管壳式换热器高效管最大承压能力试验研究

引言

大型中央空调冷水机组使用的管壳式换热器中换热管普遍采用外翅片内螺纹的高效管,材料为紫铜管TP2,但紫铜价格昂贵,为进一步降低制冷机的造价,最大化减小管壁厚度已迫在眉睫;同时,壁厚减薄还可以减小管壁热阻。然而,这与高效管在承压工况下长时间运行时不出现失效的需求存在冲突,所以,在减小管材壁厚的同时,确保高效管工作可靠、安全也是必须的。本文通过对有关规范中列出的各种方法的比较,对在高承压时采用现有标准换热管而不额外增加壁厚的可行性进行了研究。

1 高效管简介

激烈的市场竞争促使制冷容器行业积极主动地使用高效换热管,其中,采用铜及铜合金制整体翅片的换热管应用较普遍。外翅片内螺纹的高效强化管(后文简称“高效管”)是指在光滑的铜管内壁通过特定的机械制造技术,使其内壁形成多种形状的螺旋,外壁也同时成型。

内部螺旋线一般有锯齿形、三角形和梯形等,其主要作用是:1)增大管壁的表面积,继而增大换热面积;2)通过这些螺旋形状肋片的扰流作用,强化了管内的对流传热。

管外壁面形态较为复杂,包括普通直翅、多孔状以及锯齿状表面,作用原理主要体现在:1)肋片的存在增大了换热面积;2)于冷凝器,管外肋片尖峰的存在可显著减薄附着在管壁上的冷凝液膜厚度,增强冷凝传热;于蒸发器,管外多孔蜂窝状结构,使介质在沸腾过程中形成更多的汽化核心,从而提高了沸腾传热系数。

内外表面强化型高效管及其外表面的肋片形状分别如图1和图2所示^[1]。

2 高效管工作环境

采用内螺纹外翅片的高效管在中央空调系统中得到了广泛使用。它的管内流体称为载冷剂,也就是在被冷却介质与制冷机组的蒸发器之间起传热作用的流体,通常是水、乙二醇溶液等。管外即壳程流体为制冷剂,它在制冷系统中同样起着传热的作用,在低温、低压下吸热,在高温、高压下释放热量,多为卤族化合物,常见的有R134a、R22。标况下制冷剂的相变冷凝温度一般为40℃ ,因为标况下管内载冷剂冷凝器的进出口温度为32/37℃ ,蒸发器的进出口温度为12/7℃;管内载冷剂的工作压力一般为1.0 Mpa,随着现代高层建筑的日益增多,要求高效管的设计趋向于承受更高的工作压力,如1.6 Mpa,甚至更高,如2.0 Mpa。

3内容过程

3.1 试验方案说明

GB/T150.1—2011《压力容器第1部分:通用要求》只给出了内压设计方法时所采用的规范性附录C“以验证性爆破试验确定容器设计压力”^[2],但因整体翅片换热管的翅片型式、尺寸等外形的变化带来的外压设计计算问题较为突出,若采用包括有限元法在内的应力分析计算和评估方法进行设计,往往受制于建模的精度和边界条件简化的合理性的影响,效果并不令人满意。经多年实践,制冷容器行业内选择了法规同样认可的、通过验证性试验分析进行设计的方法,这一点也在NB/T47012—2020《制冷装置用压力容器》修订时进行了协调,增加了规范性附录A“铜及铜合金、钛合金制整体翅片换热管的外压 设计”^[3]。具体做法是:选择一定数量(3根)需要进行压力设计的Tp2材质整体翅片换热管,对其施加内压和外压直至失效,获得其许用应力。在20℃的环境温度下,抽样选取9根高效管分别进行内压爆破和外压失稳试验,每种规格各3根。

3.2 内压爆破试验

根据GB/T150.1—2011给出的确定内压设计方法,采用规范性附录C“以验证性爆破试验确定容器设计压力”^[2]。试验过程中得到一个爆破压力值,该数据不仅与管材的内外径、壁厚相关,而且与管材的拉伸强度也有着密切的联系。内压爆破压力值P如表1所示。

