目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于換熱器的脹接研究更多集中在換熱管和管板，對(duì)管翅式換熱器的機(jī)械脹接研究相對(duì)較少，并且在相關(guān)研究中主要以脹頭尺寸和脹頭形狀為研究參數(shù)，較少涉及換熱管和翅片參數(shù)。本文我們來(lái)探討下?lián)Q熱器管翅傳熱與脹接工藝過(guò)程機(jī)理。

　　1、蒸發(fā)式冷凝技術(shù)的概念與原理

　　管翅式換熱器是管式換熱器的一種，在能源設(shè)備和制冷設(shè)備中被廣泛應(yīng)用。目前換熱管多數(shù)采用銅材料，翅片采用鋁材料，構(gòu)成如圖 1-1 所示的管翅式換熱器。

　　換熱管通過(guò)連鑄、軋制、盤(pán)拉、退火等手段加工成形，翅片則由鋁箔沖壓成形。因此，由接觸傳熱理論可知，換熱管和翅片孔之間的不完全接觸會(huì)使得接觸傳熱系數(shù)變小，不利于換熱器的傳熱，由此需要關(guān)注脹接工藝對(duì)換熱管與翅片接觸的影響，保證脹接工藝的成形質(zhì)量。

　　目前，脹接方法一般有如下幾種：

　?。?）機(jī)械脹接：脹管機(jī)推動(dòng)脹頭前行，利用脹頭直徑大于換熱管內(nèi)徑的特點(diǎn)，脹頭的輪廓使換熱管發(fā)生彈塑性變形，進(jìn)而接觸翅片孔，實(shí)現(xiàn)換熱管和翅片的緊固連接。

　?。?）液壓脹接：依靠液體高壓提供脹接力，屬于均勻脹接；

　?。?）橡膠脹接：通過(guò)橡膠等彈性體給予壓力，當(dāng)彈性體受到軸向擠壓發(fā)生彈性變形，由于變形過(guò)程體積不發(fā)生變化，其軸向長(zhǎng)度縮短，徑向變粗，使換熱管向外擴(kuò)張；

　?。?）爆炸脹接：利用炸藥爆炸釋放的巨大能量來(lái)連接換熱管和管板；

　?。?）氣壓脹接：與液壓脹接方法類(lèi)似，主要是利用氣體高壓代替液體發(fā)揮作用，如圖 1-2 所示，左右推頭對(duì)銅管口進(jìn)行密封，高壓氣體從左推頭處進(jìn)入銅管內(nèi)，再?gòu)挠彝祁^處排出，最終完成脹接；

　　2、管翅傳熱理論模型

　　空調(diào)換熱器整體傳熱過(guò)程是換熱管內(nèi)的冷卻液通過(guò)熱對(duì)流將熱量傳遞到換熱管壁，換熱管則通過(guò)熱傳導(dǎo)將熱量傳遞給與換熱管接觸的翅片，最后熱量由流動(dòng)的空氣以熱對(duì)流的方式帶走。

　　在這個(gè)過(guò)程中，換熱管和翅片間的間隙會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱管和翅片存在接觸熱阻。接觸熱阻是接觸界面溫差?T 與通過(guò)接觸界面的平均熱流 q 的比值，有研究表明接觸熱阻占換熱器總熱阻的比例超過(guò) 15%。根據(jù)接觸熱阻是接觸傳熱系數(shù)的倒數(shù)，可以將管翅接觸傳熱系數(shù)寫(xiě)成：

　　綜上可以看出，對(duì)換熱管和翅片之間傳熱起到影響作用的是材料屬性、材料傳導(dǎo)系數(shù)、接觸壓力和間隙高度。而材料屬性和材料傳導(dǎo)系數(shù)為固有參數(shù)，接觸壓力與接觸長(zhǎng)度有關(guān)，因此，若要提高換熱器的換熱效果，就需要增加管翅間接觸長(zhǎng)度和減小間隙高度以提高接觸傳熱系數(shù)，也即是需要優(yōu)化脹接工藝參數(shù)來(lái)提高脹接后換熱管和翅片的貼合度。 

　　3、脹接工藝

　　換熱管和翅片的脹接過(guò)程如圖 2-1 所示，換熱管穿插在堆疊的翅片孔中，脹頭作為提供脹接力的模具在換熱管孔內(nèi)往返.

