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      家用空調與商用空調換熱器的銅材替代

      點擊:1863 日期:[ 2014-04-26 22:06:34 ]
                                        家用空調與商用空調換熱器的銅材替代                                      張正國 高學農 陸應生 汪雙鳳                         華南理工大學傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室     引言     我國是空調的制造大國,對國民經濟的發展具有極其重要的推動作用。在家用及商用空調系統中,換熱器作為一種熱交換裝置,直接影響整個系統的性能及設備本。銅材由于具有良好的導熱系數和耐腐蝕性能,以及容易加工和管路連接等優點而在空調換熱器中廣泛應用。但我國是銅資源極其貧乏的國家,主要依賴進口,受國際銅價的影響很大。近年來,銅價呈快速增長的趨勢,2006年銅價甚至超過8萬元/噸,目前雖然有所回落,但未來仍會繼續上漲。換熱器中銅的成本占家用空調總成本的15%左右,占商用空調的30%。隨著銅價的不斷攀升,空調系統銅材的替代問題越來越引起人們的關注,并尋求銅材的替代技術[1]。鋁和不銹鋼作為熱交換材料,已在工業換熱器中得到應用。鋁的密度及成本均是銅的30%左右,而普通304不銹鋼的密度和成本分別是銅的89%和60%左右。若用鋁或普通不銹鋼替代銅作為空調換熱器的熱交換材料,則可明顯地降低空調的制造成本,提高產品的市場競爭力。     一、家用空調中的銅材替代     目前家用空調的蒸發器和冷凝器都是采用銅管外套鋁翅片的換熱器結構,銅管與鋁翅片之間通過脹接方式緊密結合以降低接觸熱阻,銅管內還加工有翅片以強化制冷介質的冷凝與蒸發傳熱。有學者提出采用全鋁制換熱器替代現有空調換熱器的設想,但由于存在結構和制造等方面的問題而難以真正實施[2]。      隨著制造技術的不斷發展,全鋁制翅片式平行流換熱器的技術不斷成熟,并有望在家用空調的蒸發器和冷凝器中應用,從而真正實現鋁代銅,并降低制造成本。最近,廣東東莞高寶鋁材制品廠有限公司成功地開發出了全鋁制整體翅片式平行流微通道換熱器,如圖1 所示。                                              圖 1 全鋁制整體翅片式平行流微通道換熱器     這種換熱器完全采用鋁材制造,多條帶微通道(孔道直徑小于1毫米)的平行板作為換熱元件,耐壓性能好。每塊板外兩側加工有整體成型的翅片,制冷介質在微通道內流動并與在翅片間流動的空氣進行換熱。每塊板的兩端分別固定在特殊設計的兩塊鋁夾板上,并采用硅橡膠進行密封,夾板內開有槽道供制冷介質流動,兩塊夾板采用鉚釘固定。這種換熱器的換熱面積能擴展20倍以上,傳熱面積大,翅片為整體結構,沒有接觸熱阻。制冷介質在微通道內流動,傳熱性能系數高。目前已在汽車空調中進行了測試,在空調整體性能提高的基礎上其成本降低了25%以上。目前,該公司正與華南理工大學傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室合作將該換熱器在家用空調中進行性能測試。     二、商用空調中的銅材替代      商用空調的蒸發器和冷凝器基本上是采用殼管式換熱器結構,為提高蒸發器和冷凝器的傳熱性能,對傳熱銅管的制冷介質側進行表面加工,形成翅片或微孔結構以強化冷凝或蒸發傳熱。