鋁圓管熱交換器的研究及未來

摘 要：鋁圓管換熱器具有重量輕、安裝輕便、回收方便等特點(diǎn)。其在空調(diào)上的使用，符合國家建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的要求，有利于資源的合理利用。本文

對(duì)鋁圓管換熱器的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用前景作了簡要敘述。

關(guān)鍵詞：鋁圓管換熱器 技術(shù) 展望

中圖分類號(hào)：TB657 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）08（a）-0002-01

1 研究背景

空調(diào)是家電產(chǎn)品中用銅量最大的產(chǎn)品，近幾年銅價(jià)上漲迅猛，企業(yè)承受了越來越大的成本壓力，越來越多的廠家在不斷尋求空調(diào)換熱器替代材料。

我國銅資源匱乏，鋁資源相對(duì)豐富，用鋁圓管換熱器代替空調(diào)上銅管換熱器，大幅減少銅資源的消耗量，對(duì)我國這樣銅資源較為匱乏的國家來說相當(dāng)有利，符合國家建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的要求，有利于資源的合理利用。

鋁圓管換熱器和傳統(tǒng)的銅圓管換熱器相比沒有太大變化，工藝設(shè)備稍加改造即可，工藝流程不變，空調(diào)結(jié)構(gòu)改變較小，轉(zhuǎn)換代價(jià)小。且其重量較輕，有利于整機(jī)輕型化，安裝也輕便。整個(gè)換熱器都是鋁材，回收方便。因此鋁圓管換熱器在空調(diào)中具有巨大的應(yīng)用潛力。使用鋁圓管換熱器，材料成本大幅下降，和現(xiàn)在使用的銅管換熱器相比下降幅度在30%以上，對(duì)企業(yè)而言大大節(jié)約成本，有利于提高產(chǎn)品競爭力。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 換熱效率研究

導(dǎo)熱性能最好的幾大金屬是銀、銅、金、鋁。金太貴重，導(dǎo)熱也不如銅，因此排除在使用范圍之外。銀也很貴重，僅在特殊領(lǐng)域使用，只有銅得到大量應(yīng)用。但是隨著銅的消耗越來越大，其資源緊缺性越來越明顯，而導(dǎo)熱稍差的鋁卻是資源非常豐富，價(jià)格也非常低廉。

鋁的導(dǎo)熱系數(shù)不到銅的一半，大家普遍認(rèn)為鋁管換熱性能肯定比銅管差很遠(yuǎn)。其換熱性能到底如何，并該如何改進(jìn)，這關(guān)系到鋁管應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性、可行性。

根據(jù)傳熱學(xué)原理，傳熱系數(shù)計(jì)算公式為。傳熱系數(shù)的大小與傳熱過程中各環(huán)節(jié)的熱阻有關(guān)，且在數(shù)值上就等于總熱阻的倒數(shù)。

熱阻是由三個(gè)方面組成，相應(yīng)地，要提高單位面積的換熱效率，即從這三個(gè)方面改進(jìn)，即強(qiáng)化管內(nèi)換熱、強(qiáng)化管子本身導(dǎo)熱、強(qiáng)化管外換熱來進(jìn)行。

我們首先分析管子本身導(dǎo)熱。

管子本身導(dǎo)熱與其材料、厚度有關(guān)，熱阻計(jì)算公式為，材料導(dǎo)熱系數(shù)越大、厚度越小，則熱阻越小，導(dǎo)熱能力越強(qiáng)。從材料而言，鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為190 W/（m·K），銅的394 W/（m·K），鋁的導(dǎo)熱系數(shù)不及銅的一半。

厚度是越小傳熱效率越高，但是制冷系統(tǒng)有著耐壓的要求，需要同時(shí)考慮耐壓與換熱要求。根據(jù)研究表明，一般達(dá)到相同耐壓，鋁管壁厚需要為相同外徑規(guī)格銅管的兩倍。

所以單純從管子本身而言，在同等耐壓強(qiáng)度要求下，相同環(huán)境下，鋁管的導(dǎo)熱只有銅管的四分之一，相差75%，差異確實(shí)很大。不過實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)，鋁管換熱比相同規(guī)格銅管最大相差10%，顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論的75%，這說明導(dǎo)熱所產(chǎn)生的整體換熱效率的下降影響很小。導(dǎo)熱在整個(gè)換熱所占的比重非常小。

其次，管外換熱，如果采取和銅管一樣的翅片，那么管外換熱應(yīng)該是一樣的。

由此可以看出主要改進(jìn)方向就在于鋁管內(nèi)側(cè)的換熱。目前我們經(jīng)過管型的改進(jìn)，換熱效率已經(jīng)可以達(dá)到銅管效率的99%。

