同軸換熱器內管截面積的計算方法探討

李菊

（特靈科技亞太研發中心，江蘇 太倉 215400）

0 引言

同軸換熱器按照結構形式可以分為圓形、長圓形、方形、雙圓形及蚊香形[1]。在北美水源熱泵機組中常用雙圓形，并且根據容量需求單個產品可以串聯或者并聯使用（如圖1）。同軸換熱器在水源熱泵機組中與水進行換熱，其結構分為內管和外管，一般其內部是一根螺旋槽紋管，外部是一根光管，如圖2所示。在水源熱泵系統中，制冷劑在管外流動，載冷劑水在螺旋槽紋管內部流動。

圖1 雙圓形同軸換熱器

圖2 同軸換熱器套管截面

為了研究不同供應商的產品在載冷劑水側和制冷劑氟側的容積,雖然用注水法可以直接得到內外管容積，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算，所以測量及計算的難點為螺旋槽紋管的截面積計算。以螺旋頭為6的螺旋槽紋管進行研究，探討了螺旋槽紋管截面積的測量及計算方法，從而為螺旋槽紋管的相關設計計算提供依據。

1 螺旋槽紋管界面結構分析

螺旋槽紋管是多種傳熱強化技術綜合運用的結晶，實現了換熱介質兩側的同時強化[2]。由于組成螺旋槽的型線多變，截面形狀也是多變。現研究的對象是6個螺旋頭的槽紋管，其主要結構參數有內切圓、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 計算過程及結果

螺紋槽紋管截面積的計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顯微鏡測量數據，將每個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，根據掃描文件，導入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則，測量困難。現將每個螺旋頭近似為矩形來估算內管的截面積，因此內管截面積估算公式如下：

截面積=內切圓面積+螺旋頭槽深（徑向）×螺旋頭槽底寬（周向）×螺旋頭數量。

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

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

2.1.2 樣品制備

實驗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。根據熱鑲嵌料的性能，在熱鑲嵌機器上進行制樣。該實驗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時不會使樣品的物理性能或者結構組織發生變化的固體樣品。

2）冷鑲嵌。根據實驗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，故樣件發生變形的概率相對比較大。為了盡量降低由于實驗因素造成的內管截面積產生的變化，樣品制備推薦使用冷鑲嵌，雖然耗時，但發生變形的概率低。鑲嵌后的樣品需要在磨拋機上進行打磨、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 顯微鏡觀測記錄實驗室的掃描電鏡最小放大倍數和樣品距掃描電鏡的極靴之間的距離有關，即與樣品的高度有關。樣品高度越低，離極靴越遠，放大倍數越小，顯示的視野越大。所以要根據所觀測樣品的大小，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據是內切圓、螺旋頭槽深、螺旋頭槽底寬（如圖5）。在測量內切圓直徑時，內管可能有一定的變形而非正圓形，因此所畫的內切圓應盡可能與多數槽的邊緣相切，如圖5（a）所示。螺旋頭槽深的測量方法：畫一條經過槽頂點和內切圓圓心的線，該線與內切圓的交點到槽頂點的距離即槽深，如圖5（b）所示。槽底寬的測量方法：槽兩側壁面的切線與內切圓交點，兩交點之間的距離即為槽底寬，如圖5（c）所示。

圖5 測量參數

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

2.2 三維掃描法

本次使用形創Handyscan 300手持式三維激光掃描儀，通過手持式設備，對待測物體發射出激光光點或線性激光。由于模型較小而且復雜，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點的環境中[3]。本次使用的是一種具有黏性、可反射的貼片，用來在掃描時定位及校準使用。通過掃描儀獲得數據，并使用Creo轉換成三維模型，從而計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）導入到Creo計算內管截面的面積。

2.2.1 樣品制備

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

2.2.2 使用三維掃描儀掃描樣品

由于樣件很小，且結構復雜。為增強掃描清晰度，掃描前先均勻噴上增強劑，噴上增強劑后的樣件如圖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，在樣件沒有基準面的情況下，應該盡量保證表面水平，以便導入Creo中可以快速找準基準面，必要時可考慮掃描時放置參考平面體一起做掃描。

圖6 噴涂增強劑的樣件

圖7 樣件掃描中

2.2.3 導入Creo計算

由于使用的三維掃描儀相關軟件權限限制，所以導入到Creo里進行進一步的截面積計算。

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

圖8 導入到Creo里的模型

圖9 螺旋槽紋管截面線

3 結論與展望

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

表2所示為3種測量方法的結果對比，其中3D 掃描和OpenCV計算差值僅為0.49%，可以認為掃描或相片精度越高，所測量的結果越接近真實數值。

表2 測量結果

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

表3 3種測量方法的特點及要求

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，很難保證截取的內管平面和內管的軸線垂直，希望其他研究者可以提出更好的方法。