摘 要: 對(duì)高頻焊接與激光焊接翅片管的傳熱性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)， 得到了兩個(gè)試件在不同管外空氣流速下的傳熱
數(shù)據(jù)， 運(yùn)用直接分離法將管外空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)從總的傳熱系數(shù)中分離 ， 獲取管外空氣側(cè)換熱系數(shù)， 再通過擬合
方法獲得管外空氣側(cè)換熱關(guān)聯(lián)式 。 研究表明 : 激光焊接翅片管的傳熱性能優(yōu)于高頻焊接翅片管， 當(dāng)空氣流速為 3
m /s 時(shí)， 激光焊接翅片管的管外空氣換熱系數(shù)比同翅片尺寸的高頻焊接翅片管的管外換熱系數(shù)約高 9% 。
關(guān) 鍵 詞: 高頻焊接; 激光焊接; 翅片管; 傳熱性能
中圖分類號(hào): TK83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(gè)世紀(jì)五十年代初研發(fā)的一種高效節(jié)材焊接方法的基礎(chǔ)上， 逐步發(fā)展而來(lái)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(yīng)與集膚效應(yīng)， 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(qū)， 從而使接觸面達(dá)到塑性可焊狀態(tài) 。 同時(shí)， 在翅片的外側(cè)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(tài)金屬擠出來(lái)， 使翅片與無(wú)縫鋼管之間達(dá)到固態(tài)原子 之間的結(jié)合， 實(shí)現(xiàn)塑性
焊接 。激光焊接翅片管采用激光焊接技術(shù) 。 激光焊接技術(shù)是將高強(qiáng)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(zhuǎn)化為熱能， 使金屬熔化之后冷卻形成結(jié)晶的焊接技術(shù) 。應(yīng)用高頻焊接和激光焊接技術(shù)得到的翅片管在幾何結(jié)構(gòu)上基本相同， 但是激光焊接技術(shù)的應(yīng)用使激光焊接翅片管的翅片間距更小 。 對(duì)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(chǎn)生的換熱效果比較有限 。 激光焊接翅片管的生產(chǎn)精度 、 生產(chǎn)自動(dòng)化程度和翅化比都較高， 且外形美觀， 但相對(duì)于高頻焊接翅片管， 其生產(chǎn)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(yōu)點(diǎn) 。 本研究對(duì)高頻焊接翅片管與激光焊接翅片管的傳熱性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)， 從得到的總的傳熱系數(shù)中分離出管外換熱系數(shù)， 并擬合得到管外換熱關(guān)聯(lián)式， 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(jié)論 。
1 試驗(yàn)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理方法
1 ． 1 試驗(yàn)系統(tǒng)
在風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行單管試驗(yàn)， 試驗(yàn)裝置如圖1 所示 。 被測(cè)試件的管外吸熱介質(zhì)為環(huán)境溫度下的空氣， 空氣橫掠翅片管流動(dòng)， 管內(nèi)放熱介質(zhì)為 0． 16MPa 的飽和水蒸氣， 水蒸氣的進(jìn)口 ( 冷凝) 溫度由熱電阻溫度計(jì)測(cè)量， 凝結(jié)水流量由容積法測(cè)量 。 在管外空氣側(cè)， 空氣的進(jìn)出口溫度由熱電偶堆測(cè)量， 空氣流量是通過變頻風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)， 并由皮托管測(cè)量得到 。試驗(yàn)保持蒸汽凝結(jié)壓力和凝結(jié)溫度基本不變(0． 16MPa 蒸汽對(duì)應(yīng)飽和凝結(jié)溫度為 113 ℃ ) ， 通過改變空氣的流量， 獲得一系列工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù) 。
1 ． 2 翅片管幾何結(jié)構(gòu)
高頻焊接翅片管和激光焊接翅片管實(shí)物如圖 2和圖 3 所示， 結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 1 所示 。 兩個(gè)試件除了在翅片厚度和翅片高度有所區(qū)別， 其它幾何結(jié)構(gòu)都是相同的 。
1 ． 3 數(shù)據(jù)處理方法
1 ． 3 ． 1 換熱量
為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性， 對(duì)每個(gè)工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)都要進(jìn)行熱平衡校驗(yàn)， 如果 | η | ＜ 5% ， 認(rèn)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，如果 | η | ≥ 5% 則認(rèn)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)不可靠， 需重新進(jìn)行測(cè)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(zhì)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(jìn)口溫度， ℃ 。 熱平衡 η 計(jì)算式:
η =| Q1 － Q2 |Q2 × 100% (3 )
1 ． 3 ． 2 傳熱系數(shù)
傳熱系數(shù) K 的計(jì)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(nèi)平均換熱系數(shù)
以總外表面積 A0' ( 帶翅片) 為傳熱面積， 總熱阻
與基管內(nèi)外傳熱各分熱阻的關(guān)系為:1K=1hoηo+ Ｒw + Ｒ f + 1hi+A 'oAi
(5)式中 : h i—管內(nèi)換熱系數(shù)， W /( m2 · K) ; h o—管外換熱系數(shù)， W /( m2 · K) ; A i—管內(nèi)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(guān)聯(lián)的一個(gè)量［3］ 。由于管內(nèi)水蒸氣冷凝熱阻遠(yuǎn)小于管外熱阻， 可將管內(nèi)冷凝換熱系數(shù)通過經(jīng)典的計(jì)算關(guān)聯(lián)式計(jì)算，通過式