另外一個(gè)重要問題是鋁圓管換熱器長期使用后的換熱效率衰減的問題。

我們進(jìn)行了大量長期跟蹤試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，在長期使用后，無論鋁管換熱器還是銅管換熱器，換熱性能都會(huì)衰減，但是鋁管的衰減程度低于銅管空調(diào)，所以長遠(yuǎn)來說，鋁管的長期換熱效果要好于銅管，鋁管空調(diào)的長期性能優(yōu)于銅管空調(diào)，更有利于節(jié)能減排。

2.2 耐腐蝕性能研究

鋁管應(yīng)用最大的擔(dān)憂來自于腐蝕。我們直覺上普遍都認(rèn)為鋁管容易腐蝕，但是其是否真如人們所認(rèn)為的那么脆弱？采取什么科學(xué)的方法來評(píng)價(jià)呢？鋁管換熱器的腐蝕機(jī)理是什么，有什么改進(jìn)方法可以使換熱器可靠耐用，在空調(diào)壽命期內(nèi)延緩其使用時(shí)間？

采取什么評(píng)價(jià)方式是首先要確定的。

在腐蝕研究方面，主要有三種試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，即中性鹽霧試驗(yàn)、酸性鹽霧測試、銅加速乙酸鹽霧測試，具體如下。

（1）SST（Salt Spray Test），在JIS（Z2371、H8502）、ASTM B117中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)。pH6.5～7.2、環(huán)境溫度為35±2℃、5% NaCl用水溶液連續(xù)噴霧（1～2 ml/80cm，2Hr），利用Cl離子破壞鋁的鈍化膜。

（2）SWAAT實(shí)驗(yàn)（Sea Water Acetic Acid Test），在ASTM（1141、G85·A3）中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)。pH2.8～3.0、環(huán)境溫度為49℃（或者35℃），人工海水噴霧（30 min）和濕潤（98%RH以上）重復(fù)促進(jìn)腐蝕試驗(yàn)。

（3）CASS實(shí)驗(yàn)（Copper accelerated Acetic acid Salt Spray test ），在JIS（H8681、H8502、D0201）、ASTM B368中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)。pH3.0、環(huán)境溫度為50±2℃、5%NaCl+0.26g/L的CuCl2溶液（添加了銅酸鹽來促進(jìn)腐蝕的CH3COOH酸性鹽水）向?qū)嶒?yàn)鋁片上連續(xù)噴霧（1～2 ml/80cm，2/hr）。

我們采用了幾種測試方案，發(fā)現(xiàn)鋁管發(fā)生腐蝕泄露的現(xiàn)象都是在與其它金屬接觸的地方。只有極個(gè)別的在特殊工況下才會(huì)出現(xiàn)鋁管本身的泄露。

2.3 制造工藝研究

鋁管力學(xué)性能與銅管相差較大，其制造工藝參數(shù)是否可以完全與銅管一樣呢，從開料、彎管、穿片到脹管，有那些需要改進(jìn)的地方呢？

從批量驗(yàn)證來看，鋁管基本的工藝都與銅管類似，實(shí)際脹管中，我們發(fā)現(xiàn)有大量的脹管折管、變形等問題。

我們分析后認(rèn)為，鋁材質(zhì)軟，熔點(diǎn)低，脹管時(shí)發(fā)熱，鋁容易粘在脹球上，摩擦系數(shù)大于銅管，這導(dǎo)致脹管阻力大，從而導(dǎo)致折管、變形。這些問題通過調(diào)整工藝參數(shù)都可以得到很好解決。

3 應(yīng)用前景

隨著全球范圍內(nèi)銅資源的日益緊缺，尋求其替代品越來越緊迫。在眾多金屬中，鋁的導(dǎo)熱導(dǎo)電性質(zhì)與銅最為接近，鋁的加工更為簡單，鋁合金的形式豐富多樣，可以滿足各行各業(yè)的不同需求，豐富的鋁資源的開發(fā)利用成為必然趨勢。鋁圓管適用整個(gè)空調(diào)行業(yè)，潛力巨大，前景極為廣闊。

4 未來研究展望

幾個(gè)主流廠家對(duì)鋁圓管換熱器的研究其實(shí)技術(shù)已經(jīng)比較成熟了，可應(yīng)用于大部分空調(diào)機(jī)型，具備了批量生產(chǎn)的能力。目前要想全空調(diào)領(lǐng)域的替代，還需要解決的問題。（1）在特殊惡劣工況下的耐腐蝕技術(shù)。（2）換熱效率的提升，完全達(dá)甚至超越銅管的換熱器效率。

參考文獻(xiàn)

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