制冷空調(diào)：換熱器管翅傳熱與脹接工藝過程機理分析

　　目前，國內(nèi)外對于換熱器的脹接研究更多集中在換熱管和管板，對管翅式換熱器的機械脹接研究相對較少，并且在相關研究中主要以脹頭尺寸和脹頭形狀為研究參數(shù)，較少涉及換熱管和翅片參數(shù)。本文我們來探討下?lián)Q熱器管翅傳熱與脹接工藝過程機理。

　　1、蒸發(fā)式冷凝技術的概念與原理

　　管翅式換熱器是管式換熱器的一種，在能源設備和制冷設備中被廣泛應用。目前換熱管多數(shù)采用銅材料，翅片采用鋁材料，構成如圖 1-1 所示的管翅式換熱器。

　　換熱管通過連鑄、軋制、盤拉、退火等手段加工成形，翅片則由鋁箔沖壓成形。因此，由接觸傳熱理論可知，換熱管和翅片孔之間的不完全接觸會使得接觸傳熱系數(shù)變小，不利于換熱器的傳熱，由此需要關注脹接工藝對換熱管與翅片接觸的影響，保證脹接工藝的成形質(zhì)量。

　　目前，脹接方法一般有如下幾種：

　?。?）機械脹接：脹管機推動脹頭前行，利用脹頭直徑大于換熱管內(nèi)徑的特點，脹頭的輪廓使換熱管發(fā)生彈塑性變形，進而接觸翅片孔，實現(xiàn)換熱管和翅片的緊固連接。

　　（2）液壓脹接：依靠液體高壓提供脹接力，屬于均勻脹接；

　?。?）橡膠脹接：通過橡膠等彈性體給予壓力，當彈性體受到軸向擠壓發(fā)生彈性變形，由于變形過程體積不發(fā)生變化，其軸向長度縮短，徑向變粗，使換熱管向外擴張；

　?。?）爆炸脹接：利用炸藥爆炸釋放的巨大能量來連接換熱管和管板；

　　（5）氣壓脹接：與液壓脹接方法類似，主要是利用氣體高壓代替液體發(fā)揮作用，如圖 1-2 所示，左右推頭對銅管口進行密封，高壓氣體從左推頭處進入銅管內(nèi)，再從右推頭處排出，最終完成脹接；

　　2、管翅傳熱理論模型

　　空調(diào)換熱器整體傳熱過程是換熱管內(nèi)的冷卻液通過熱對流將熱量傳遞到換熱管壁，換熱管則通過熱傳導將熱量傳遞給與換熱管接觸的翅片，最后熱量由流動的空氣以熱對流的方式帶走。

　　在這個過程中，換熱管和翅片間的間隙會導致?lián)Q熱管和翅片存在接觸熱阻。接觸熱阻是接觸界面溫差?T 與通過接觸界面的平均熱流 q 的比值，有研究表明接觸熱阻占換熱器總熱阻的比例超過 15%。根據(jù)接觸熱阻是接觸傳熱系數(shù)的倒數(shù)，可以將管翅接觸傳熱系數(shù)寫成：

　　綜上可以看出，對換熱管和翅片之間傳熱起到影響作用的是材料屬性、材料傳導系數(shù)、接觸壓力和間隙高度。而材料屬性和材料傳導系數(shù)為固有參數(shù)，接觸壓力與接觸長度有關，因此，若要提高換熱器的換熱效果，就需要增加管翅間接觸長度和減小間隙高度以提高接觸傳熱系數(shù)，也即是需要優(yōu)化脹接工藝參數(shù)來提高脹接后換熱管和翅片的貼合度。 

　　3、脹接工藝

　　換熱管和翅片的脹接過程如圖 2-1 所示，換熱管穿插在堆疊的翅片孔中，脹頭作為提供脹接力的模具在換熱管孔內(nèi)往返.