　　具體可以分成三個(gè)過(guò)程：

　?。?）脹頭在推桿的作用下沿著軸線(xiàn)前進(jìn)，脹頭的前 R 角首先與換熱管接觸，使換熱管徑向擴(kuò)張，開(kāi)始時(shí)換熱管和翅片之間存在間隙，隨著脹頭的持續(xù)推進(jìn)，換熱管向外擴(kuò)張，翅片隨之變形；

　　（2）隨著脹頭前進(jìn)，由脹頭的直線(xiàn)段提供成形力，換熱管發(fā)生塑性變形，翅片在換熱管徑向擴(kuò)張作用下發(fā)生彈塑性變形，此階段是換熱管和翅片完成脹接的主要步驟；

　?。?）脹頭直線(xiàn)段完成換熱管和翅片的脹接后，由于在徑向長(zhǎng)度上脹頭后 R 角小于脹頭直線(xiàn)段，即使脹頭繼續(xù)前進(jìn)，脹頭后 R 角對(duì)換熱管無(wú)作用力。隨著脹頭前進(jìn)，完成換熱管長(zhǎng)度的脹接工序，由于換熱管發(fā)生塑性變形，回彈量較小，在脹頭返程過(guò)程中，脹頭后 R 角和直線(xiàn)段幾乎不與換熱管發(fā)生接觸，可認(rèn)為在脹頭前進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)脹頭直線(xiàn)段離開(kāi)已脹接區(qū)域后，脹頭對(duì)換熱管和翅片卸載，換熱管和翅片發(fā)生回彈，完成兩者間的連接。

　　4、脹接工藝過(guò)程機(jī)理分析

　　上文對(duì)換熱器脹接工藝過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)描述，并劃分成三個(gè)階段。

　　取未脹接的換熱管-翅片位置作為分析對(duì)象，如圖 2-2 中方框選取位置，對(duì)其脹接工藝過(guò)程的三個(gè)階段作力學(xué)分析，并對(duì)脹接工藝過(guò)程作以下假設(shè)：

　?。?）脹接過(guò)程在室溫中進(jìn)行，不考慮溫度的影響；

　?。?）換熱管和翅片均為理想彈塑性材料，各向同性；

　?。?）脹頭、換熱管和翅片三者中心軸線(xiàn)重合。

　　4.1  脹頭前 R 角作用階段

　　脹桿在脹管機(jī)的作用下推動(dòng)脹頭前進(jìn)，脹頭前 R 角首先觸及換熱管內(nèi)壁，換熱管在力的作用下發(fā)生彈性變形，隨著脹頭前進(jìn)，脹頭前 R 角與換熱管接觸位置逐漸后移，直至與脹頭直線(xiàn)段發(fā)生接觸。

　　在這個(gè)過(guò)程中，換熱管受力越來(lái)越大，轉(zhuǎn)至發(fā)生塑性變形，換熱管的管徑不斷增大，恰好與翅片孔發(fā)生接觸，此時(shí)翅片孔接觸位置的受力情況如圖2-3 所示。

　　在力的作用下，翅片在徑向發(fā)生擴(kuò)張，并沿軸線(xiàn)方向移動(dòng)。由于翅片和翅片之間基本上間隙很小，翅片軸向移動(dòng)距離大于間隙，翅片之間則會(huì)發(fā)生擠壓，導(dǎo)致翅片孔直壁變形，會(huì)導(dǎo)致翅片孔直壁某些位置不與換熱管外壁接觸，不利于換熱管和翅片間的貼合。為了減少翅片在軸線(xiàn)方向的變形，需要減小翅片受到的軸向力，即令sinα減小，cosα增大。

　　4.2  脹頭直線(xiàn)段作用階段

　　隨著脹頭的不斷前進(jìn)，脹頭前 R 角逐漸過(guò)渡到脹頭直線(xiàn)段與換熱管、翅片接觸，此時(shí)換熱管和翅片只受到徑向力，脹頭直線(xiàn)段給予換熱管和翅片均勻的徑向壓力，將模型簡(jiǎn)化成雙層圓筒模型，如圖 2-5 所示。

　　在徑向建立換熱管微元的受力平衡方程，有： 

　　4.3  脹頭卸載階段

　　隨著脹頭移動(dòng)，脹頭直線(xiàn)段不再與換熱管接觸，脹頭后 R 角也無(wú)法提供壓力給換熱管，相當(dāng)于脹頭對(duì)已脹接區(qū)域卸載，翅片開(kāi)始發(fā)生回彈，通過(guò)兩者間的殘余接觸壓力 Pc與換熱管緊固。 

　　基于換熱管發(fā)生最大塑性變形和翅片發(fā)生最大彈性變形的情況進(jìn)行分析。當(dāng)翅片在沒(méi)有換熱管阻礙的情況下，翅片孔在 P3 的作用下自由回彈△1，但是實(shí)際上翅片孔回彈量為△2，比自由回彈減少了△3，減少的回彈量相當(dāng)于是殘余接觸壓力 Pc作用下自由回縮的翅片往外擴(kuò)張量，方向與△2相反。

　　而由于翅片發(fā)生回彈，促使換熱管回縮，實(shí)際上翅片孔回彈量與換熱管回縮量相等。從幾何關(guān)系上有：