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高效空调换热器内螺纹铜管的研究及应用

点击:1202 日期:[ 2014-04-26 21:54:01 ]
                         高效空调换热器内螺纹铜管的研究及应用                                       汪厚泰                           (江苏春兰空调设备有限公司)     摘 要:分析内螺纹铜管在齿形参数选择以及制造与使用过程中对传热性能的影响因素,介绍高效空调换热器内螺纹铜管各齿形参数优化设计及研究试验过程。认为对内螺纹铜管进行深入研究,不但可以提高空调产品的性能、减少能源消耗,而且可以降低企业的生产成本。     关键词 高效;内螺纹铜管;空调;换热器     我国是制冷空调设备的第一大生产国和第二大消费市场,制冷空调设备的社会保有量和新增销售量巨大,尽管制冷空调产品的广泛应用可以促进制冷空调产业的发展,但同时加剧了我国电力供应的矛盾。目前,我国仅房间空调器年耗电量就超过了1 000亿千瓦时,占到大中城市夏季用电高峰负荷的30%以上[1]。面对我国制冷空调产业蓬勃发展和供电紧张之间的矛盾,为推动制冷空调产业的健康发展,我国于2004年颁布了《房间空气调节器能效限定值及能源效率等级》与《单元式空气调节机能效限定值及能源效率等级》标准。为进一步提高空调的能效,缓解电力供需矛盾,实现国家“十一五”节能减排总体目标,国家发改委在2010年3月初又宣布,我国空调器新能效等级已于6月1日实施,原空调器的能效等级分为5等,而新空调器能效标准则分为3等,其中:1级表示能效最高;2级表示节能评价值,即评价空调产品是否节能的最低要求;3级表示能效限定值,即标准实施以后产品应达到的市场准入门槛。标准提高了房间空调器产品的能效准入门槛,与2004版标准相比,能效限定值提高了23%左右。据初步估算,该标准实施全国可年节电33亿千瓦时[1]。     目前一般空调企业,设计生产高能效的空调在技术上没有太大的障碍,但设计生产的高能效空调在制造成本上往往比低能效空调要高很多。制造成本的提高,往往最终还是要转嫁给消费者,而且是一次性的,例如:目前市场上1台1.5匹2级能效(旧标准)的空调比1台5级能效(旧标准)的空调,其售价平均要高出500多元。随着空调器新能效等级实施的临近,原低能效的空调也不可能再生产和销售,如何使所生产的空调既达到国家规定的能效等级要求,又使所增加的成本达到广大消费者能够接受的程度,即研制具有市场竞争能力的高能效、低成本及高性价比的空调,已成为摆在空调企业面前的一项重要课题。     为达到提高空调的能效比、实现空调节能的目的,最直接的技术途径就是提高空调换热器(蒸发器和冷凝器)的传热性能。而控制空调产品的成本,最有效的技术措施就是研究并运用传热强化技术,提高换热器单位面积的传热量,控制其体积和质量,节省材料,提高换热系数。因为,压缩机的性能通过30多年的发展,性能系数已由原来的2.3提高到3.5,潜力已十分有限,而换热器的强化传热改进应该说还有很大的空间。     空调换热器的传热强化主要表现在:①制冷剂在管内进行冷凝、蒸发过程的传热强化;②翅片与空气进行热交换的传热强化等方面。其中翅片与空气进行热交换的传热强化技术研究方面目前相对成熟,这里不予讨论。笔者所要讨论的是制冷剂在管内冷凝、蒸发过程的传热强化技术研究即空调换热器高效传热管的试验研究过程。     1 空调传热管的种类     1.1 按材料成分     目前空调传热管按材料成分可分为铜管和铝管。铝管虽然具有价格比铜管低的优点,但由于存在焊接加工工艺性差、换热性能差、胀管时螺纹易被金属胀头破坏等诸多缺点,目前除少数空调生产厂家进行探索性研究试用外,未被广泛地使用。     而铜管由于具有较高的热传导率、较强的耐腐蚀性、较好的延展性和加工性等诸多优点,被制冷空调行业广泛应用。     