3.3外压液压失稳试验(可见的垮塌)

按照NB/T 47012—2020规范性附录A进行外压液压试验直至失效(可见的垮塌)[3],得到外压失稳压力值B的数据,如表1所示。

从试验结果看,高效管的破裂处均发生在光管段,翅片段未出现破裂。外压垮塌试验中亦如此,高效管的失稳垮塌处均发生在光管侧。因此,尽管翅化后的铜管翅片段的底壁厚比光管段的壁厚小,但内螺纹和外翅片的存在,对成翅段铜材强度起到了强化作用,通过试验也证实了高效管最薄弱部位是光管段,而非翅片段。

3.4内外压计算

1)根据JB/T10503—2005《空调与制冷用高效换热管》^[1]计算管子应能承受的内压。

内压计算需要使用到高效管的部分齿形数据,齿形数据使用投影仪进行测量,结果汇总如表2所示。

按标准5.12条,高效管在室温下应能承受按公式(1)计算得出的静水内压,且不得有变形、渗漏或其他缺陷。计算结果如表2所示。

P=2[σ]t₀/(d_r-0.8t₀) (1)式中:P为最小试验静水压力,见表2;[σ]为材料许用应力,按标准5.5条确定;t₀为成翅段壁厚,根据表2选取;d_r为齿根直径,根据表2选取。

2)根据NB/T 47012—2020规范性附录A^[3]计算管子的最大许用工作压力。

外压计算时需要使用管子的外压失稳压力,按照表1选取每种型号的最小失稳压力和光管的屈服强度,光管屈服强度使用拉伸机进行测试。测试数据如表3所示。

最大许用工作外压P按下式确定:

P=F×(B/3)×[Rp_0.2/Rp_0.2a](2)

式中:F为由于设计温度而引起强度变化的调整系数,F=[σ]_t/[σ],其中[σ]_t为设计温度下管子材料的许用应力,按NB/T 47012—2020^[3] 的表6选取,但不得超过[σ],取30 Mpa;[σ]为试验温度下管子材料的许用应力,按NB/T 47012—2020^[3] 的表6选取,取30 Mpa;B为最小失稳压力;Rp_0.2为室温下规定的管子最低屈服强度,取45 Mpa;Rp_0.2a为由3个无翅片管段试样在室温下试验实测的屈服强度的平均值,按表3选取。

计算结果如表3所示。

4结束语

高效管作为大型空调冷水机组的重要受压部件,同时也是进行热量交换的中间传热部件,其可靠度关系到整个机组系统的稳定运行及安全性。

本文根据GB150.1—2011中的附录A[2]许可的采用液压验证性试验的方法确定受压元件最高允许工作压力的规定,通过水压爆破试验来测定其最大容许工作内压,又根据NB/T47012—2020附录A进行了外压液压试验、拉伸试验[3];通过实测出高效管能承受的最大内外压力,并根据标准计算出高效管的许用工作压力,对比数据,以确认高效管能否在许用工作压力下安全使用。由试验结果可知,常规的数值计算过于保守,而通过内压爆破与外压失稳的联合测试得出的许用应力值,才更符合高效管的实际承载能力。总之,可通过爆破试验和外压垮塌试验来测定获得高效换热管的最大许用工作压力,可以发现即使现有壁厚管也完全能满足部分高承压要求,即无须按照常规的计算方式增大其底壁厚度,这对节省铜材资源,降低冷水机组的生产费用,增强其在市场中的竞争能力,有着十分实用的价值,具有一定的应用前景。

[参考文献]

[1] 空调与制冷用高效换热管:JB/T 10503—2005[S].

[2]压力容器:GB 150.1~150.4—2011[S].

[3] 制冷装置用压力容器:NB/T 47012—2020[S].

2024年第10期第17篇