引言

大型中央空調(diào)冷水機(jī)組使用的管殼式換熱器中換熱管普遍采用外翅片內(nèi)螺紋的高效管,材料為紫銅管TP2,但紫銅價(jià)格昂貴,為進(jìn)一步降低制冷機(jī)的造價(jià),最大化減小管壁厚度已迫在眉睫;同時(shí),壁厚減薄還可以減小管壁熱阻。然而,這與高效管在承壓工況下長時(shí)間運(yùn)行時(shí)不出現(xiàn)失效的需求存在沖突,所以,在減小管材壁厚的同時(shí),確保高效管工作可靠、安全也是必須的。本文通過對有關(guān)規(guī)范中列出的各種方法的比較,對在高承壓時(shí)采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)換熱管而不額外增加壁厚的可行性進(jìn)行了研究。

1 高效管簡介

激烈的市場競爭促使制冷容器行業(yè)積極主動(dòng)地使用高效換熱管,其中,采用銅及銅合金制整體翅片的換熱管應(yīng)用較普遍。外翅片內(nèi)螺紋的高效強(qiáng)化管(后文簡稱“高效管”)是指在光滑的銅管內(nèi)壁通過特定的機(jī)械制造技術(shù),使其內(nèi)壁形成多種形狀的螺旋,外壁也同時(shí)成型。

內(nèi)部螺旋線一般有鋸齒形、三角形和梯形等,其主要作用是:1)增大管壁的表面積,繼而增大換熱面積;2)通過這些螺旋形狀肋片的擾流作用,強(qiáng)化了管內(nèi)的對流傳熱。

管外壁面形態(tài)較為復(fù)雜,包括普通直翅、多孔狀以及鋸齒狀表面,作用原理主要體現(xiàn)在:1)肋片的存在增大了換熱面積;2)于冷凝器,管外肋片尖峰的存在可顯著減薄附著在管壁上的冷凝液膜厚度,增強(qiáng)冷凝傳熱;于蒸發(fā)器,管外多孔蜂窩狀結(jié)構(gòu),使介質(zhì)在沸騰過程中形成更多的汽化核心,從而提高了沸騰傳熱系數(shù)。

內(nèi)外表面強(qiáng)化型高效管及其外表面的肋片形狀分別如圖1和圖2所示^[1]。

2 高效管工作環(huán)境

采用內(nèi)螺紋外翅片的高效管在中央空調(diào)系統(tǒng)中得到了廣泛使用。它的管內(nèi)流體稱為載冷劑,也就是在被冷卻介質(zhì)與制冷機(jī)組的蒸發(fā)器之間起傳熱作用的流體,通常是水、乙二醇溶液等。管外即殼程流體為制冷劑,它在制冷系統(tǒng)中同樣起著傳熱的作用,在低溫、低壓下吸熱,在高溫、高壓下釋放熱量,多為鹵族化合物,常見的有R134a、R22。標(biāo)況下制冷劑的相變冷凝溫度一般為40℃ ,因?yàn)闃?biāo)況下管內(nèi)載冷劑冷凝器的進(jìn)出口溫度為32/37℃ ,蒸發(fā)器的進(jìn)出口溫度為12/7℃;管內(nèi)載冷劑的工作壓力一般為1.0 Mpa,隨著現(xiàn)代高層建筑的日益增多,要求高效管的設(shè)計(jì)趨向于承受更高的工作壓力,如1.6 Mpa,甚至更高,如2.0 Mpa。

3內(nèi)容過程

3.1 試驗(yàn)方案說明

GB/T150.1—2011《壓力容器第1部分:通用要求》只給出了內(nèi)壓設(shè)計(jì)方法時(shí)所采用的規(guī)范性附錄C“以驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)確定容器設(shè)計(jì)壓力”^[2],但因整體翅片換熱管的翅片型式、尺寸等外形的變化帶來的外壓設(shè)計(jì)計(jì)算問題較為突出,若采用包括有限元法在內(nèi)的應(yīng)力分析計(jì)算和評估方法進(jìn)行設(shè)計(jì),往往受制于建模的精度和邊界條件簡化的合理性的影響,效果并不令人滿意。經(jīng)多年實(shí)踐,制冷容器行業(yè)內(nèi)選擇了法規(guī)同樣認(rèn)可的、通過驗(yàn)證性試驗(yàn)分析進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法,這一點(diǎn)也在NB/T47012—2020《制冷裝置用壓力容器》修訂時(shí)進(jìn)行了協(xié)調(diào),增加了規(guī)范性附錄A“銅及銅合金、鈦合金制整體翅片換熱管的外壓 設(shè)計(jì)”^[3]。具體做法是:選擇一定數(shù)量(3根)需要進(jìn)行壓力設(shè)計(jì)的Tp2材質(zhì)整體翅片換熱管,對其施加內(nèi)壓和外壓直至失效,獲得其許用應(yīng)力。在20℃的環(huán)境溫度下,抽樣選取9根高效管分別進(jìn)行內(nèi)壓爆破和外壓失穩(wěn)試驗(yàn),每種規(guī)格各3根。

3.2 內(nèi)壓爆破試驗(yàn)

根據(jù)GB/T150.1—2011給出的確定內(nèi)壓設(shè)計(jì)方法,采用規(guī)范性附錄C“以驗(yàn)證性爆破試驗(yàn)確定容器設(shè)計(jì)壓力”^[2]。試驗(yàn)過程中得到一個(gè)爆破壓力值,該數(shù)據(jù)不僅與管材的內(nèi)外徑、壁厚相關(guān),而且與管材的拉伸強(qiáng)度也有著密切的聯(lián)系。內(nèi)壓爆破壓力值P如表1所示。