铜管又可细分为韧铜管、无氧铜管、脱氧铜管(主要是磷脱氧铜管)。     由于铜管中的磷脱氧铜管具有强度高、焊接性优、抗软化性好、不会发生氢脆等优点,因而磷脱氧铜管的应用最为广泛。     1.2 按外形     空调传热管按外形可分为圆管、椭圆管。椭圆管换热器具有如下优点:     1)椭圆管换热器比圆管换热器须要较小的换热面积和较小的风机能耗;     2)在相同的迎面风速下,椭圆翅片管比圆翅片管的空气侧换热系数大很多;     3)换热系数相同时,椭圆翅片管的压降小于圆管换热器的。     尽管目前椭圆管换热器具有以上优点,但由于受到工艺水平限制等因素的影响,目前空调传热管普遍采用圆管,椭圆管仍停留在实验室研究阶段[2]。     1.3 按结构形状     空调传热管按结构形状可分为平滑管与非平滑管,其中平滑管一般称为光管;非平滑管一般为内表面带有形似螺纹的结构,通常称为内螺纹管或内肋管。     在20世纪70年代,由于当时内螺纹加工方法较复杂,我国尚不能自行加工,一般空调生产企业都采用光管制作空调换热器,80年代以后,随着企业技改力度的不断加大和国外先进技术及设备的引进,开始应用内螺纹管制作空调换热器。     由于内螺纹管表面具有沟槽,它与同规格的光管相比增加了热交换面积,提高了制冷剂侧的热传导率,使得气液界面的扰动大大增加,管底部与管顶部的制冷剂液体得到了有效的搅拌,同时由于表面张力使液膜变薄等原因,使得传热系数增大,改善了热交换条件,有效地提高了热交换效率。因此,尽管内螺纹管的制造工艺较为复杂,价格与光管相比较高,但已被越来越多的空调生产企业广泛应用,而光管由于热交换效率比内螺纹管管差得多,即性价比差,目前已很少应用。     1.4 按加工方法     空调传热管按加工方法可分为无缝管和有缝管。有缝管也就是通常所说的焊接管,它具有如下优点:①清洁度高;②没有漏点;③尺寸和组织结构均匀,齿形清晰;④可加工复杂的齿形,换热效率高。尽管有缝管具有如上诸多优点,但由于其对原材料即铜带的要求较高,制作有缝管所用的设备与模具价格较高,即生产成本较高,以及一些空调企业存在对焊缝是否会泄漏的顾虑(注:其实焊接良好的有缝管不仅不会泄漏,而且能够避免无缝管每盘2个左右的漏点),因而自2001年开始在国内应用以来,一直没有被大多数制冷空调企业所接受,国内空调企业应用得较多的仍然是普通的无缝拉制管。相信在不久的将来,随着对焊缝泄漏顾虑的消除,以及铜带成本的降低,有缝管将会被越来越多的空调企业所接受。     1.5 按供货状态     传热管按供货状态可分为直管和盘管。通常具有一定规模及条件的空调企业一般都选用盘管制作换热器的U形传热管,这不仅因为盘管的采购成本比直管低,而且使用盘管制作换热器生产效率很高。     由于直管采购成本高于盘管,且用直管制作换热器生产效率很低,仅为无全自动弯管机或弯管机行程规格达不到换热器要求的小型空调企业在进行小批量生产时选用。     当然,一些换热器中传热管不是全部设计成U形管,其中也有可能会设计有极少量的直管,这时也必须使用直管。     综上所述,目前空调行业应用得最多的换热器传热管为圆形无缝内螺纹铜盘管,以下均简称为内螺纹管。     2 内螺纹管管径的选择     换热器的传热效率及空调性价比的高低与内螺纹管管径、齿形几何参数的正确选择有着极大的关系。早期空调换热器中使用得较普遍的铜管直径为9.52mm左右,进入1990年以后一些空调器生产企业已经将换热器的传热管管径细化成7.0mm,其中蒸发器管径细化的现象最为普遍。这种细管径的换热器,由于管与管之间距离缩小,使得肋片效率提高、传热有效面积增加、空气流过时的流动阻力减小,强化传热。1995年以后,一些家用空调器生产企业又将传热管的管径进一步细化成6 mm,甚至5 mm,传热效率又进一步提高,尤其是在应用于替代制冷剂R410A的室内机时,由于R410A制冷剂系统的压力比R22的高1.6倍左右,使用细径管有利于提高安全可靠性。     