管殼式換熱器高效管最大承壓能力試驗研究

余鳳先 劉姚 王雨晴 黃政霖 王青

摘 要：為提高產品能效及市場競爭力，針對外翅片內螺紋強化傳熱管的壁厚問題，通過試驗與理論計算相結合對比的方式，對現使用的標準壁厚換熱管進行內壓爆破和外壓失穩（可見的變形）試驗以及拉伸試驗，從試驗以及理論計算的結果看，現有常規壁厚高效管的承壓能力完全能滿足目前一些用戶高壓工況的使用需求，不需要額外增加底壁厚。

關鍵詞：高效換熱管；爆破試驗；外壓失穩；制冷；驗證性試驗

中圖分類號：TK172? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）10-0067-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.10.017

0? ? 引言

大型中央空調冷水機組使用的管殼式換熱器中換熱管普遍采用外翅片內螺紋的高效管，材料為紫銅管TP2，但紫銅價格昂貴，為進一步降低制冷機的造價，最大化減小管壁厚度已迫在眉睫；同時，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間運行時不出現失效的需求存在沖突，所以，在減小管材壁厚的同時，確保高效管工作可靠、安全也是必須的。本文通過對有關規范中列出的各種方法的比較，對在高承壓時采用現有標準換熱管而不額外增加壁厚的可行性進行了研究。

1? ? 高效管簡介

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

內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，強化了管內的對流傳熱。

管外壁面形態較為復雜，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，增強冷凝傳熱；于蒸發器，管外多孔蜂窩狀結構，使介質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。

內外表面強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? ? 高效管工作環境

采用內螺紋外翅片的高效管在中央空調系統中得到了廣泛使用。它的管內流體稱為載冷劑，也就是在被冷卻介質與制冷機組的蒸發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。標況下制冷劑的相變冷凝溫度一般為40 ℃，因為標況下管內載冷劑冷凝器的進出口溫度為32/37 ℃，蒸發器的進出口溫度為12/7 ℃；管內載冷劑的工作壓力一般為1.0 MPa，隨著現代高層建筑的日益增多，要求高效管的設計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? ? 內容過程

3.1? ? 試驗方案說明

GB/T 150.1—2011《壓力容器 第1部分：通用要求》只給出了內壓設計方法時所采用的規范性附錄C“以驗證性爆破試驗確定容器設計壓力”[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計計算問題較為突出，若采用包括有限元法在內的應力分析計算和評估方法進行設計，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。經多年實踐，制冷容器行業內選擇了法規同樣認可的、通過驗證性試驗分析進行設計的方法，這一點也在NB/T 47012—2020《制冷裝置用壓力容器》修訂時進行了協調，增加了規范性附錄A“銅及銅合金、鈦合金制整體翅片換熱管的外壓設計”[3]。具體做法是：選擇一定數量（3根）需要進行壓力設計的TP2材質整體翅片換熱管，對其施加內壓和外壓直至失效，獲得其許用應力。在20 ℃的環境溫度下，抽樣選取9根高效管分別進行內壓爆破和外壓失穩試驗，每種規格各3根。

3.2? ? 內壓爆破試驗

根據GB/T 150.1—2011給出的確定內壓設計方法，采用規范性附錄C“以驗證性爆破試驗確定容器設計壓力”[2]。試驗過程中得到一個爆破壓力值，該數據不僅與管材的內外徑、壁厚相關，而且與管材的拉伸強度也有著密切的聯系。內壓爆破壓力值P如表1所示。

3.3? ? 外壓液壓失穩試驗（可見的垮塌）

按照NB/T 47012—2020規范性附錄A進行外壓液壓試驗直至失效（可見的垮塌）[3]，得到外壓失穩壓力值B的數據，如表1所示。

從試驗結果看，高效管的破裂處均發生在光管段，翅片段未出現破裂。外壓垮塌試驗中亦如此，高效管的失穩垮塌處均發生在光管側。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，但內螺紋和外翅片的存在，對成翅段銅材強度起到了強化作用，通過試驗也證實了高效管最薄弱部位是光管段，而非翅片段。

3.4? ? 內外壓計算

1）根據JB/T 10503—2005《空調與制冷用高效換熱管》[1]計算管子應能承受的內壓。

內壓計算需要使用到高效管的部分齒形數據，齒形數據使用投影儀進行測量，結果匯總如表2所示。

按標準5.12條，高效管在室溫下應能承受按公式（1）計算得出的靜水內壓，且不得有變形、滲漏或其他缺陷。計算結果如表2所示。

P=2[σ]t0/（dr-0.8t0）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：P為最小試驗靜水壓力，見表2；[σ]為材料許用應力，按標準5.5條確定；t0為成翅段壁厚，根據表2選取；dr為齒根直徑，根據表2選取。

2）根據NB/T 47012—2020規范性附錄A[3]計算管子的最大許用工作壓力。

外壓計算時需要使用管子的外壓失穩壓力，按照表1選取每種型號的最小失穩壓力和光管的屈服強度，光管屈服強度使用拉伸機進行測試。測試數據如表3所示。

最大許用工作外壓P按下式確定：

P=F×（B/3）×[Rp0.2/Rp0.2a]? ? ? ? ? ?（2）

式中：F為由于設計溫度而引起強度變化的調整系數，F=[σ]t/[σ]，其中[σ]t為設計溫度下管子材料的許用應力，按NB/T 47012—2020[3]的表6選取，但不得超過[σ]，取30 MPa；[σ]為試驗溫度下管子材料的許用應力，按NB/T 47012—2020[3]的表6選取，取30 MPa；B為最小失穩壓力；Rp0.2為室溫下規定的管子最低屈服強度，取45 MPa；Rp0.2a為由3個無翅片管段試樣在室溫下試驗實測的屈服強度的平均值，按表3選取。

計算結果如表3所示。

4? ? 結束語

高效管作為大型空調冷水機組的重要受壓部件，同時也是進行熱量交換的中間傳熱部件，其可靠度關系到整個機組系統的穩定運行及安全性。

本文根據GB 150.1—2011中的附錄A[2]許可的采用液壓驗證性試驗的方法確定受壓元件最高允許工作壓力的規定，通過水壓爆破試驗來測定其最大容許工作內壓，又根據NB/T 47012—2020附錄A進行了外壓液壓試驗、拉伸試驗[3]；通過實測出高效管能承受的最大內外壓力，并根據標準計算出高效管的許用工作壓力，對比數據，以確認高效管能否在許用工作壓力下安全使用。由試驗結果可知，常規的數值計算過于保守，而通過內壓爆破與外壓失穩的聯合測試得出的許用應力值，才更符合高效管的實際承載能力。總之，可通過爆破試驗和外壓垮塌試驗來測定獲得高效換熱管的最大許用工作壓力，可以發現即使現有壁厚管也完全能滿足部分高承壓要求，即無須按照常規的計算方式增大其底壁厚度，這對節省銅材資源，降低冷水機組的生產費用，增強其在市場中的競爭能力，有著十分實用的價值，具有一定的應用前景。

[參考文獻]

[1] 空調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].

收稿日期：2024-01-16

作者簡介：余鳳先（1991—），女，安徽淮南人，工程師，主要從事制冷空調冷水機組節能、壓力容器換熱器與壓縮機的研究與設計工作。