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        高頻焊接與激光焊接翅片管傳熱性能對比試驗
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        摘 要: 對高頻焊接與激光焊接翅片管的傳熱性能進行對比試驗, 得到了兩個試件在不同管外空氣流速下的傳熱
        數據, 運用直接分離法將管外空氣側對流換熱系數從總的傳熱系數中分離 , 獲取管外空氣側換熱系數, 再通過擬合
        方法獲得管外空氣側換熱關聯式 。 研究表明 : 激光焊接翅片管的傳熱性能優于高頻焊接翅片管, 當空氣流速為 3
        m /s 時, 激光焊接翅片管的管外空氣換熱系數比同翅片尺寸的高頻焊接翅片管的管外換熱系數約高 9% 。
        關 鍵 詞: 高頻焊接; 激光焊接; 翅片管; 傳熱性能
        中圖分類號: TK83 文獻標識碼: A DOI: 10. 16146 /j. cnki. rndlgc. 2018. 02. 015
        Contrast Experiment of the Performance of a High Frequency Welded and Laser Welded Finned Tube
        HOU Qing-ya, OUYANG Xin-ping
        ( College of Energy and Power Engineering, Shanghai University of Science and Technology, Shanghai, China, Post Code: 200093)
        Abstract: A contrast experiment of the heat transfer performance of a high frequency and laser welded
        finned tube was conducted to obtain the heat transfer data of two test pieces at various air flow speeds outside a tube. The direct separation method was used to separate the convective heat exchange coefficient at
        the air side outside the tube from the total heat transfer coefficient to obtain the heat exchange coefficient
        at the air side outside the tube. Then, the fitting method was employed to obtain the correlation formula for
        calculating the amount of heat exchanged at the air side outside the tube. It has been found that the heat
        transfer performance of the laser welded finned tube is superior to that of the high frequency welded finned
        tube. When the air flow speed is 3 m /s, the heat exchange coefficient of the air outside the laser welded
        finned tube will be about 9% higher than that of the high frequency welded finned tube in the same size.
        Key words: high frequency welded finned tube, laser welded finned tube, heat transfer performance
        引 言