目前国内的内螺纹管管径主要有12.7 mm,9.52 mm,9 mm,7.94 mm,7 mm,6.35 mm和5 mm等几种规格,其中9.52 mm与7 mm应用最为普遍。尽管内螺纹管管径向细径化方向发展,但空调换热器管径并不是越小越好。根据试验研究结果显示:制冷量在7 100 W以下的空调器,采用管径为7 mm的内螺纹管制作换热器(尤其是蒸发器),其产品的能效比、性价比较高;制冷量在2 500 W(1匹)左右的家用空调器,采用管径为5 mm的内螺纹管制作换热器(尤其是蒸发器),其产品的能效比、性价比较高;制冷量在14 000 W以上的空调器,因采用细径的7 mm内螺纹管会引起沿程阻力过大,压缩机输入功率增加,传热效率相对较低等问题,故采用直径为9.52 mm的传热管较妥。     3·齿形参数分析研究     1980年初,我国最早应用内螺纹管时的齿型为锯齿形(或称山齿形、三角形);1984年开始应用传热效率较高的梯形槽内螺纹管;1994年出现了深槽即底壁厚较薄的梯形槽内螺纹管;至1997年开发了人字齿槽(也叫W形槽)的内螺纹管;2002年又开发出在螺旋齿顶部有二次槽的交叉形内螺纹管,即细微二次槽内螺纹管,可简称为交叉齿内螺纹管(如图1所示)[3]。                       目前国内空调生产企业用的内螺纹铜管根据齿形形状可分为普通齿与非普通齿。其中普通齿主要指单旋梯形槽内螺纹管,锯齿形(或称山齿形、三角形)的内螺纹管也属普通齿范畴,但因其传热效率不及梯形槽内螺纹管,已被逐渐淘汰,很少有企业应用。非普通齿主要指人字齿槽、交叉齿槽的内螺纹管。     通常情况下,人字齿槽、交叉齿槽内螺纹管的传热效率大于普通的单旋梯形槽内螺纹管,尤其是当制冷剂为混合工质时,采用人字齿槽、交叉齿槽的内螺纹管优势最为明显。其中,人字齿槽内螺纹管最适合R407C制冷剂,交叉齿槽的内螺纹管最适合R410A制冷剂。这是因为:R407C是由3种非共沸制冷剂混合而成,在普通单旋槽内螺纹管(特别是光管)内流动时容易分层,而在人字齿槽(W形槽)内流动时,呈两方向紊流,使3种混合工质得到充分混合,气液转换同时进行,有效避免因分层所带来的传热效率降低。R407C虽然在交叉齿槽的内螺纹管内也能够得到充分混合,但由于交叉齿槽内螺纹管压降损失较大,故R407C制冷剂产品应用人字齿槽内螺纹管较好。R410A制冷剂产品由于系统压力较高,在高流速下可以克服交叉齿槽内螺纹管压降损失增加所带来的负面影响,而发挥交叉齿槽内螺纹管内表面积比人字齿槽内螺纹管大的优势,故R410A制冷剂产品应用交叉齿槽内螺纹管较好。     尽管人字齿槽与交叉齿槽比普通的单旋梯形槽内螺纹管具有上述优势,但因人字齿槽与交叉齿槽内螺纹管对材料要求高,生产成本较高,目前其应用没有普通单旋梯形槽内螺纹管普及。     对每一个不同齿型的内螺纹管来说,又有其不同的齿形参数为之构成,而且组合方式较多,所设计的齿形及几何参数不同对内螺纹管的传热性能影响较大。因此,不断研究应用最佳齿形及几何参数的内螺纹管,对提高空调的能效比、性价比等有着极其重要的意义。     笔者经过研究认为,内螺纹管齿形及几何参数的组合与优化设计应当综合考虑几何尺寸、换热效率和加工工艺性3方面的因素,这样才能使内螺纹管的传热性能得到充分提高。     内螺纹管齿形参数除直径(即外径)D,内径d和齿形外,还有底壁厚TW(mm),齿高Hf(mm),齿数(即螺纹数)n,螺旋角β,齿顶角α和槽底宽W等(如图2所示),现分别分析研究如下。                      1)底壁厚     近20年来,内螺纹管的底壁厚呈不断减薄趋势,目前内螺纹管底壁厚一般在0.25~0.3 mm范围内,底壁厚越薄传热效果越好,但底壁厚过薄会削弱管材的强度以及齿的稳定性,不仅不利于后道工序的U形弯管质量与焊接质量,而且同样也会因齿的稳定性差,影响传热效果。     2)齿高     齿高是影响传热的重要因素,增加齿高会使内表面换热面积和刺破液膜能力增加,内螺纹管传热效果增强,但齿高的增大受加工技术的限制。