制冷空調：換熱器管翅傳熱與脹接工藝過程機理分析

　　目前，國內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，較少涉及換熱管和翅片參數。本文我們來探討下換熱器管翅傳熱與脹接工藝過程機理。

　　1、蒸發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量。

　　目前，脹接方法一般有如下幾種：

　　（1）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徑的特點，脹頭的輪廓使換熱管發生彈塑性變形，進而接觸翅片孔，實現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；

　　（3）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生彈性變形，由于變形過程體積不發生變化，其軸向長度縮短，徑向變粗，使換熱管向外擴張；

　　（4）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，再從右推頭處排出，最終完成脹接；

　　2、管翅傳熱理論模型

　　空調換熱器整體傳熱過程是換熱管內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換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%。根據接觸熱阻是接觸傳熱系數的倒數，可以將管翅接觸傳熱系數寫成：

　　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、接觸壓力和間隙高度。而材料屬性和材料傳導系數為固有參數，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，也即是需要優化脹接工藝參數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往返.

　　具體可以分成三個過程：

　　（1）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，隨著脹頭的持續推進，換熱管向外擴張，翅片隨之變形；

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

　　（3）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域后，脹頭對換熱管和翅片卸載，換熱管和翅片發生回彈，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：

　　（1）脹接過程在室溫中進行，不考慮溫度的影響；

　　（2）換熱管和翅片均為理想彈塑性材料，各向同性；

　　（3）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壁，換熱管在力的作用下發生彈性變形，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生接觸。

　　在這個過程中，換熱管受力越來越大，轉至發生塑性變形，換熱管的管徑不斷增大，恰好與翅片孔發生接觸，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域卸載，翅片開始發生回彈，通過兩者間的殘余接觸壓力 Pc與換熱管緊固。 

　　基于換熱管發生最大塑性變形和翅片發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：