        高頻焊接翅片管是在上個世紀五十年代初研發的一種高效節材焊接方法的基礎上, 逐步發展而來的一種新型焊接翅片管[1 ~ 2] 。 高頻焊接翅片管是利用高頻電流的熱電效應與集膚效應, 以高頻電流作為焊接熱源, 局部加熱鋼帶和鋼管的接觸面及待焊區, 從而使接觸面達到塑性可焊狀態 。 同時, 在翅片的外側施加頂鍛力把接觸處的局部溶化物 、 金屬氧化物以及多余的塑態金屬擠出來, 使翅片與無縫鋼管之間達到固態原子 之間的結合, 最后實現塑性
        焊接 。激光焊接翅片管采用激光焊接技術 。 激光焊接技術是將高強度的激光束輻射到金屬的表面, 然后通過金屬和激光的相互作用 , 金屬吸收激光并轉化為熱能, 最后使金屬熔化之后冷卻形成結晶的焊接技術 。應用高頻焊接和激光焊接技術得到的翅片管在幾何結構上基本相同, 但是激光焊接技術的應用使激光焊接翅片管的翅片間距更小 。 對于高頻焊接翅片管, 由于制造工藝等方面的限制, 此種翅片管的翅片間距比較大, 翅化比較低, 也就是說, 相同的基管面積產生的換熱效果比較有限 。 激光焊接翅片管的生產精度 、 生產自動化程度和翅化比都較高, 且外形美觀, 但相對于高頻焊接翅片管, 其生產成本較高 。高頻焊接翅片管和激光焊接翅片管都具有翅片和基管間接觸熱阻小 、傳熱性能好的優點 。 本研究對高頻焊接翅片管與激光焊接翅片管的傳熱性能進行對比試驗, 從得到的總的傳熱系數中分離出管外換熱系數, 并擬合得到管外換熱關聯式, 最后分析比較高頻焊接翅片管與激光焊接翅片管的管外換熱特性, 得出比較結論 。
        1 試驗系統及數據處理方法
        1 . 1 試驗系統
        在風洞試驗臺上進行單管試驗, 試驗裝置如圖1 所示 。 被測試件的管外吸熱介質為環境溫度下的空氣, 空氣橫掠翅片管流動, 管內放熱介質為 0. 16MPa 的飽和水蒸氣, 水蒸氣的進口 ( 冷凝) 溫度由熱電阻溫度計測量, 凝結水流量由容積法測量 。 在管外空氣側, 空氣的進出口溫度由熱電偶堆測量, 空氣流量是通過變頻風機調節, 并由皮托管測量得到 。試驗保持蒸汽凝結壓力和凝結溫度基本不變(0. 16MPa 蒸汽對應飽和凝結溫度為 113 ℃ ) , 通過改變空氣的流量, 獲得一系列工況下的試驗數據 。

        1 . 2 翅片管幾何結構
        高頻焊接翅片管和激光焊接翅片管實物如圖 2和圖 3 所示, 結構參數如表 1 所示 。 兩個試件除了在翅片厚度和翅片高度有所區別, 其它幾何結構都是相同的 。


        1 . 3 數據處理方法
        1 . 3 . 1 換熱量
        為保證試驗數據的可靠性, 對每個工況的試驗數據都要進行熱平衡校驗, 如果 | η | < 5% , 認為試驗數據可靠,如果 | η | ≥ 5% 則認為試驗數據不可靠, 需重新進行測試 。水蒸氣的放熱量 Q1 和空氣的吸熱量 Q2 可分別表示為:
        Q1 = G1 · r  (1 )
        Q2 = G2cp2( T2″ - T2' ) (2)
        式中 : G1 、 G2—水蒸氣、 空氣的質量流量, kg /s; cp2—空氣 的 比 熱, kJ /( kg · ℃ ) ; T 2″ —空 氣 的 出 口 溫度, ℃ ; T2' —空氣的進口溫度, ℃ 。
        熱平衡 η 計算式:
        η =| Q1 - Q2 |Q2 × 100% (3 )
        1 . 3 . 2 傳熱系數
        傳熱系數 K 的計算式為:K = Q /A Δtm (4)
        式中 : Q—換熱量, 取 Q = Q2, W; A—傳熱面積( 取含翅片的管外總表面積 A0' ) , m2; Δtm—平均溫差, ℃ 。
        1 . 3 . 3 管內平均換熱系數
        以總外表面積 A0' ( 帶翅片) 為傳熱面積, 總熱阻
        與基管內外傳熱各分熱阻的關系為:1K=1hoηo+ Rw + R f + 1hi+A 'oAi
        (5)式中 : h i—管內換熱系數, W /( m2 · K) ; h o—管外換熱系數, W /( m2 · K) ; A i—管內表面積, m2; A 'o—管外總表面積 ( 帶翅片 ) , m2; R w—管壁熱阻,( m2 ·K) /W; R f—污垢熱阻,( m2 · K) /W; ηo—肋面總效率, ηo 是與 h o 相關聯的一個量[3] 。由于管內水蒸氣冷凝熱阻遠小于管外熱阻, 可將管內冷凝換熱系數通過經典的計算關聯式計算,通過式