目前内螺纹管齿高一般在0.1~0.25 mm范围内。     3)螺旋角     螺旋角的存在是为了使流体旋转,使管道中流体产生与径向不同的二次流,增加湍流的强度,从而使对流换热得到加强,换热系数随之增加,所以螺旋角增大能增强换热系数,但随着螺旋角的增大,压力损失也随之增加,故螺旋角也不是越大越好,而是有一个合理的范围。目前内螺纹管的螺旋角通常处于10°~25°范围内。根据试验结果显示:在此范围内,蒸发管的螺旋角小一些较好,冷凝管的螺旋角大一些较好。另外,螺旋角与外径之间存在相互制约的关系,当直径较小时,制冷剂的流动阻力较大,则螺纹角应取小值;当直径较大时,制冷剂的流动阻力较小,则螺纹角应取大值。     4)齿顶角     齿顶角小,有利于增加内表面换热面积,减薄冷凝传热的液膜厚度,增加蒸发传热的汽化核心,但齿顶角过小,则内螺纹管齿的抗胀管强度过小,齿高在胀管后被压低的程度及齿型的变形量增加会引起传热效率减低,因此在保证齿的抗胀管强度的前提下,内螺纹管的齿顶角尽可能小些,目前一般在40°~60°之间。     5)齿数     增加齿数即螺纹条数能够增加汽化核心的数目,有利于沸腾换热举措,增加内表面换热面积。但是齿数增加过多,会使齿间距过小,反而减弱了管内流体的被搅拌强度,且加大了齿间液膜厚度,增大了热阻,而降低了换热能力,使得螺纹管的换热效率趋近于光管,故齿数应控制在一定的范围内为宜。目前内螺纹管的齿数一般在50~70条之间,其中:当内螺纹管用于制作蒸发器时,齿数一般在50~60条之间;当内螺纹管用于制作冷凝器时,齿数一般在60~70条之间。此外,当管径较小时,取小值;当管径较大时,取大值。     6)槽底宽     槽底宽尺寸大有利于传热,但槽底宽尺寸过大,胀管后齿高被压低的程度及齿型的变形量增加,传热效率将降低,因此在保证抗胀管强度的前提下,槽底宽大些好。     7)润周长     增加润周长可以增加汽化核心数,使蒸发传热效率显著提高。因此,对于蒸发器用管,管内横截面润周长越大越好。润周长的增加,可以通过增加齿高和减少齿顶角来实现。     8)蓄液面积     对于冷凝管,增加蓄液面积可显著增加冷凝传热效果,目前蓄液面积不断向增大方向发展,蓄液面积增加可通过增加齿高来实现。     以上内螺纹管齿形参数中:直径、齿形、底壁厚、齿高、齿数、螺旋角、齿顶角是内螺纹管的主要齿形参数。主要齿形参数确定了,则槽底宽、润周长、蓄液面积等参数也就确定了。     4 研究试验过程为研制出高能效比、低成本的空调产品,笔者在分析不同齿形参数内螺纹管对空调换热器传热性能具有不同影响的基础上,对原所用螺纹管的一些齿形参数进行优化调整试验,期待能够设计出最佳齿形参数的内螺纹管,以提高换热器的传热性能,降低内螺纹管单位长度质量及产品的生产成本,提升产品的市场竞争能力。     为此,笔者在原有所用外径为9 mm的内螺纹管A的基础上,分阶段设计、制作了外径相同(9mm),管内齿形参数不同的5种(B,C,D,E,F)内螺纹管及换热器,分别替代RF28 W空调机产品上原有用A型内螺纹管制作的换热器。在相同的试验工况下,逐一进行整机性能测试,各内螺纹管齿形参数及试验结果见表1。     现对其各试验结果分析如下。     1)根据分析,原来的A型管齿数70条偏多,改为60条后,空调机的能效比由原来的2.77提高到了2.91,上升了5.1%。这表明:尽管齿数多有利于增加内表面换热面积和汽化核心的数目,有利于沸腾换热,但如果过多,则会使齿间距及槽底宽度过小,反而降低了管内流体被搅拌的强度,加大了齿间液膜厚度,增大了热阻,降低了换热能力,故齿数应控制在一定的范围内为宜。     2)C型管是在B型管的基础上,将螺旋角由18°增加到24°,但结果发现能效比并没有提高,反而在B型管的基础上降低了6.9%。这是因为螺旋角大虽然有利于增强换热系数,但随着螺旋角的继续增大,会导致阻力及压力损失也随之增加,故螺旋角不是越大越好,而是应有一个合理的值,过大反而会降低换热性能。     