制冷装置铜制翅片换热管外压设计的试验研究

制冷装置铜制翅片换热管外压设计的试验研究

宣城市特种设备监督检验中心宣城242000Summary：本文介绍了铜制翅片换热管的试验装置，通过此装置进行了最大许用工作外压的验证试验。试验结果显示铜翅片管较常规光铜管大幅提高了工作外压上限，可在实际使用中广泛推广应用。在满足安全运行和性能使用要求下，采用薄壁翅片管可有效降低换热器设备铜材料消耗量，降低设备初期的投资费用，并且提高换热管的传热效率，更符合当下节能降耗的主题思想。Keys：试验装置；铜翅片换热管；液压试验。近一段时间，国内外铜价持续上涨，导致铜制原材料价格直线飙升，铜制换热管做为空调制冷装置中的重要原材料部件，原料价格上涨直接增加了生产成本。各企业一直致力于空调换热管的研究分析，在达到相同性能下降低制作成本[1]。小直径空调换热管具有材料成本低，换热效率高等优点[2]。铜制换热管对换热性能起到关键作用，为减少铜耗，兼顾使用和经济效益，拟使用薄壁铜翅片换热管。按照NB/T47012-2020《制冷装置用压力容器》的要求，换热管的厚度可按GB/T151相关规定进行计算。其中，铜及铜合金制整体管热管可采用试验方法进行外压设计。1．试验背景由于压力容器设计软件中没有设置铜及铜合金制整体翅片管的材料参数，导致在进行换热管外压计算时，软件按常规光壁铜管力学性能参数代入计算，所得结果不符合经加工强化翅片管的力学性能。而在GB150.1的附录C中提供了《以验证性爆破试验确定容器设计压力》[3]的设计方法，在C.1.3中，提出应满足要求中：a)相同的设计结构和形状；c)相同的名义厚度和结构尺寸。此两条要求明确试验对象必须与实际生产的设备，要保持一致的设计结构和外形尺寸，而制冷换热器的外形尺寸大多不相同，若采取GB150.1附录C提供的方法，那么实际应用中就不具有普遍性和实用性，每一台换热器都要单独进行验证性爆破试验来确定换热管可以承受的设计外压，这样导致企业成本要大大增加。而现在大多数制冷换热器厂家在用SW6-2011实际计算中，往往采用通过增加壁厚来满足外压强度计算问题。目前制冷行业较常用的高效冷凝铜换热管规格为15.88mm×1.1mm与15.88mm×1.0mm，但15.88mm×1.0mm规格的铜换热管在使用SW6进行强度计算时，无法满足常用制冷剂R22以及R404a等氟利昂为2.1-3.0MPa的设计使用工况。而在使用当下流行的R410a环保冷媒时，设计压力更是一度达到3.5-4.0MPa。NB/T47012-2020《制冷装置用压力容器》标准中规定：当换热管同时受内压和外压作用时，其管子壁厚应按内压、外压分别计算，取其中较大者[4]。其中，铜及铜合金制整体翅片换热管也可以按附录A的规定进行外压设计[3]。针对制冷行业铜及铜合金整体翅片管的外压设计，提出了新的试验方法，可操作性好，应用性较高。2．试验装置准备试验装置需经过强度计算和专业设计，并根据SW6-2011v5.0出具强度计算书，其主体结构形式为一台试验用类似换热器结构：筒体采用φ159mm×10mm无缝钢管（Q345D），管板用Q245R钢板加工。管板上均布3个管孔，换热管规格φ15.88mm×1.0mm×840mm，换热管为铜制整体翅片换热管，材质为TP2，状态为中间硬态（Y2），光管段为软态（M），翅片数至少为每25mm长度有10个翅片。因对铜制整体式翅片管的外压试验较少，也无理论数据支持，暂把试验装置的壳程侧试验压力定为最高20MPa，试验介质为水。按NB/T47012-2020《制冷装置用压力容器》要求准备三根无翅片管段试样，见图1。图1：三根无翅片管段试样测试试样与试验用铜制整体翅片换热管的规格一致为φ15.88×1.0mm，长度为300mm，送至第三方检测机构进行屈服强度测试，测试输出结果见表1。表1：第三方测试输出结果测试项目测试方法测试设备测试结果MPa屈服强度Rp0.2aGB/T228.1-2010电子万能试验机164均均值：163163163RP0.2a取测试所得三个数据的平均值，结果为163MPa。管板按照设计要求加工，左右管板的管孔按照GB/T151《热交换器》[4]要求在管孔内开胀管槽。筒体两端预留两个接管，一个管口接压力表，另一个接口与液压泵连接进行加压，具体试验装置见图2。