(5) 采用直接分離法將管外空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)從總的傳熱系數(shù)中分離， 獲取管外空氣側(cè)換熱系數(shù) h o［4］ 。 式(5 ) 中 ， 壁面熱阻 Ｒ w 可以計(jì)算， 試驗(yàn)管件是全新的測(cè)試管， 污垢熱阻 Ｒ f 近似為 0， 所以只需通過經(jīng)典計(jì)算關(guān)聯(lián)式計(jì)算出管內(nèi)換熱系數(shù) h i，即可求得管外換熱系數(shù) h o。
1 ． 3 ． 4 管壁面溫度
可以通過迭代法計(jì)算管壁面溫度 tw:(1 ) 先假設(shè)一個(gè)內(nèi)壁溫度 twi， 根據(jù)式( 7 ) 求得管內(nèi)冷凝換熱系數(shù) h i;
(2) 再根據(jù)式(6) 重新計(jì)算內(nèi)壁溫度 twi:hiA i( ts － twi) = Q (6)
式中 : ts—管內(nèi)冷凝溫度， ℃ ;
1 ． 3 ． 5 管內(nèi)冷凝換熱系數(shù)
水平管內(nèi)冷凝換熱系數(shù)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(shù) ζ:
ζ =cf· Δtλ
(8)式中 : h—平均管內(nèi)換熱系數(shù)， W /( m2 · K) ; A1 —決定于冷凝液熱容量參數(shù) ζ 的修正系數(shù)， A1 的計(jì)算可參照文獻(xiàn)［5］ 的相關(guān)公式及圖表; ri—管內(nèi)半徑， m;kf—界膜的導(dǎo)熱系數(shù)， W /( m · K) ; ρv—蒸 汽 的 密度， kg /m3 ; λ—蒸 發(fā) 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(nèi) 壁 的溫度， ℃ 。
1 ． 3 ． 6 管外空氣換熱關(guān)聯(lián)式
空氣橫掠圓管的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可以用準(zhǔn)則關(guān)系式來(lái)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(dǎo)熱系數(shù)， W /( m· K) ; V—空氣的迎面流速， m /s; ν —運(yùn)動(dòng)粘度， m2 /s。
1 ． 4 試驗(yàn)誤差分析
系統(tǒng)的傳熱系數(shù)測(cè)試誤差設(shè)計(jì)值為 ± 5% 。 根據(jù)誤差傳遞理論， 計(jì)算傳熱系數(shù)、 管外空氣側(cè)的對(duì)流換熱的誤差。試驗(yàn)中選用了一些精度較高的測(cè)試元件 。 溫度測(cè)量用 PT100 一級(jí)熱電阻， 精度為 ± 0． 15 ℃ ; 壓力測(cè)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(jì)測(cè)皮托管壓差得到， 小讀數(shù)分辨率為 3 Pa 。 對(duì)每個(gè)工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行熱平衡的校驗(yàn)， 均滿足熱平衡要求 ( | η | ＜5% ) 。 由誤差傳遞理論的基本式推導(dǎo)出 : 傳熱系數(shù)的相對(duì)誤差等于計(jì)算式中各參變量誤差的平方和的平方根 。 溫度測(cè)量元件的測(cè)量誤差是 0． 5% ， 根據(jù)式 ( 4 ) 推 算 出 對(duì) 數(shù) 平 均 溫 差 Δt 的 相 對(duì) 誤 差 為0． 99% ; 根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果得到傳熱系數(shù) K 的相對(duì)誤差為 2． 7% 。 偶然誤差則由熱平衡誤差來(lái)控制，用來(lái)總的傳熱系數(shù)測(cè)試誤差在 ± 5% 以內(nèi) 。 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論
以管外總表面積 A 'o 作為傳熱面積， 試驗(yàn)的傳熱系數(shù) K 隨管外空氣速度 V 的變化曲線如圖 4 所示，以試驗(yàn)的傳熱數(shù)分離出的管外換熱系數(shù) 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(shù) 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(shù) ho 與高頻焊接翅片管的管外換熱系數(shù) ho 相差很小， 高頻焊略高 。以上數(shù)據(jù)表明高頻焊的傳熱效果稍好， 但是由于兩個(gè)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(yīng)將兩者翅片尺寸統(tǒng)一后進(jìn)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(shù) ho 。
根據(jù)文獻(xiàn)［7］ 提出的式(13 ) 可知， 管外換熱系數(shù)與翅片的高度 、 厚度和間距有關(guān) 。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(dǎo)熱率， W /( m· K) 。將式(13 ) 中的后兩項(xiàng)分別代入高頻焊和激光焊的翅片尺寸進(jìn)行計(jì) 算比較， 高頻焊是激光焊的1 ． 14倍， 高頻焊占優(yōu)， 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(shù)將下降。
將高頻焊的管外換熱系數(shù)除以 1 ． 14 進(jìn)行折算后， 高頻焊接翅片管的管外換熱系數(shù) 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(shù)高于高頻焊接翅片管。當(dāng)空氣迎面流速為 3 m /s 時(shí)， 激光焊接翅片管的管外空氣換熱系數(shù)比折算后的高頻焊接翅片管的管外換熱系數(shù)約高 9% 。為便于兩種翅片管的設(shè)計(jì)計(jì)算， 將圖 5 中的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行擬合， 獲得管外空氣側(cè)換熱準(zhǔn)則關(guān)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(shí)上， 對(duì)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(shí)際應(yīng)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(diǎn)翅片間距以增加一些傳熱面積， 即可達(dá)到或超過高頻焊管的換熱性能 。
3 結(jié) 論
(1 ) 激光焊接翅片管的傳熱性能優(yōu)于高頻焊接翅片管 。 當(dāng)空氣迎面流速為 3 m /s 時(shí)， 激光焊接翅片管的管外空氣換熱系數(shù)比同翅片尺寸的高頻焊接翅片管的管外換熱系數(shù)約高 9% 。 通過擬合方法獲得兩個(gè)試件的管外空氣側(cè)換熱關(guān)聯(lián)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 。
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