3)D型管是在B型管的基础上,将齿顶角由56°降低到50°,结果发现:其空调机的能效比比B型管提高了3.8%。这是由于减小齿顶角有助于增加内表面换热面积,减薄冷凝传热的液膜厚度,增加蒸发传热的汽化核心及稳定性。当然齿顶角也不能过小,否则,内螺纹管齿的抗胀管强度过小,会引起螺纹齿的倒齿程度增加。     4)E型管是在D型管的基础上,将齿高由0.18 mm增加到0.22 mm,但经装机测试发现,增加齿高后,其相应的空调机能效比并没有提高,反而降低了-4.3%。这是因为增加齿高后,齿的稳定性及抗倒齿能力下降,内螺纹管经胀管工序后齿的变形严重,换热效果和能效比降低。     5)F型管是在E型管的基础上,将齿高由0.22 mm降低到0.14 mm,测试结果发现:不仅相应的空调机能效比比原来的A型管增加了10.8%(比D型管增加了1.7%),而且内螺纹管单位长度质量由原先的88 g/m下降到了81 g/m,使得该空调的内螺纹管材料成本下降了近8%。这是因为齿高适当降低后,齿的稳定性提高、倒齿程度降低,抵消了因齿高降低后刺破液膜能力下降所带来的一些影响。     6)须要说明的是,尽管从理论上讲降低底壁厚可以提高传热效果、降低内螺纹管的材料成本,但考虑到内螺纹管U形弯曲后,其弯曲部位外侧的壁厚将有所减薄,减薄量的大小受诸多因素的影响,例如:若内螺纹管抗拉强度过高及铜管过硬、延伸率过低,则减薄量将增大,其U形管弯曲部位外侧易产生裂纹;如内螺纹铜管抗拉强度偏低及铜管偏软,若底壁厚较小时,内螺纹管胀管后齿的稳定性将会大大下降,齿的倒齿程度将增加。因此,从确保空调机使用的可靠性、耐久性即产品质量角度考虑,暂没有进行底壁厚减薄试验。     通过实验,笔者认为增加换热面积并不会无限地提高换热系数,螺纹铜管内表面积在增大到一定程度后,对换热系数的提高就要通过其他参数的影响予以实现。因此,合理优化齿形参数比单独增大换热面积对换热性能的影响更具有实际意义。此外,由于蒸发、冷凝换热机制不同,多个参数对换热系数的影响和效果是相互制约的,这就须从强化换热机制出发,通过科学理论的指导与详细的试验验证对管型参数进行优化设计,从中找到蒸发、冷凝换热性能都表现优良的管型参数。由于篇幅有限,这里不再过多详细叙述。从以上试验结论可知,通过对内螺纹管齿形参数进行优化设计,不仅可大幅度地增加制冷剂的换热系数及传热管管内的传热性能,提高空调整机的性能及能效比,降低能源消耗,而且可大大减少内螺纹管单位长度的质量,降低空调产品的生产成本。     5 生产过程对传热性能的影响因素及其控制     在对内螺纹管的齿形几何参数进行优化设计之后,对内螺纹管生产过程中影响传热性能的各因素进行分析与有效控制同样是一个非常重要的环节。     5.1 内螺纹管生产工艺的选择     目前内螺纹管常用的生产加工工艺方法主要有双联拉连续退火工艺和单联拉井式炉退火工艺2种,其工艺流程如下:     1)双联拉连续退火工艺(A工艺)挤压→轧管→铣面→双联拉→盘拉→联合拉拔→在线退火→内螺纹盘拉成型→缠绕→连续步进式退火(吹扫)→冷却→包装     2)单联拉井式炉退火工艺(B工艺)挤压→轧管→铣面→单联拉→盘拉→联合拉拔→内螺纹盘拉成型→缠绕→井式炉退火(吹扫)→冷却→包装内螺纹铜管的生产加工工艺不同,其使用性能(主要是弯管与胀管工序)也有所不同。双联拉连续退火工艺(A工艺)与单联拉井式炉退火工艺(B工艺)加工的铜管在弯制U形管时质量状况统计情况(均按批次生产量统计)如表2所示。     双联拉连续退火工艺(A工艺)与单联拉井式炉退火工艺(B工艺)加工的铜管制作的热交换器在胀管时质量状况统计情况(均按批次生产量统计)如表3所示。                     由于双联拉连续退火工艺(A工艺)与单联拉井式炉退火工艺(B工艺)加工的铜管,在经热交换器胀管生产后,其齿形变形量有所不同,因而热交换器的传热效率也有所不同。     