胀接成形工艺对管翅式换热器结构性能的影响

胀接成形工艺对管翅式换热器结构性能的影响

张明

德默菲换热器（平湖）有限公司，浙江省嘉兴市，314000

摘要：随着我国轨道交通车辆技术的不断进步，用来冷却车辆主变压器和变流器的冷却系统也快速发展，这对散热器的综合性能提出了更高的要求。目前我国机车使用的散热器为铝质复合式散热器。复合式散热器将用于冷却变流器和变压器的散热器组合为一体，散热器芯体为钎焊板翅式结构，由复合板、翅片制成，若出现腐蚀，很难修复，维护成本极高。经研究表明大部分泄漏是由电化学腐蚀所导致。

关键词：胀接成形工艺；管翅式换热器；结构性能

引言

管翅式散热器若出现漏液，可拆开集液室将该管进行封堵而不影响其他管路，可修复使用，维护成本降低。同时，管翅散热器冷却介质流动管外部包有翅片及翅片上的抱紧环，即便出现腐蚀，也先腐蚀翅片，不直接腐蚀管子，提高了管翅式散热器的耐腐蚀性，但管翅式散热器存在管内热量“带不出”的自身特点。因此需采用强化传热手段，实现管内传热强化。

1强化方案

1.1管内强化机理

管内插入物技术是一种最方便的强化换热技术，不仅扰动管内流体，使边界层减薄，达到强化传热目的，还能起到清除污垢的作用。绕花丝内插物是由几组相同的线圈环绕同一中心轴线扭转而成，形成一种特殊的多孔体，可以迫使流体分子微团在传热和流动方向上不断做三维宏观混合流动。这种弥散效应与湍流中的涡流作用极其相似，但它们的产生机理不同，多孔体的弥散效应可使流体在低流速下转变为湍流，产生与涡流相似的效果，并且流体内的温度分布均匀，从而增大壁面附近温度梯度，使换热增强，绕花丝多孔体可大幅降低临界Ｒe值，诱发湍流的发生，对低Ｒe值下的流动具有非常好的强化效果。

1.2管外强化机理

流线形波纹翅片引导流体尽可能地沿预设的流线流动，消除尾部涡流，达到流动阻力小、传热增强大的目的。

1.3流程优化

散热器流道流程由原来左右流程更改为上下分层流程，有利于冷却介质温度分布均匀，减小熵增、提高散热器换热效率。

2试验结果与分析

换热器的结构要素包括设计参数和安装角度,其中设计参数主要包括列间距、翅片间距、翅片片型和翅片宽度。目前行业内ϕ7mm翅片管式换热器的列间距集中在19~22mm区间内,而且受生产模具制约,设计上缺少灵活性,所以本次排水研究未考虑列间距,仅针对翅片间距、翅片片型和翅片宽度进行分析。

2.1稳定性验证

对换热器样件进行重复测试,可以发现,经过0.4s以后,换热器样件的质量不再变化,此时换热器表面附着的水量达到稳定。从第三测试周期开始,排水结束后的换热器样件质量基本保持不变,这说明前2个周期换热器表面的附着水量未达到饱和状态。为了排除表面浸湿特性的差异,本试验均以第三测试周期以后的数据为准。

2.2换热器安装倾角

换热器具有多样化的安装倾角,比如风机盘管机组换热器一般倾斜安装,而四面出风嵌入式室内机的换热器一般竖直安装。现有换热器安装倾角主要考虑框体结构的限制和送风系统要求,很少考虑蒸发工况下换热器的排水性能导致空调器的性能无法充分发挥。样件在不同安装倾角时的存水量,由图可知,换热器在安装倾角45°~60°时的存水量较少,换热器的排水性能较好。这说明对于常规的裂隙片换热器,适当的倾斜有利于提升换热器的排水性能。不同安装倾角的排水性能差异,是由翅片表面裂隙的方向所决定。

2.3基管直线排列

平直翅片管式换热器与波纹翅片管式换热器随着空气流动的温度与流向变化趋势图，空气的从换热器左侧进去，从右侧排出。由图可以看出空气流过基管时，基管后方会出现局部旋涡，并且旋窝区域温度较高，主要原因在于两基管间发生对流换热现象，导致两管间温度升高。

