生產(chǎn)成品率高，泄漏點(diǎn)少。綜 上 所 述，AIF管是一種新型而高效的換熱管，其發(fā)展前景非常樂觀。 
5、結(jié)論   
鋁整 體 鋁 翅片管(AT管)加工技術(shù)，屬國內(nèi)首創(chuàng)，處于國際領(lǐng)先地位。經(jīng)過分析研究， AIF管的應(yīng)用市場非常廣闊，可以用它來替代當(dāng)今換熱性能良好的板翅式換熱器和軋片管，
并且熱性能和經(jīng)濟(jì)性能都得到了進(jìn)一步的改善。不難推測，AIF管將是換熱界的新寵兒，它將在汽車空調(diào)、各式空冷器和油壓中冷器等等的翅片管換熱器上大有作為。