        (5) 采用直接分離法將管外空氣側對流換熱系數從總的傳熱系數中分離, 獲取管外空氣側換熱系數 h o[4] 。 式(5 ) 中 , 壁面熱阻 R w 可以計算, 試驗管件是全新的測試管, 污垢熱阻 R f 近似為 0, 所以只需通過經典計算關聯式計算出管內換熱系數 h i,即可求得管外換熱系數 h o。
        1 . 3 . 4 管壁面溫度
        可以通過迭代法計算管壁面溫度 tw:(1 ) 先假設一個內壁溫度 twi, 根據式( 7 ) 求得管內冷凝換熱系數 h i;
        (2) 再根據式(6) 重新計算內壁溫度 twi:hiA i( ts - twi) = Q (6)
        式中 : ts—管內冷凝溫度, ℃ ;
        1 . 3 . 5 管內冷凝換熱系數
        水平管內冷凝換熱系數近似公式:
        h = 0. 468A1 ×kfρf(ρf - ρv) λ (1 + 0. 68ζ) g[ ]μfri Δt (7)
        其中 , 冷凝液熱容量參數 ζ:
        ζ =cf· Δtλ
        (8)式中 : h—平均管內換熱系數, W /( m2 · K) ; A1 —決定于冷凝液熱容量參數 ζ 的修正系數, A1 的計算可參照文獻[5] 的相關公式及圖表; ri—管內半徑, m;kf—界膜的導熱系數, W /( m · K) ; ρv—蒸 汽 的 密度, kg /m3 ; λ—蒸 發 潛 熱, J /kg; g—重 力 加 速 度,m /s2; μf—界 膜 的 粘 度, Pa /s; cf—液 膜 比 熱,W /( kg· K) ; Δt—蒸汽本身的飽和溫度 Tb 和管壁溫度 tw 的差, ℃ ; k f、 μf、 ρf—界膜溫度 tf 下的物性值。其中 ,
        tf =12( Tb + tw) (9)
        式中 : Tb—蒸 汽 本 身 的 溫 度, ℃ ; tw —管 內 壁 的溫度, ℃ 。
        1 . 3 . 6 管外空氣換熱關聯式
        空氣橫掠圓管的平均表面傳熱系數可以用準則關系式來表示[6] :
        Nu = C Ren Pr13(10)
        其中 ,Nu =holλ
        (11 )Re = Vlv
        (12)式中 : l —試件的特征尺寸, 取基管外徑, m; λ —管外空氣的導熱系數, W /( m· K) ; V—空氣的迎面流速, m /s; ν —運動粘度, m2 /s。
        1 . 4 試驗誤差分析
        系統的傳熱系數測試誤差設計值為 ± 5% 。 根據誤差傳遞理論, 計算傳熱系數、 管外空氣側的對流換熱的誤差。試驗中選用了一些精度較高的測試元件 。 溫度測量用 PT100 一級熱電阻, 精度為 ± 0. 15 ℃ ; 壓力測量用 YB - 250B 壓力傳感器, 精度為滿量程的0. 25% ; 流量通過用傾斜式微壓計測皮托管壓差得到, 最小讀數分辨率為 3 Pa 。 對每個工況的試驗數據進行熱平衡的校驗, 均滿足熱平衡要求 ( | η | <5% ) 。 由誤差傳遞理論的基本式推導出 : 傳熱系數的相對誤差等于計算式中各參變量誤差的平方和的平方根 。 溫度測量元件的測量誤差是 0. 5% , 根據式 ( 4 ) 推 算 出 對 數 平 均 溫 差 Δt 的 相 對 誤 差 為0. 99% ; 根據上述計算結果得到傳熱系數 K 的相對誤差為 2. 7% 。 偶然誤差則由熱平衡誤差來控制,用來保證總的傳熱系數測試誤差在 ± 5% 以內 。
        2 實驗結果分析與討論
        以管外總表面積 A 'o 作為傳熱面積, 試驗的傳熱系數 K 隨管外空氣速度 V 的變化曲線如圖 4 所示,以試驗的傳熱數分離出的管外換熱系數 ho 隨管外空氣速度 V 的變化曲線如圖 5 所示 。

        從圖 4 可以看出 , 高頻焊接翅片管傳熱系數 K略高于激光焊接翅片管 。
        從圖 5 可以看出 , 激光焊接翅片管的管外換熱系數 ho 與高頻焊接翅片管的管外換熱系數 ho 相差很小, 高頻焊略高 。以上數據表明高頻焊的傳熱效果稍好, 但是由于兩個試件的翅片高度 、 翅片厚度有所不同, 為了更客觀地比較高頻焊接翅片管與激光焊接翅片管傳熱性能, 應將兩者翅片尺寸統一后進行比較 。 本文將高頻焊接翅片管的翅片尺寸折算到激光焊接翅片管的翅片尺寸, 得到折算后的管外換熱系數 ho 。

