同軸換熱器內(nèi)管截面積的計(jì)算方法探討

李菊

（特靈科技亞太研發(fā)中心，江蘇 太倉 215400）

0 引言

同軸換熱器按照結(jié)構(gòu)形式可以分為圓形、長圓形、方形、雙圓形及蚊香形[1]。在北美水源熱泵機(jī)組中常用雙圓形，并且根據(jù)容量需求單個(gè)產(chǎn)品可以串聯(lián)或者并聯(lián)使用（如圖1）。同軸換熱器在水源熱泵機(jī)組中與水進(jìn)行換熱，其結(jié)構(gòu)分為內(nèi)管和外管，一般其內(nèi)部是一根螺旋槽紋管，外部是一根光管，如圖2所示。在水源熱泵系統(tǒng)中，制冷劑在管外流動(dòng)，載冷劑水在螺旋槽紋管內(nèi)部流動(dòng)。

圖1 雙圓形同軸換熱器

圖2 同軸換熱器套管截面

為了研究不同供應(yīng)商的產(chǎn)品在載冷劑水側(cè)和制冷劑氟側(cè)的容積,雖然用注水法可以直接得到內(nèi)外管容積，但考慮到注水法很難保證里面沒有其他殘留（比如油），也不能確定注入的水完全倒空。因此考慮使用測量方法，其中外管為圓形光管比較容易計(jì)算，所以測量及計(jì)算的難點(diǎn)為螺旋槽紋管的截面積計(jì)算。以螺旋頭為6的螺旋槽紋管進(jìn)行研究，探討了螺旋槽紋管截面積的測量及計(jì)算方法，從而為螺旋槽紋管的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算提供依據(jù)。

1 螺旋槽紋管界面結(jié)構(gòu)分析

螺旋槽紋管是多種傳熱強(qiáng)化技術(shù)綜合運(yùn)用的結(jié)晶，實(shí)現(xiàn)了換熱介質(zhì)兩側(cè)的同時(shí)強(qiáng)化[2]。由于組成螺旋槽的型線多變，截面形狀也是多變。現(xiàn)研究的對象是6個(gè)螺旋頭的槽紋管，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有內(nèi)切圓、螺旋頭槽深、螺旋頭槽底寬，具體幾何尺寸如圖3所示。

圖3 螺旋管幾何尺寸圖

2 計(jì)算過程及結(jié)果

螺紋槽紋管截面積的計(jì)算通常采用顯微鏡測量法和三維掃描法。其中顯微鏡法是根據(jù)顯微鏡測量數(shù)據(jù)，將每個(gè)螺旋頭近似為矩形來估算螺紋槽紋管截面積。三維掃描法是使用手持三維掃描儀，根據(jù)掃描文件，導(dǎo)入Creo測量可直接得到截面積。

2.1 顯微鏡測量法

由于螺旋頭形狀不規(guī)則，測量困難。現(xiàn)將每個(gè)螺旋頭近似為矩形來估算內(nèi)管的截面積，因此內(nèi)管截面積估算公式如下：

截面積=內(nèi)切圓面積+螺旋頭槽深（徑向）×螺旋頭槽底寬（周向）×螺旋頭數(shù)量。

顯微鏡下觀測步驟如下：1）取樣。截取所需樣品。2）樣品制備。為盡量降低界面發(fā)生變形，使用鑲嵌方式制備樣品。3）顯微鏡下觀測記錄。

2.1.1 取樣

使用角磨機(jī)在同軸換熱器上先切下一段試樣，取出內(nèi)管，再用精密切割機(jī)截取所需長度。

2.1.2 樣品制備

實(shí)驗(yàn)室可提供熱鑲嵌和冷鑲嵌兩種方式，以下先簡介兩種方式并分析利弊。

1）熱鑲嵌。根據(jù)熱鑲嵌料的性能，在熱鑲嵌機(jī)器上進(jìn)行制樣。該實(shí)驗(yàn)室提供的材料在鑲嵌過程中需要加壓至20 MPa，鑲嵌溫度為160 ℃。該鑲嵌方法制樣大概需要20 min左右。一般用在對溫度不敏感的樣品材料，即在160 ℃/20 MPa時(shí)不會(huì)使樣品的物理性能或者結(jié)構(gòu)組織發(fā)生變化的固體樣品。

