鋁制板翅式換熱器在工程機(jī)械冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用

【摘 要】近年來，鋁制板翅式換熱器已經(jīng)在工程機(jī)械方面得到廣泛應(yīng)用，特別是在機(jī)械冷卻系統(tǒng)中作用尤為明顯。本文介紹了工程機(jī)械上使用的鋁制板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)及主要零部件特點(diǎn)，并對(duì)鋁制板翅式換熱器在工程機(jī)械冷卻系統(tǒng)應(yīng)用中形狀選擇上進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，然后探討鋁制板翅式換熱器在工程機(jī)械冷卻中存在的問題及解決措施。

【關(guān)鍵詞】鋁制板翅式換熱器；應(yīng)用研究；機(jī)械

1930年，英國(guó)馬爾斯頓公司就制造了銅及銅合金制板翅式換熱器。40年代開始制造鋁制板翅式換熱器。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前鋁制板翅式換熱器作為一種高效、緊湊、輕巧的的換熱設(shè)備，已在石油化工、航空航天、電子、原子能、武器工業(yè)、冶金、動(dòng)力工程和機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來，鋁制板翅式換熱器的設(shè)計(jì)理論、試驗(yàn)研究、制造工藝、開拓應(yīng)用的研究方興未艾，特別是一些新技術(shù)的滲透，使其應(yīng)用范圍更加廣泛，進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。

一、鋁制板翅式換熱器特點(diǎn)

鋁制板翅式換熱器是一種新型高效換熱設(shè)備。它以結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小和傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化工、化肥、空分設(shè)備、天然氣液化等各個(gè)領(lǐng)域。它與傳統(tǒng)的管殼式結(jié)構(gòu)相比，單位傳熱面積大5-10倍，重量減輕了80%-85%。其主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)：（1）經(jīng)濟(jì)性好。由于結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，采用鋁合金材質(zhì)制造，其重量很輕。（2）輕巧而牢固。由于翅片很薄，一般為0.2--0.3mm，換熱器的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，換熱器一般全部用鋁制造，因而重量很輕，同時(shí)翅片既是主要的換熱表面又是兩隔板的支撐，因此強(qiáng)度很高。例如用0.7mm厚的平隔板和0.2mm厚的翅片制成的板翅式換熱器能承受4MPa表壓的壓力。（3）結(jié)構(gòu)緊湊。單位體積內(nèi)的傳熱面積一般都能達(dá)到1500--2500m2/m3，最高可達(dá)5000m2/m3。就單位體積的傳熱面積而言，板翅式換熱器為翅片管式換熱器的2--5倍。（4）傳熱效率高。由于翅片對(duì)流的擾動(dòng)，使邊界層不斷破裂，因而具有較大的換熱系數(shù)；同時(shí)所采用的材料（鋁及鋁合金）具有高導(dǎo)熱性以及較小的當(dāng)量直徑，所以使得板翅式換熱器可以達(dá)到很高的效率，空氣在強(qiáng)迫對(duì)流下的換熱系數(shù)可達(dá)350W/m2·℃。

但鋁制板翅式換熱器在現(xiàn)在應(yīng)用中也存在著一些缺點(diǎn)：：（1）制造工藝要求嚴(yán)格，工藝過程復(fù)雜。（2）容易堵塞，不耐腐蝕，清洗檢修很困難，故只能用于換熱介質(zhì)干凈、無腐蝕、不易結(jié)垢、不易沉積、不易堵塞的場(chǎng)合。

二、鋁制板翅式換熱器翅片在工程機(jī)械冷卻系統(tǒng)使用中關(guān)于幾何形狀的影響

鋁制板翅式換熱器在使用中根據(jù)幾何形狀影響分為以下幾個(gè)方面：（1）平直形翅片在于擴(kuò)大傳熱面，而對(duì)于促進(jìn)流體湍動(dòng)的作用則很小。（2）鋸齒形翅片傳熱性能隨切開長(zhǎng)度而變化，即切開長(zhǎng)度越短，其傳熱性能越好，因其有利于破壞傳熱邊界層使熱阻降低，但壓力降增加（3）波紋形翅片使得流體在彎曲流道中不斷改變流動(dòng)方向，以促進(jìn)流體的湍動(dòng)，分離和破壞傳熱邊界層，波紋越密，波幅越大其傳熱性能就越好。

為分析翅片的幾何形狀對(duì)成鋁制板翅式換熱器在工程機(jī)械冷卻系統(tǒng)中質(zhì)量的影響，我們基于驗(yàn)證過的多層換熱器的有限元模型，做了進(jìn)一步的仿真研究。翅片幾何模型保持波紋翅片的節(jié)距、寬度及高度不變，只改變翅片和管之間釬焊的長(zhǎng)度，即翅片幾何形狀可分為三角形、梯形和矩形；模具和微通道扁管均保持不變，選擇彎曲部位的典型翅片單元的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行翅片變形情況的對(duì)比，通過研究數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，矩形翅片的扭曲程度在三者之間為最嚴(yán)重，而選擇三角形的翅片則能夠更好的提高換熱器的成形質(zhì)量。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，管和翅片之間釬焊的區(qū)域越大，二者的變形不協(xié)調(diào)程度就會(huì)越嚴(yán)重。此外，由研究翅片的幾何形狀對(duì)彎曲力矩的影響得出，具有3種不同幾何形狀翅片的換熱器彎曲成形時(shí)，其所需的平均彎曲力矩和換熱器層數(shù)之間的關(guān)系。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，翅片形狀對(duì)彎曲力矩的影響比較小；同樣的條件下，三角形翅片需要的彎曲力矩更小；隨著換熱器層數(shù)增加，翅片形狀對(duì)彎曲力矩的影響逐漸增大。