3.3外壓液壓失穩(wěn)試驗(yàn)(可見的垮塌)

按照NB/T 47012—2020規(guī)范性附錄A進(jìn)行外壓液壓試驗(yàn)直至失效(可見的垮塌)[3],得到外壓失穩(wěn)壓力值B的數(shù)據(jù),如表1所示。

從試驗(yàn)結(jié)果看,高效管的破裂處均發(fā)生在光管段,翅片段未出現(xiàn)破裂。外壓垮塌試驗(yàn)中亦如此,高效管的失穩(wěn)垮塌處均發(fā)生在光管側(cè)。因此,盡管翅化后的銅管翅片段的底壁厚比光管段的壁厚小,但內(nèi)螺紋和外翅片的存在,對成翅段銅材強(qiáng)度起到了強(qiáng)化作用,通過試驗(yàn)也證實(shí)了高效管最薄弱部位是光管段,而非翅片段。

3.4內(nèi)外壓計(jì)算

1)根據(jù)JB/T10503—2005《空調(diào)與制冷用高效換熱管》^[1]計(jì)算管子應(yīng)能承受的內(nèi)壓。

內(nèi)壓計(jì)算需要使用到高效管的部分齒形數(shù)據(jù),齒形數(shù)據(jù)使用投影儀進(jìn)行測量,結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

按標(biāo)準(zhǔn)5.12條,高效管在室溫下應(yīng)能承受按公式(1)計(jì)算得出的靜水內(nèi)壓,且不得有變形、滲漏或其他缺陷。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

P=2[σ]t₀/(d_r-0.8t₀) (1)式中:P為最小試驗(yàn)靜水壓力,見表2;[σ]為材料許用應(yīng)力,按標(biāo)準(zhǔn)5.5條確定;t₀為成翅段壁厚,根據(jù)表2選取;d_r為齒根直徑,根據(jù)表2選取。

2)根據(jù)NB/T 47012—2020規(guī)范性附錄A^[3]計(jì)算管子的最大許用工作壓力。

外壓計(jì)算時(shí)需要使用管子的外壓失穩(wěn)壓力,按照表1選取每種型號的最小失穩(wěn)壓力和光管的屈服強(qiáng)度,光管屈服強(qiáng)度使用拉伸機(jī)進(jìn)行測試。測試數(shù)據(jù)如表3所示。

最大許用工作外壓P按下式確定:

P=F×(B/3)×[Rp_0.2/Rp_0.2a](2)

式中:F為由于設(shè)計(jì)溫度而引起強(qiáng)度變化的調(diào)整系數(shù),F=[σ]_t/[σ],其中[σ]_t為設(shè)計(jì)溫度下管子材料的許用應(yīng)力,按NB/T 47012—2020^[3] 的表6選取,但不得超過[σ],取30 Mpa;[σ]為試驗(yàn)溫度下管子材料的許用應(yīng)力,按NB/T 47012—2020^[3] 的表6選取,取30 Mpa;B為最小失穩(wěn)壓力;Rp_0.2為室溫下規(guī)定的管子最低屈服強(qiáng)度,取45 Mpa;Rp_0.2a為由3個(gè)無翅片管段試樣在室溫下試驗(yàn)實(shí)測的屈服強(qiáng)度的平均值,按表3選取。

計(jì)算結(jié)果如表3所示。

4結(jié)束語

高效管作為大型空調(diào)冷水機(jī)組的重要受壓部件,同時(shí)也是進(jìn)行熱量交換的中間傳熱部件,其可靠度關(guān)系到整個(gè)機(jī)組系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及安全性。

本文根據(jù)GB150.1—2011中的附錄A[2]許可的采用液壓驗(yàn)證性試驗(yàn)的方法確定受壓元件最高允許工作壓力的規(guī)定,通過水壓爆破試驗(yàn)來測定其最大容許工作內(nèi)壓,又根據(jù)NB/T47012—2020附錄A進(jìn)行了外壓液壓試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)[3];通過實(shí)測出高效管能承受的最大內(nèi)外壓力,并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出高效管的許用工作壓力,對比數(shù)據(jù),以確認(rèn)高效管能否在許用工作壓力下安全使用。由試驗(yàn)結(jié)果可知,常規(guī)的數(shù)值計(jì)算過于保守,而通過內(nèi)壓爆破與外壓失穩(wěn)的聯(lián)合測試得出的許用應(yīng)力值,才更符合高效管的實(shí)際承載能力?？傊?可通過爆破試驗(yàn)和外壓垮塌試驗(yàn)來測定獲得高效換熱管的最大許用工作壓力,可以發(fā)現(xiàn)即使現(xiàn)有壁厚管也完全能滿足部分高承壓要求,即無須按照常規(guī)的計(jì)算方式增大其底壁厚度,這對節(jié)省銅材資源,降低冷水機(jī)組的生產(chǎn)費(fèi)用,增強(qiáng)其在市場中的競爭能力,有著十分實(shí)用的價(jià)值,具有一定的應(yīng)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 空調(diào)與制冷用高效換熱管:JB/T 10503—2005[S].

[2]壓力容器:GB 150.1~150.4—2011[S].

[3] 制冷裝置用壓力容器:NB/T 47012—2020[S].

2024年第10期第17篇