笔者所在公司用不同的生产工艺加工成型的相同齿形结构的铜管在RF28W空调机上进行了相关性能对比测试(相同的工况条件下),其测试结果如表4所示。     由表4可以看出,不同工艺生产的内螺纹管,其相应的空调性能是有较大差异的。     5.2 母管质量及退火工艺     内螺纹铜管在拉制前要对母管的质量进行严格的控制,因为母管的质量不仅影响螺纹成形质量(例如齿形和齿高),更重要的是影响内螺纹管及换热器的质量,特别是母管的壁厚偏差和表面缺陷影响最甚。母管如果壁厚不足、不均,则所加工成型的内螺纹铜管不仅会因出现齿高不足、齿形不丰满等不良现象,降低传热效率,而且会在随后生产换热器的胀管和扩口工序中,很容易使壁厚最薄的地方发生开裂或渗漏现象。此外,磕碰伤、划伤、氧化夹杂和皮下夹层这种母管表面缺陷,也是必须进行控制的。     由于退火工序用来控制内螺纹管的性能以及改善铜管表面的清洁度,因而是内螺纹管生产过程中的一个非常重要的环节,通过该工序不仅可用含氢的高纯氮气在退火时吹洗管材的内表面,使管内润滑油的热分解产物散发出来并抑制聚合成油,以减少退火后管材内壁的残留物,而且可以使铜管具有足够的强度、韧性及可塑性成形性,获得用户所需的铜管的力学性能及使用性能。     5.3 铜管的涡流探伤     铜管必须进行100%的涡流探伤,并正确选择校核探伤仪用的样品管上的人工缺陷(通孔)直径,以保证涡流探伤的灵敏度,防止超标的缺陷漏检。在进行涡流探伤时,须将伤点部位涂上标记,以使用户在使用中识别出来挑出这段“黑管”,此外在每盘铜管上应注明伤点的数目。     应该说明的是:进行涡流探伤时,应当选用检测线圈可旋转的涡流探伤仪,这种先进的探伤仪尽管价格较贵,但可以查出铜管上的纵向缺陷,而普通的涡流探伤仪由于检测线圈是固定式,对铜管上的纵向缺陷检出灵敏度很低。这些带纵向缺陷的铜管如果没有被检出,则在之后的铜管胀管过程中,会被扩裂及产生换热器内漏现象(对底壁厚较小的铜管更为严重)。     6 使用过程对传热性能的影响因素及其控制     根据实践,研究和采用正确的工艺方法来制造换热器,即空调制造企业制造换热器的各道工序正确地使用铜管,对提高与充分发挥内螺纹管的传热效率以及保证换热器的生产质量,降低材料报废率及产品的制造成本,有着极其重要的作用。     6.1 U形弯管工序     首先,要选择直径大小合适的弯管芯头,芯头的直径一般要比内螺纹管的内径小0.2~0.4 mm,其中大直径的铜管取大值,小直径的铜管取小值。如果芯头直径选取过大,则U形管的尾部外侧易开裂,选取过小则U形管的尾部内侧易起皱。     其次,要选择合适的弯管速度,例如:弯曲长度为800 mm的铜管,每次弯管的速度选择在10 s左右为宜,过快会影响弯管质量,过慢则影响生产效率。弯管机弯管芯头位置调整也比较重要,位置离U形管的尾部太近,则尾部外侧易开裂,离U形管的尾部太远,则U形管的尾部内侧易起皱。     另外,在弯管过程中要使用合适黏度、合适数量的润滑油来进行润滑。如果黏度过低或喷油量过少,则弯管后U形管的尾部外侧易造成开裂,尤其是在之后的胀管过程中,因润滑不足,倒齿程度会加大,影响传热效果;黏度过高或喷油量过大,则不仅弯管后U形管的尾部内侧易起皱,而且油脂不易被去除(即残留在换热器内),在影响传热效果的同时,也会影响焊接质量,使得泄漏量增加。     当然内螺纹管在U形弯管后一般很难(也没有必要)做到绝对没有起皱现象,起皱高度一般控制在不大于0.4 mm就行。     6.2 胀管工序     胀管的目的是为了消除传热管与传热片之间的缝隙,实现其相互之间的连接及传热。目前空调厂一般都采用机械胀管的方式进行胀管,因为机械胀接方式具有操作简单、成本低等优点,值得注意的是机械胀管时胀头对内螺纹管的齿型及参数具有破坏作用,破坏的程度取决于胀接量的大小,而胀接量的大小又取决于胀头直径的大小。     根据试验结果,胀头直径一般胀管率在1.7%~2.3%范围内选取。