图2试验装置为保证换热管和管板的达到试验强度，换热管与管板的连接方式采用先胀后焊的方式，以保证良好的密封性能及抗拉强度，先胀后焊,采用GB/T151《热交换器》中6.6.3.2图6-20.a)的胀焊并用结构[5]，胀焊并用结构见图3。图3胀焊并用结构此结构可以降低焊接后对胀接部位的破坏影响，并且增加焊接部位的独立密封性。试验采用液压方式，连续分段施加直至铜制整体翅片管失效（可见的垮塌）。3.试验方案及结果试验采用连续分段液压方式，每阶段稳压5分钟，稳压时利用内窥镜观察换热管无压瘪，壳体与管板无变形、无异响、无泄漏，同时观察换热管和壳体、管板的受力情况，持续升压直至找到最小失稳压力，一旦发生压瘪垮塌现象立即停止试验并记录压力数值，试验用液压方案见图4。图4试验用液压方案压力试验具有一定的危险性，在做好安全防护的前提下，方可按预定方案实施液压试验。当压力经过连续分段升至16MPa时，试验装置内部突然出现类似鞭炮声的连续异响，并且在管端部位有肉眼可见压瘪垮塌变形产生，管端部位已经无法用内窥镜进入观察内部，铜管压瘪垮塌现象见图5。图5铜管压瘪垮塌现象待压力降至零值后利用内窥镜通过注水口进入壳体内部观察装置内铜管压瘪垮塌情况，发现铜管中段部位未产生形变，仅铜管两端压瘪变形，这是由于整体翅片管的光管段本身就是硬度较低的软态（M），又因为铜管和管板在焊接过程中产生了退火效应使得铜管两端抗拉强度再度降低，导致铜管两端在达到16MPa的试验压力时优先发生失稳垮塌变形。根据NB/T47012《制冷装置用压力容器》附录公式计算最大许用应力，按如下公式计算：式中：B为最小失稳压力；MPaF为由于设计温度而引起强度变化的调整系数；(根据NB/T47012-2020中5.6.1.2中表6铜及铜合金管材许用应力的规定，牌号TP2，执行标准GB/T17791，状态为O60的换热管，20℃和100℃下的许用应力均为71MPa，则材料的设计温度下的许用应力与试验温度下的许用应力相等，所以F值可取1)；Rpo.2a为由三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，MPaRp0.2为室温下规定的管子最低屈服强度，MPa；(根据NB/T47012-2020中5.6.1.2中表6铜及铜合金管材许用应力的规定，牌号TP2，执行标准GB/T17791，状态为O60的换热管，室温力学性能下限保证值为120MPa)；将上述各值代入上述公式，得到此规格铜合金制整体翅片换热管的最大许用应力值p为3.9MPa。4.试验结果及分析经试验得出铜翅片管的屈服强度为163MPa，而NB/T47012-2020制冷装置用压力容器中，规定同规格的光壁铜管的屈服强度为120MPa[3]，实际应用中的铜合金管的力学性能远高于标准要求值。要达到与上述试验计算结果3.9MPa相同的设计工况，用SW6进行强度计算则规格要达到φ15.88mm×1.4mm，此规格光管每米0.567kg，此重量比φ15.88mm×1.0mm的翅片管每米0.365kg的重量增加55.3%。φ15.88mm×1.1mm翅片管的每米重量为0.41kg，比φ15.88mm×1.0mm的每米重量0.365kg增加12%，按照一般企业整体翅片换热管的使用量，理论可节约铜管的质量为4吨，按照目前市场8万/吨的铜价估算可节约近32万元的成本。采用1.0mm壁厚的铜翅片换热管，与传统的1.4mm光壁厚铜管相比，在降低耗材节约成本方面具有明显的优势，使产品的市场竞争能力得到大幅度提高。经过理论分析和试验验证，1.0mm薄壁翅片换热管在满足需求下可降低设备初期投资成本，但结果仍需要试制成品多方验证。（5）从传热角度分析，换热管壁厚也是影响传热系数的重要因素之一，在达到相同的设计压力下，管壁厚从1.4mm降低到1.0mm，能够有效的提高总传热系数，降低换热管的热阻值；降低壁厚后，管内径变大，内截面积变大，在相同的传热量和水流量的情况下，可以有效降低管内水流动阻力，有利于降低管内介质的压降，从而降低水泵的运行功率[6]。降低热阻和降低压降，对提高整体系统的运行能效比（COP值）是有显著效果的，更符合当下节能降耗的主流思想。Reference：李文萱.空调换热器5mm铜管的实验研究分析[J].