3空分装置工艺流程及调试存在问题

3.1工艺流程

装置采用第六代空气分离设备，内压缩流程，原料空气自空气过滤器过滤掉其中的机械杂质、粉尘后进入原料空压机组压缩至0.5MPa后进入预冷系统。在预冷系统中被冷却水洗涤和降温至8℃送入分子筛纯化系统，经分子筛吸附剂去除空气中的水、乙炔、CO2及一些碳氢化合物等。纯化后的精馏加工空气，一部分直接进入冷箱系统低压换热器，被返流气体冷却至接近液化温度后进入下塔参与精馏，另一部分进入空气增压机系统。在空气增压机中，一段抽气0.8MPa作为仪表气送至管网；二段抽气2.7MPa进入膨胀机的增压端增压，经冷却后进入冷箱系统的高压主换热器，被返流气体及液氧冷却到一定温度后，进入增压透平膨胀机的膨胀端膨胀，膨胀后的空气进入下塔，末级7.0MPa高压空气去冷箱系统的高压板翅式换热器被返流气体及液氧冷却、液化、节流后进入下塔。参与精馏的加工空气全部进入冷箱系统，在下塔上部得到0.45MPa产品氮气，复热后送至用户；在上塔顶部得到低压25kPa产品氮气，复热后送至氮气压缩机加压至3.0MPa送至用户；上塔底部（主冷）得到液氧，去工艺液氧泵加压后进入高压板翅式换热器，高压液氧汽化复热后成为高压产品氧气送至用户。本装置虽没有纯氩产品的生产要求，但是为了提高氧产品的收率以及提高氧产品的纯度，配置了氩塔精馏系统，在粗氩塔顶部得到粗氩气，在低压主换热器复热后送入水冷塔。

3.2存在问题

2017年4月，空分装置计划性短停车，停车后现场打开增压机末级冷却器（气走管程、水走壳程）气侧导淋，发现大量循环水排出，初步判断由冷却器管束内漏造成，随后立即将冷却器进行隔离检修，经打压检查发现75根管束内漏，并进行堵漏处理。2017年10月，生产系统停车抢修，空分装置停运后再次发现增压机末冷却器器泄漏，本次排查内漏管束115根，并进行堵漏（换热器总管束740根，两次堵漏共计190根）。本次正常开车后，装置负荷受到严重影响，产品氮气取出量明显减少，严重偏离设计值，冷箱系统高压换热器热端温差变大，氧气通道跑冷严重。在之后的运行期间，增压机末级冷却器第三次出现内漏，增压空气大量漏入循环水侧，增压机末级排气压力由设计值7.0MPa降至6.2MPa，只能维持装置低负荷运行。2018年1月，增压机末级排气压力断崖式下降，由6.2MPa下降至5.4MPa，末级冷却器内漏加重，已无法满足装置运行要求，2月被迫停车，更换末级冷却器管束。空分装置增压机末级冷却器。