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論，我們總結(jié)了以下鋁制板翅式換熱器工程機(jī)械冷卻系統(tǒng)中相關(guān)應(yīng)用理論：

（一）表面特性及選擇：鋁制板翅式換熱器中的傳熱過程主要是通過翅片來完成。

（二）傳熱和流動(dòng)分析：鋁制板翅式換熱器傳熱分析一般采用傳熱單元數(shù)法（ε-Ntu），該法反映冷熱流體間換熱過程難易程度的參數(shù)，也是衡量換熱器傳熱能力的參數(shù)，為便于手工計(jì)算，作了一些理想化的假設(shè)，這些假設(shè)條件有時(shí)會(huì)對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)產(chǎn)生顯著影響，因此必須考慮進(jìn)行修正。如傳熱計(jì)算中確定流體物性的單一溫度值，在冷端溫降不是很大的情況下，可用平均溫度計(jì)算物性。 例如運(yùn)用傳熱單元法進(jìn)行操作型傳熱過程問題計(jì)算，（1）根據(jù)換熱器的操作工況，計(jì)算總傳熱系數(shù)K，（2）計(jì)算NTU=KiSi/（Wcp）min CR=Cmin/Cmax .（3） 根據(jù)換熱器中兩流體的流動(dòng)方式，由NTU和CR查取ε.（4） 根據(jù)冷熱流體的進(jìn)口溫度，計(jì)算出傳熱速率（5） 根據(jù)熱量衡算求出冷熱流體的出口溫度。

（三）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：交變載荷下工程機(jī)械冷卻系統(tǒng)工作的鋁制板翅式換熱器，會(huì)因疲勞而使隔板產(chǎn)生裂紋，發(fā)生泄漏，因此疲勞破壞在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮。我們得到的一些定性結(jié)論是：控制翅片與翅片、翅片與封條間疊裝間隙，在相鄰流道間采用翅片斷面錯(cuò)列接縫等措施來防止隔板因疲勞產(chǎn)生裂紋，同時(shí)將承受交變載荷的流道不布置在最外側(cè)或在最外側(cè)布置1～2層以改善其受力狀況。另外，還采取將封頭和板束焊接加襯圈、開焊接坡口和焊加強(qiáng)板等措施來減小壓力，提高產(chǎn)品制造質(zhì)量和使用壽命。

三、鋁制板翅式換熱器的技術(shù)在工程機(jī)械冷卻方面的應(yīng)用

（一）鋁制板翅式換熱器的作用：鋁制板翅式換熱器作為液壓油冷卻裝置的核心部件，目前已廣泛應(yīng)用在配置液壓系統(tǒng)的工程機(jī)械上，比如：汽車起重機(jī)、旋挖鉆機(jī)、混凝土攪拌車、拖泵、強(qiáng)夯機(jī)、挖溝機(jī)、攤鋪機(jī)、壓路機(jī)等。鋁制板翅式換熱器因其強(qiáng)度高、散熱效率高而受到了工程機(jī)械相關(guān)領(lǐng)域的青睞。除了液壓系統(tǒng)的應(yīng)用外，板翅式換熱器已經(jīng)進(jìn)入到工程機(jī)械包括發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器在內(nèi)的整個(gè)散熱模塊上。

（二）鋁制板翅式換熱器在工程機(jī)械冷卻方面常見問題及解決措施：在鋁制板翅式換熱器生產(chǎn)廠家，由于原材料的缺陷或釬接溫度等原因，難免會(huì)出現(xiàn)個(gè)別換熱器相鄰兩通道相互串漏，而這種串漏很難查找到確切位置，即使找到漏點(diǎn)，也難以修復(fù)。還有一些沒有經(jīng)驗(yàn)的制作人員往往不采取任何防范措施就把其中一層通道焊死，這就給以后換熱器的正常運(yùn)行留下了隱患。

在換熱器制作過程中若發(fā)現(xiàn)有串漏時(shí)，必須采取有效的技術(shù)措施。在封堵其中一個(gè)通道前，先將內(nèi)部水分烘干，然后在兩通道的導(dǎo)流口處的中間隔板上、下兩端盡可能多地開一些小孔，這些孔稱之為工藝孔，它可以使兩通道的氣體暢通。

四、結(jié)語(yǔ)

總的說來，鋁制板翅式換熱器的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在散熱性好、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高以及生產(chǎn)環(huán)保等很多方面，在不久的將來，鋁制板翅式換熱器將會(huì)取代銅散熱器，受到越來越多生產(chǎn)廠家的認(rèn)可并得到更加廣泛的應(yīng)用。

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