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家用空调与商用空调换热器的铜材替代

点击:911 日期:[ 2014-04-26 22:06:34 ]
                                  家用空调与商用空调换热器的铜材替代                                      张正国 高学农 陆应生 汪双凤                         华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室     引言     我国是空调的制造大国,对国民经济的发展具有极其重要的推动作用。在家用及商用空调系统中,换热器作为一种热交换装置,直接影响整个系统的性能及设备本。铜材由于具有良好的导热系数和耐腐蚀性能,以及容易加工和管路连接等优点而在空调换热器中广泛应用。但我国是铜资源极其贫乏的国家,主要依赖进口,受国际铜价的影响很大。近年来,铜价呈快速增长的趋势,2006年铜价甚至超过8万元/吨,目前虽然有所回落,但未来仍会继续上涨。换热器中铜的成本占家用空调总成本的15%左右,占商用空调的30%。随着铜价的不断攀升,空调系统铜材的替代问题越来越引起人们的关注,并寻求铜材的替代技术[1]。铝和不锈钢作为热交换材料,已在工业换热器中得到应用。铝的密度及成本均是铜的30%左右,而普通304不锈钢的密度和成本分别是铜的89%和60%左右。若用铝或普通不锈钢替代铜作为空调换热器的热交换材料,则可明显地降低空调的制造成本,提高产品的市场竞争力。     一、家用空调中的铜材替代     目前家用空调的蒸发器和冷凝器都是采用铜管外套铝翅片的换热器结构,铜管与铝翅片之间通过胀接方式紧密结合以降低接触热阻,铜管内还加工有翅片以强化制冷介质的冷凝与蒸发传热。有学者提出采用全铝制换热器替代现有空调换热器的设想,但由于存在结构和制造等方面的问题而难以真正实施[2]。      随着制造技术的不断发展,全铝制翅片式平行流换热器的技术不断成熟,并有望在家用空调的蒸发器和冷凝器中应用,从而真正实现铝代铜,并降低制造成本。最近,广东东莞高宝铝材制品厂有限公司成功地开发出了全铝制整体翅片式平行流微通道换热器,如图1 所示。                                              图 1 全铝制整体翅片式平行流微通道换热器     这种换热器完全采用铝材制造,多条带微通道(孔道直径小于1毫米)的平行板作为换热元件,耐压性能好。每块板外两侧加工有整体成型的翅片,制冷介质在微通道内流动并与在翅片间流动的空气进行换热。每块板的两端分别固定在特殊设计的两块铝夹板上,并采用硅橡胶进行密封,夹板内开有槽道供制冷介质流动,两块夹板采用铆钉固定。这种换热器的换热面积能扩展20倍以上,传热面积大,翅片为整体结构,没有接触热阻。制冷介质在微通道内流动,传热性能系数高。目前已在汽车空调中进行了测试,在空调整体性能提高的基础上其成本降低了25%以上。目前,该公司正与华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室合作将该换热器在家用空调中进行性能测试。     二、商用空调中的铜材替代      商用空调的蒸发器和冷凝器基本上是采用壳管式换热器结构,为提高蒸发器和冷凝器的传热性能,对传热铜管的制冷介质侧进行表面加工,形成翅片或微孔结构以强化冷凝或蒸发传热。目前我国商用空调多数还是采用R22作为制冷介质,强化管的冷凝或蒸发传热系数比水侧的对流传热系数高得到多,冷凝器和蒸发器的传热热阻都在水侧。但在实际使用过程中,水侧很少进行强化传热处理。其原因:一是为降低成本都选用薄壁铜管,在制冷介质侧进行强化加工后,水侧很难再进行强化加工;二是由于水侧污垢的影响,使用一段时间后水侧没有强化传热效果,特别是冷凝器十分突出。到目前为止,在商用空调的蒸发器和冷凝器中,铜材的替代问题仍未见报道。     事实上,普通的不锈钢管换热器普遍应用于石化、化工等过程工业腐蚀性介质的换热过程。为探讨不锈钢管应用于商用空调的可行性,本文以30RT涡旋模块样机的冷凝器为例进行分析(忽略污垢热阻)。该冷凝器的传热铜管外径为16mm,管壁厚度为1.14mm,共75根。在标准工况下进行性能测试,结果表明,冷凝器的管外蒸汽冷凝热阻为0.9904×10-4 m2K/W,管内冷却水的热阻为2.185×10-4 m2K/W,管壁热阻为1.03×10-6 m2K/W,由于管内未进行强化,水侧热阻是控制热阻。铜的导热系数很高,所以管壁热阻很小。若以坯管外表面积为基准,这台冷凝器的总传热系数为3139W/m2K。      在前期成功开发出强化冷凝传热的铜翅片管基础上[3],最近,华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室又成功开发出304不锈钢的双面强化冷凝传热管,如图2所示。其外径为16mm,管壁厚度为1.3mm。其加工方法是先将不锈钢管加工成横纹管,管外有横纹沟槽,管内有横纹凸肋。然后,在横纹管的基础上,再在管外表面加工微翅片,以强化蒸汽的冷凝传热。      若将这种强化管应用于上述30RT空调机组的冷凝器中,并采用新型螺旋隔板作为管间支撑物,在相同外型尺寸及操作条件下,冷凝器的各热阻分别为:管外蒸汽在不锈钢强化管外螺旋流动,其冷凝热阻与铜管相当,约为1×10-4m2K/W。管内加工有横纹凸肋,在相同水流速下(达到完全湍流)可提高传热系数30%以上[4],管内热阻为1.68×10-4m2K/W;不锈钢的导热系数是铜的1/22,管壁热阻为2.6×10-5 m2K/W。不锈钢双面强化管冷凝器的总传热系数为3400W/m2K,完全达到了原来单面强化传热铜管冷凝器的性能。相关研究表明,管内横纹凸肋能激发边界层流体产生强烈的湍动,对比光滑壁面,水垢更难形成[5]。从成本来看,采用1.3mm壁厚不锈钢管比1.14mm壁厚铜管体积增加13%,但由于不锈钢的密度比铜低11%,所以重量增加3%左右。不锈钢双面强化管的加工成本比铜翅片管高3%。制造不锈钢冷凝器需将传热管与管板焊接密封,焊接材料成本增加7%。但普通不锈钢的价格比铜低40%左右。总体来看,不锈钢强化管冷凝器的成本比铜强化管冷凝器要低20%左右。                                                 图 2 不锈钢双面强化冷凝管     对于不锈钢管在蒸发器中的应用,目前的技术关键是如何在不锈钢管上加工既能强化制冷介质沸腾传热,又能强化水的对流传热的双面强化管,同时,还需采用新型管间支撑结构,进一步提高蒸发器的传热性能。     三、结论     随着铜材价格的不断升高,给空调行业带来巨大的成本压力,铜材的替代是发展趋势。对于家用空调,采用全铝制整体翅片式平行流微通道换热器作为蒸发器和冷凝器,可解决换热器铜材的替代问题。对于商用空调,采用双面强化传热的不锈钢管并结合新型管间支撑结构,开发出高效的冷凝器和蒸发器,从而解决换热器铜材的替代问题。
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