2）冷鑲嵌。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室提供的冷鑲嵌材料，兩種材料以一定比例混合，攪拌直至無氣泡產(chǎn)生后靜置2 min，放置到成型模具里。在常溫常壓下，靜置24 h。24 h后固化成型后脫模取出樣品即可。一般用在對溫度或者壓力敏感的樣品材料。

兩種鑲嵌方法操作的條件對比如表1所示。在熱鑲嵌制樣過程中，由于樣件受一定的壓力和溫度的影響，故樣件發(fā)生變形的概率相對比較大。為了盡量降低由于實(shí)驗(yàn)因素造成的內(nèi)管截面積產(chǎn)生的變化，樣品制備推薦使用冷鑲嵌，雖然耗時(shí)，但發(fā)生變形的概率低。鑲嵌后的樣品需要在磨拋機(jī)上進(jìn)行打磨、修薄厚度等，以便在掃描電鏡下用最低倍盡可能顯示全視野觀察。樣品如圖4所示。

圖4 內(nèi)管冷鑲嵌樣品圖

表1 熱鑲嵌和冷鑲嵌對比

2.1.3 顯微鏡觀測記錄實(shí)驗(yàn)室的掃描電鏡最小放大倍數(shù)和樣品距掃描電鏡的極靴之間的距離有關(guān)，即與樣品的高度有關(guān)。樣品高度越低，離極靴越遠(yuǎn)，放大倍數(shù)越小，顯示的視野越大。所以要根據(jù)所觀測樣品的大小，選擇合適的模式。在本觀測中，由于所需觀測的樣品外切圓大小約為32.5 mm，為盡可能地觀測螺旋槽紋管，將樣件厚度修整為1 mm，掃描電鏡選擇“wide field”模式，這樣由于樣品臺(tái)越低視場越大，可確保盡量顯示螺旋槽紋管。

顯微鏡下需要觀測的數(shù)據(jù)是內(nèi)切圓、螺旋頭槽深、螺旋頭槽底寬（如圖5）。在測量內(nèi)切圓直徑時(shí)，內(nèi)管可能有一定的變形而非正圓形，因此所畫的內(nèi)切圓應(yīng)盡可能與多數(shù)槽的邊緣相切，如圖5（a）所示。螺旋頭槽深的測量方法：畫一條經(jīng)過槽頂點(diǎn)和內(nèi)切圓圓心的線，該線與內(nèi)切圓的交點(diǎn)到槽頂點(diǎn)的距離即槽深，如圖5（b）所示。槽底寬的測量方法：槽兩側(cè)壁面的切線與內(nèi)切圓交點(diǎn)，兩交點(diǎn)之間的距離即為槽底寬，如圖5（c）所示。

圖5 測量參數(shù)

在本次測試中，為了得到更為精確的測量數(shù)據(jù)，觀測了3個(gè)樣品。并多次記錄數(shù)值取平均值，在記錄中去除最大值和最小值后取測量值的平均值。根據(jù)測量數(shù)據(jù)和估算公式即可計(jì)算出螺旋槽紋管的內(nèi)管截面積。

2.2 三維掃描法

本次使用形創(chuàng)Handyscan 300手持式三維激光掃描儀，通過手持式設(shè)備，對待測物體發(fā)射出激光光點(diǎn)或線性激光。由于模型較小而且復(fù)雜，本次采用掃描表面的方法，掃描前需要將樣品放置周圍貼輔助定位標(biāo)點(diǎn)的環(huán)境中[3]。本次使用的是一種具有黏性、可反射的貼片，用來在掃描時(shí)定位及校準(zhǔn)使用。通過掃描儀獲得數(shù)據(jù)，并使用Creo轉(zhuǎn)換成三維模型，從而計(jì)算出螺旋槽紋管的截面積。