        根據文獻[7] 提出的式(13 ) 可知, 管外換熱系數與翅片的高度 、 厚度和間距有關 。h = 0. 287 λdoRe0. 7Pr1 /3 ( )BP 0. 25 ( )HP -0. 37 (13 )
        式中 : P —翅片之間的間距, m; B —翅片的厚度, m;H—翅片的高度, m; do —管外徑, m; λ—導熱率, W /( m· K) 。將式(13 ) 中的后兩項分別代入高頻焊和激光焊的翅片尺寸進行計 算比較, 高頻焊是激光焊的1 . 14倍, 高頻焊占優, 這主要在于高頻焊翅片厚很多, 使得翅片肋效率更高。 顯然, 將高頻焊的翅片尺寸折算到激光焊的翅片尺寸, 高頻焊的管外換熱系數將下降。
        將高頻焊的管外換熱系數除以 1 . 14 進行折算后, 高頻焊接翅片管的管外換熱系數 ho 隨管外空氣速度 V 的變化曲線如圖 5 中虛線所示。 這表明激光焊接翅片管的管外換熱系數高于高頻焊接翅片管。當空氣迎面流速為 3 m /s 時, 激光焊接翅片管的管外空氣換熱系數比折算后的高頻焊接翅片管的管外換熱系數約高 9% 。為便于兩種翅片管的設計計算, 將圖 5 中的實驗點進行擬合, 獲得管外空氣側換熱準則關系式:
        高頻焊接翅片管:
        Nu = 0. 294Re0. 42Pr 13 (14)
        激光焊接翅片管:
        Nu = 0. 232Re0. 48 Pr 13 (15)
        事實上, 對于十幾毫米的翅片高度, 高頻焊的翅片過厚, 其消耗的翅片材料幾乎是激光焊的 2 倍, 與多消耗的材料相比, 翅片肋效率的有限增加是不合算的, 但要減少翅厚將受制于高頻焊工藝 。 激光焊接翅片管翅片厚度合適, 相比高頻焊可減少翅片材料 。 實際應用上, 較薄翅片的激光焊管要取代較厚翅片的高頻焊管不必要增加翅片厚度, 只要稍微減小一點翅片間距以增加一些傳熱面積, 即可達到或超過高頻焊管的換熱性能 。
        3 結 論
        (1 ) 激光焊接翅片管的傳熱性能優于高頻焊接翅片管 。 當空氣迎面流速為 3 m /s 時, 激光焊接翅片管的管外空氣換熱系數比同翅片尺寸的高頻焊接翅片管的管外換熱系數約高 9% 。 通過擬合方法獲得兩個試件的管外空氣側換熱關聯式 。
        (2) 受制于加工工藝, 高頻焊的翅片過厚, 其消耗的翅片材料幾乎是激光焊的 2 倍 。 激光焊接翅片
        管翅片厚度合適, 相比高頻焊可減少翅片材料 。
        參考文獻:
        [1] Wang C C , et al. [J] . International Journal of Heat and MassTransfer , 1998, 42( 1 ) : 1945 - 1956.
        [2] 李國蘭. 對高頻焊接翅片管的 分析[J] . 焊接技術, 2004, 33(1 ) : 37 - 39.
        LI Guo-lan. Analysis of a high frequency welded finned tube[J] .Welding Technology, 2004, 33 (1 ) : 37 - 39.
        [3] 史美中 , 王中錚. 熱交換器原理與設計[M] . 南京: 東南大學出版社, 1989.SHI Mei-zhong, WANG Zhong-zheng. Principles and design of heatexchangers[M] . Nanjing: Southeast University Press, 1989.
        [4] 張賢安. 雙金屬軋片式翅片管管外對流換熱準則關系式研究[J] . 流體機械, 2004, 32(7) : 19 - 22.ZHANG Xian-an. Study of the convective heat exchange criterioncorrelation formula for calculating double - metal rolled plate typefinned tubes[J] . Fluid Machinery, 2004, 32(7) : 19 - 22.
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