　　具體可以分成三個過程：

　?。?）脹頭在推桿的作用下沿著軸線前進，脹頭的前 R 角首先與換熱管接觸，使換熱管徑向擴張，開始時換熱管和翅片之間存在間隙，隨著脹頭的持續(xù)推進，換熱管向外擴張，翅片隨之變形；

　?。?）隨著脹頭前進，由脹頭的直線段提供成形力，換熱管發(fā)生塑性變形，翅片在換熱管徑向擴張作用下發(fā)生彈塑性變形，此階段是換熱管和翅片完成脹接的主要步驟；

　?。?）脹頭直線段完成換熱管和翅片的脹接后，由于在徑向長度上脹頭后 R 角小于脹頭直線段，即使脹頭繼續(xù)前進，脹頭后 R 角對換熱管無作用力。隨著脹頭前進，完成換熱管長度的脹接工序，由于換熱管發(fā)生塑性變形，回彈量較小，在脹頭返程過程中，脹頭后 R 角和直線段幾乎不與換熱管發(fā)生接觸，可認為在脹頭前進過程中，當脹頭直線段離開已脹接區(qū)域后，脹頭對換熱管和翅片卸載，換熱管和翅片發(fā)生回彈，完成兩者間的連接。

　　4、脹接工藝過程機理分析

　　上文對換熱器脹接工藝過程進行了詳細描述，并劃分成三個階段。

　　取未脹接的換熱管-翅片位置作為分析對象，如圖 2-2 中方框選取位置，對其脹接工藝過程的三個階段作力學分析，并對脹接工藝過程作以下假設：

　?。?）脹接過程在室溫中進行，不考慮溫度的影響；

　?。?）換熱管和翅片均為理想彈塑性材料，各向同性；

　?。?）脹頭、換熱管和翅片三者中心軸線重合。

　　4.1  脹頭前 R 角作用階段

　　脹桿在脹管機的作用下推動脹頭前進，脹頭前 R 角首先觸及換熱管內(nèi)壁，換熱管在力的作用下發(fā)生彈性變形，隨著脹頭前進，脹頭前 R 角與換熱管接觸位置逐漸后移，直至與脹頭直線段發(fā)生接觸。

　　在這個過程中，換熱管受力越來越大，轉(zhuǎn)至發(fā)生塑性變形，換熱管的管徑不斷增大，恰好與翅片孔發(fā)生接觸，此時翅片孔接觸位置的受力情況如圖2-3 所示。

　　在力的作用下，翅片在徑向發(fā)生擴張，并沿軸線方向移動。由于翅片和翅片之間基本上間隙很小，翅片軸向移動距離大于間隙，翅片之間則會發(fā)生擠壓，導致翅片孔直壁變形，會導致翅片孔直壁某些位置不與換熱管外壁接觸，不利于換熱管和翅片間的貼合。為了減少翅片在軸線方向的變形，需要減小翅片受到的軸向力，即令sinα減小，cosα增大。

　　4.2  脹頭直線段作用階段

　　隨著脹頭的不斷前進，脹頭前 R 角逐漸過渡到脹頭直線段與換熱管、翅片接觸，此時換熱管和翅片只受到徑向力，脹頭直線段給予換熱管和翅片均勻的徑向壓力，將模型簡化成雙層圓筒模型，如圖 2-5 所示。

　　在徑向建立換熱管微元的受力平衡方程，有： 

　　4.3  脹頭卸載階段

　　隨著脹頭移動，脹頭直線段不再與換熱管接觸，脹頭后 R 角也無法提供壓力給換熱管，相當于脹頭對已脹接區(qū)域卸載，翅片開始發(fā)生回彈，通過兩者間的殘余接觸壓力 Pc與換熱管緊固。 

　　基于換熱管發(fā)生最大塑性變形和翅片發(fā)生最大彈性變形的情況進行分析。當翅片在沒有換熱管阻礙的情況下，翅片孔在 P3 的作用下自由回彈△1，但是實際上翅片孔回彈量為△2，比自由回彈減少了△3，減少的回彈量相當于是殘余接觸壓力 Pc作用下自由回縮的翅片往外擴張量，方向與△2相反。

　　而由于翅片發(fā)生回彈，促使換熱管回縮，實際上翅片孔回彈量與換熱管回縮量相等。從幾何關系上有：