当胀管率大于2.3%时为过胀(即胀得过紧,胀头直径选取过大),管子胀后会产生过大的塑性变形,加工硬化现象将变得严重,极易导致管子出现裂纹等缺陷,传热片孔也可能产生较大的塑性变形而使胀后的传热片不能有效地回弹,特别会使倒齿程度加大即对内螺纹管齿形造成较大的破坏作用而影响传热效率,同时其冷凝器折弯时也容易造成折管,尤其是双排冷凝器的内排铜管折管的可能性更高。当胀管率小于1.7%时为欠胀(即没有胀紧,胀头直径选取过小),铜管胀后未产生足够的塑性变形,从而会因传热管与传热片之间的接触热阻较大,而使传热效率降低。因此,选择合适的胀头直径,对传热效率的充分发挥尤为关键。     为确保胀头直径选择的正确性,一般通过拉脱力试验和解剖检验进行验证。拉脱力试验是检验传热管与传热片之间脱离时所须之力大小的试验。根据实践:拉脱力应大于15 kN;解剖检验是将传热管与传热片线切割分解后检查胀接处应无起皮、皱纹、裂纹、切口和偏斜等缺陷,传热片管孔部分无开裂现象,传热管与传热片之间应贴合良好,传热片片距均匀,通过仪器检测其内螺纹的齿高降低量应在0.01~0.02 mm之间为妥。     另外,要选择合适的胀管速度。例如:当换热器的胀管长度在800 mm时,每次胀管的速度选择在15 s左右为宜。过快则倒齿程度会加大,影响传热效率;过慢,则影响生产效率。     6.3 脱脂工序     换热器脱脂工序及清除U形管与传热片上的挥发油时,应选择合适的工艺参数来进行。脱脂时间过短,油脂清除不净,会影响传热效率;脱脂时间过长,会加大生产成本。前道工序在选用挥发油时,最好在保证润滑性能的同时,尽可能选用高挥发性的挥发油,并尽量延长胀管与脱脂之间的间隔时间。这样有利于缩短脱脂时间,减少能源消耗,降低生产成本,提高脱脂质量。     当然,内螺纹管在使用过程中对换热器质量及传热性能的影响因素还有很多,在这里不一一叙述。总之,须根据换热器用铜管的机械性能、胀管收缩率、管内外径、底壁厚、齿高等参数来设置换热器制造过程中U形铜管的下料长度、弯管机弯管芯头位置、胀管叠片尺寸等工艺参数。如铜管参数改变,则须根据情况调整加工过程中的工艺参数,但频繁调整工艺参数势必易造成产品质量的波动和生产效率的降低。因此,铜管技术参数确定后,一定要要求内螺纹管生产厂保持铜管技术参数的稳定性或将铜管的技术参数控制在较小的范围内。     还要注意的是:同一规格的内螺纹铜管常因为各厂家提供的产品在尺寸、机械性能等方面的偏差,造成铜管胀管收缩率差异较大,进而在换热器生产过程中须针对不同厂家的产品调整工艺参数,同时严格控制整个生产过程,防止不同厂家的铜管混用。     7·内螺纹铜管性能质量指标     为确保内螺纹铜管的传热效率及空调产品的性能,内螺纹铜管制造企业应该参照目前的一些国家标准以及用户的要求,制定严格的内螺纹铜管内控质量标准,为用户提供优质高效的产品。空调制造企业应该参照目前的一些国家标准、内螺纹铜管制造企业的内控质量标准、企业内部的工艺条件以及空调产品的实际需求等,制定合理的内螺纹管采购即质量验收标准,对内螺纹铜管的表面质量、外形尺寸、齿形几何参数、化学成分、力学性能、清洁度等质量指标进行有效的控制。由于GB/T20928—2007《无缝内螺纹铜管》等标准起草时充分考虑了我国无缝内螺纹铜管制造企业的一些实际情况,因而相应的技术指标及公差要求较为宽松。空调制造企业要想充分发挥与控制内螺纹铜管的传热性能,就应当选择生产条件好、技术能力强、产品质量优的内螺纹铜管制造企业作为定点供货单位,并与之制定较为严格的供货技术协议,在此特别强调的是要注意以下几个方面的技术质量指标。     7.1 齿形几何参数尺寸公差     前面已经叙述过,任何一个齿形几何参数的改变,都会对内螺纹铜管的传热性能产生影响。因此,要对齿形几何参数尺寸公差进行严格的规定。以9×0.28+0.14-50-18/60(GB/T20928—2007)内螺纹铜管为例,其相应的GB/T20928—2007与Q/321200JCS005—2008企业内控标准公差要求对比见表5。     