3.3故障原因分析

针对本次装置出现的故障异常现象，对空分设备的运行工况进行了认真的分析，排查情况如下：

1）由于增压机末级冷却器管束因循环水水质原因腐蚀穿孔造成撕裂，或是管口腐蚀减薄引起的内泄漏等因素。

2）由于气侧管线排出大量的水，装置再次开车时管线内残存的水分或杂质会随正流空气带入冷箱系统进入高压换热器液空通道。

3）此前增压机末级冷却器多次出现内漏的情况，循环水带入冷箱高压板翅式换热器后一直未进行彻底加温和极速反吹，残留在系统中的污堵物导致换热效果逐渐恶化。

4）冷却器内漏进入高压空气中的循环水成分较为复杂，可能有腐蚀性杂质被带入高压板翅式换热器在液空通道形成的冰堵和污堵。

5）检查高压板翅式换热器膨胀空气通道压差及含水量均在正常指标，液氧通道阻力比对试车时指标正常。

4管翅材料对换热器性能的影响

我国铜资源有限，且铜材料造价较高，因此一些学者致力于寻找一种可替代铜材料的金属。陈利等人通过理论分析及计算的方法，研究了铜管换铝管的可行性。岳振延等人根据我国的铜储量及铜价格涨幅等情况，认为可以利用铝材料较好的延展性、耐腐蚀性等优点，进行铜铝代替。张卫星等人认为空调换热器需要大量的铜，虽然铝材料具有传热性能良好、价格低廉等优点，但需要考虑铝材料容易腐蚀的问题。高思云等人通过对家用空调铝制扁管换热器与铜铝复合管换热器进行研究比较，验证了这两种铝制换热器应用的可靠性。赵新雨等人分析了铝材料换热器在暖通空调中的问题，指出因为铝金属易腐蚀泄露，且腐蚀产物容易产生污垢热阻，会降低换热器的效率，导致铝金属在完全代替铜金属材料的过程中存在技术上的问题。石新武等人认为不锈钢材料强度高，耐腐蚀性强，可以既确保不产生泄露，又延长使用寿命，但是不锈钢管导热系数比铜材料的导热系数低，为了加强换热，可在不锈钢管外套翅片。李俊华等人通过使用ＦＬＵＥＮＴ数值模拟的方法，在边界条件相等的情况下，对铜、铝和不锈钢等３种翅片材料进行了比较分析，认为铜材料换热性能最好，造价最贵；铝材料换热性能次之，造价最低，但是不具有抗腐蚀性；不锈钢材料换热性能最差，造价居中，也具有抗腐蚀性。王清富等人采用模拟实验法，对４台不同材料的翅片管进行了试验研究，发现当翅片为铜材料时，铁白铜管换热器空气侧换热系数高于不—０３１—区域供热锈钢管换热器空气侧换热系数；换热管材为铁白铜时，铜翅片比铝翅片换热器空气侧换热系数高，换热管和翅片的材料不影响管外空气侧的压降。上述文献中翅片管材料不仅有铜材料和铝材料，还对不锈钢材料进行了研究。虽然铜材料导热系数大，但铜资源缺乏，价格高昂；铝材料储备量较高，且价格低廉，但铝材料耐腐蚀性较低；不锈钢材料导热系数、价格和耐腐蚀性都位于中等水平。为了避免制冷剂泄露情况发生，多采用铜材料作为管材，铝材料作为翅片，也可采用不锈钢管，但要增加外套翅片来增加换热。

5仿真和验证

1）缓慢关闭高压液空节流阀HV-171501、增压机末级送气阀HIC-171066，现场打开高压液空吹除阀V171402，将高压液空通道降压至无压力。

2）在高压空气进冷箱尽量靠近冷箱合适位置对管道进行开孔，开孔完成后必须清理干净开孔产生的铁屑等机械杂质，开孔处增加DN150管道与主管道承压相同增加并增加DN150常温蝶阀（用于快速开关,不断改变通道流速），吹扫工作完成后拆除该新增换线及阀门，管道口加堵板并焊接牢靠。

3）临时管道施工，现场将增压机二段送气阀FIC-171063关闭，增压机二段至膨胀机增压端管线压力排尽，膨胀机增压端进口管线处增加盲板，防止吹扫气体进入膨胀机增压端。

结语

本文通过将气固两相间传热问题类比为流固耦合传热问题，利用Ｆｌｕｅｎｔ软件实现数学模型的计算，并通过实验验证了计算结果。利用所建立的数学模型计算了进口风速、温差、逆流段长度和通道高度对３种结构形式的全热换热器的影响。并拓展研究了不同叉流角度对换热器性能的影响，得出以下结论：

１）风速（风量）、通道高度是决定换热器效率的重要因素。风速越小，效率越高。通道高度越小，效率越高。控制合理的风速可以起到节能的效果。设备厂家可以综合考虑芯体的通道高度来增大换热器的效率。

２）温差和逆流段长度对换热器效率的影响是有待研究的因素。通过模拟得出：温差的改变，不能明显地提高换热器的效率；逆流段长度的增大可以明显增大换热器的效率，但不是长度越长越好，逆流段长度达到８００ｍｍ时，增大逆流段长度对提高效率的作用并不明显，通过非线性拟合可以得出经验公式。

参考文献

［１］ＺＨＡＮＧＬＺ，ＪＩＡＮＧＹ．Ｈｅａｔａｎｄｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒｉｎａｍｅｍｂｒａｎｅ－ｂａｓｅｄｅｎｅｒｇｙｒｅｃｏｖｅｒｙｖｅｎｔｉｌａｔｏｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｍｅｍｂｒａｎｅｓｃｉｅｎｃｅ，１９９９，１６３（１）：２９３８．

［２］ＭＥＴＷＡＬＬＹＨＭ，ＭＡＮＧＬＩＫＲＭ．Ｅｎｈａｎｃｅｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｄｕｅｔｏｃｕｒｖａｔｕｒｅ－ｉｎｄｕｃｅｄｌａｔｅｒａｌｖｏｒｔｉｃｅｓｉｎｌａｍｉｎａｒｆｌｏｗｓｉｎｓｉｎｕｓｏｉｄａｌｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ－ｐｌａｔｅｃｈａｎｎｅｌｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｊｏｕｒｎａｌｏｆｈｅａｔａｎｄｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒ，２００４，４７（１０／１１）：２２８３２２９２．

［３］孟祥全．板翅式空气空气全热交换器传热传质数值模拟与优化［Ｄ］．天津：天津工业大学，２０１５：２７４０．