具體步驟如下：1）樣品制備；2）使用手持式三維掃描儀掃描樣品；3）導(dǎo)入到Creo計(jì)算內(nèi)管截面的面積。

2.2.1 樣品制備

使用角磨機(jī)先切下一段試樣，取出螺旋槽紋管，再用精密切割機(jī)截取所需長度。打磨上下切割面，盡量保持表面平整水平。以便三維掃描時(shí)可平穩(wěn)放置，從而獲得較為精確的測量數(shù)據(jù)。

2.2.2 使用三維掃描儀掃描樣品

由于樣件很小，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為增強(qiáng)掃描清晰度，掃描前先均勻噴上增強(qiáng)劑，噴上增強(qiáng)劑后的樣件如圖6所示。如圖7所示，樣件正在被掃描，由于樣件很小，所以作為定位的貼片不放置在樣件上，并需要保持樣件和定位貼片位置在掃描過程中不變。得到的三維掃描的文件格式為.stl，可以用Creo軟件打開。對于需要掃描的樣品，在樣件沒有基準(zhǔn)面的情況下，應(yīng)該盡量保證表面水平，以便導(dǎo)入Creo中可以快速找準(zhǔn)基準(zhǔn)面，必要時(shí)可考慮掃描時(shí)放置參考平面體一起做掃描。

圖6 噴涂增強(qiáng)劑的樣件

圖7 樣件掃描中

2.2.3 導(dǎo)入Creo計(jì)算

由于使用的三維掃描儀相關(guān)軟件權(quán)限限制，所以導(dǎo)入到Creo里進(jìn)行進(jìn)一步的截面積計(jì)算。

圖8所示為掃描文件導(dǎo)入到Creo的模型，該模型全部是由點(diǎn)形成的三角面片組成。首先需要在模型里找準(zhǔn)基準(zhǔn)面，擺正視圖；再以上述基準(zhǔn)面多次偏移截取多個(gè)截面，每個(gè)截面即可得到一個(gè)截面線；根據(jù)圖9所示截面線填充內(nèi)管截面，最后通過Creo軟件即可計(jì)算得到內(nèi)管截面面積。為了得到精準(zhǔn)的截面積，可多次截取不同截面，取得平均值。

圖8 導(dǎo)入到Creo里的模型

圖9 螺旋槽紋管截面線

3 結(jié)論與展望

螺紋槽紋管截面積還可以用OpenCV軟件來計(jì)算。此方式需要高清照相機(jī)拍攝圖片，通過計(jì)算內(nèi)管面積占總樣件的比例。

表2所示為3種測量方法的結(jié)果對比，其中3D 掃描和OpenCV計(jì)算差值僅為0.49%，可以認(rèn)為掃描或相片精度越高，所測量的結(jié)果越接近真實(shí)數(shù)值。

表2 測量結(jié)果

在精度條件相同的前提下，OpenCV 是通過一系列C函數(shù)和少量C++語言得到的測量結(jié)果，非常高效。在同時(shí)滿足各項(xiàng)能力的條件下，優(yōu)先推薦使用OpenCV；其次推薦使用3D掃描法；最后推薦顯微鏡測量。3種方法各自的特點(diǎn)及要求如表3所示。

表3 3種測量方法的特點(diǎn)及要求

最后為了保證測量的精度，樣件鑲嵌推薦使用冷鑲嵌。另外，對于此螺旋槽紋管截取樣品時(shí)，很難保證截取的內(nèi)管平面和內(nèi)管的軸線垂直，希望其他研究者可以提出更好的方法。