在制定了严格的内控标准后,就应该对内螺纹铜管的齿形几何参数进行控制,即在进行铜管进货检验时,严格按照GB/T20928—2007《无缝内螺纹铜管》中的附录A规定对内螺纹铜管的齿形几何参数进行检测,检测周期(频次):一般以内螺纹铜管制造企业同一台设备每生产10 t左右的铜管为1个检验周期(一般情况下一套模具可生产10 t以上的铜管)。如发现接近或超出所要求的公差范围,则必须要求内螺纹铜管制造企业更换模具。     7.2 室温力学性能     内螺纹铜管的室温力学性能一般有2项指标,即抗拉强度和延伸率(对换热器的生产质量及传热效率有着重要的影响)。表6中列出了国家标准与企业内控标准对常用的轻软态(M2)内螺纹铜管的抗拉强度和延伸率的要求。                     根据实践,当铜管的抗拉强度σb>255 N/mm2且延伸率δ10<43%时,铜管偏硬且韧性及可塑成型性差。U形弯管后,其U形管尾部外侧易发生开裂现象,U形管扩口后,其扩口部位也易发生开裂现象。如果实际值与标准值相差较大,则胀管时也易使铜管发生开裂及内漏现象。     当铜管的抗拉强度σb<235 N/mm2时,铜管偏软,不仅在U形弯管后,其U形管尾部内侧易发生起皱现象,更重要的是在胀管时会使齿形变形程度及倒齿现象加大,尤其是当抗拉强度实际值离标准值越低,其齿高变形降低量将越大,越会影响内螺纹铜管及换热器的传热效果。     7.3 化学成分     企业内控标准所规定的内螺纹铜管(TP2)的化学成分应与国家标准中所规定的化学成分控制范围略有不同,其不同之处见表7。        表7中企业内控标准之所以将磷取较大值,主要因为磷具有如下优点:     1)磷起类似于合金元素的作用,对提高铜管的强度较为有利;     2)一定量的磷可以提高铜管的再结晶温度,使它在被焊接时因高温加热而降低强度的倾向减少,即使铜管具有较好的抗软化性;     3)磷在焊接时可以起到自钎剂(焊药)的作用,即具有去除氧化物的作用并且能够防止焊接时吸氧,从而使焊接质量大大提高,减少了换热器的泄漏隐患。表7中企业内控标准之所以将杂质控制在较小的范围内,是为了提高铜管的使用性能、工艺性能,减少泄漏隐患等。     7.4 其他性能质量指标     铜管的其他性能质量指标还有很多,例如:晶粒度、表面质量、内壁清洁度、每米克重以及扩口试验、探伤检验、氢脆试验、密封性能试验等都应该制定严格的企业内控标准,以便控制内螺纹铜管的质量,确保空调产品性能的稳定与提高。     8 结束语     对内螺纹铜管齿形几何参数进行优化设计,并对内螺纹铜管的生产与使用过程中影响传热性能及产品质量的各因素进行有效控制,不但可以使空调产品的能效比平均上升10%左右,而且可以使内螺纹铜管的材料成本下降近8%。     可以说“提高换热器铜管单位质量的换热效率”,即提高空调产品的性价比是笔者的主要思想,其中齿形参数的优化设计又是提高换热器铜管单位质量换热效率的最为重要的环节,是换热器铜管生产企业进行生产质量控制与空调制造企业进行使用质量控制的基础。     在当前空调普及率迅速提高,空调市场趋于饱和,市场竞争加剧的形势下,相信将会有越来越多的空调整机企业与空调铜管生产企业加入到高效空调换热器内螺纹铜管研究及应用的行列中来,这样不仅使铜管制造企业的产品种类、生产装备、质量水平等得到全面提升,而且为空调产业的发展也带来了新的生机,更为重要的是随着新型高效内螺纹铜管的广泛应用及空调产品性能的进一步的提高,将会大大缓解我国能源供应紧张的矛盾,降低空调购置费用,从而有利于进一步改善和提高生活水平。 参考文献 [1] 徐风.新空调国标6月1日起实施[EB/OL].2010-3-4[2010-3-8]. [2] 宋吉,郑刚.浅谈高效房间空调器的换热器设计.家电科技,2008(9):53. [3] 周子成.房间空调器用换热器的技术进步.制冷与空调,2002,2(3):4-7.
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