目前我國商用空調多數還是采用R22作為制冷介質,強化管的冷凝或蒸發傳熱系數比水側的對流傳熱系數高得到多,冷凝器和蒸發器的傳熱熱阻都在水側。但在實際使用過程中,水側很少進行強化傳熱處理。其原因:一是為降低成本都選用薄壁銅管,在制冷介質側進行強化加工后,水側很難再進行強化加工;二是由于水側污垢的影響,使用一段時間后水側沒有強化傳熱效果,特別是冷凝器十分突出。到目前為止,在商用空調的蒸發器和冷凝器中,銅材的替代問題仍未見報道。     事實上,普通的不銹鋼管換熱器普遍應用于石化、化工等過程工業腐蝕性介質的換熱過程。為探討不銹鋼管應用于商用空調的可行性,本文以30RT渦旋模塊樣機的冷凝器為例進行分析(忽略污垢熱阻)。該冷凝器的傳熱銅管外徑為16mm,管壁厚度為1.14mm,共75根。在標準工況下進行性能測試,結果表明,冷凝器的管外蒸汽冷凝熱阻為0.9904×10-4 m2K/W,管內冷卻水的熱阻為2.185×10-4 m2K/W,管壁熱阻為1.03×10-6 m2K/W,由于管內未進行強化,水側熱阻是控制熱阻。銅的導熱系數很高,所以管壁熱阻很小。若以坯管外表面積為基準,這臺冷凝器的總傳熱系數為3139W/m2K。      在前期成功開發出強化冷凝傳熱的銅翅片管基礎上[3],最近,華南理工大學傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室又成功開發出304不銹鋼的雙面強化冷凝傳熱管,如圖2所示。其外徑為16mm,管壁厚度為1.3mm。其加工方法是先將不銹鋼管加工成橫紋管,管外有橫紋溝槽,管內有橫紋凸肋。然后,在橫紋管的基礎上,再在管外表面加工微翅片,以強化蒸汽的冷凝傳熱。      若將這種強化管應用于上述30RT空調機組的冷凝器中,并采用新型螺旋隔板作為管間支撐物,在相同外型尺寸及操作條件下,冷凝器的各熱阻分別為:管外蒸汽在不銹鋼強化管外螺旋流動,其冷凝熱阻與銅管相當,約為1×10-4m2K/W。管內加工有橫紋凸肋,在相同水流速下(達到完全湍流)可提高傳熱系數30%以上[4],管內熱阻為1.68×10-4m2K/W;不銹鋼的導熱系數是銅的1/22,管壁熱阻為2.6×10-5 m2K/W。不銹鋼雙面強化管冷凝器的總傳熱系數為3400W/m2K,完全達到了原來單面強化傳熱銅管冷凝器的性能。相關研究表明,管內橫紋凸肋能激發邊界層流體產生強烈的湍動,對比光滑壁面,水垢更難形成[5]。從成本來看,采用1.3mm壁厚不銹鋼管比1.14mm壁厚銅管體積增加13%,但由于不銹鋼的密度比銅低11%,所以重量增加3%左右。不銹鋼雙面強化管的加工成本比銅翅片管高3%。制造不銹鋼冷凝器需將傳熱管與管板焊接密封,焊接材料成本增加7%。但普通不銹鋼的價格比銅低40%左右??傮w來看,不銹鋼強化管冷凝器的成本比銅強化管冷凝器要低20%左右。                                                 圖 2 不銹鋼雙面強化冷凝管     對于不銹鋼管在蒸發器中的應用,目前的技術關鍵是如何在不銹鋼管上加工既能強化制冷介質沸騰傳熱,又能強化水的對流傳熱的雙面強化管,同時,還需采用新型管間支撐結構,進一步提高蒸發器的傳熱性能。     三、結論     隨著銅材價格的不斷升高,給空調行業帶來巨大的成本壓力,銅材的替代是發展趨勢。對于家用空調,采用全鋁制整體翅片式平行流微通道換熱器作為蒸發器和冷凝器,可解決換熱器銅材的替代問題。對于商用空調,采用雙面強化傳熱的不銹鋼管并結合新型管間支撐結構,開發出高效的冷凝器和蒸發器,從而解決換熱器銅材的替代問題。
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