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。其在空調上的使用，符合國家建設資源節約型社會的要求，有利于資源的合理利用。本文

對鋁圓管換熱器的關鍵技術和應用前景作了簡要敘述。

關鍵詞：鋁圓管換熱器 技術 展望

中圖分類號：TB657 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（a）-0002-01

1 研究背景

空調是家電產品中用銅量最大的產品，近幾年銅價上漲迅猛，企業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換熱器替代材料。

我國銅資源匱乏，鋁資源相對豐富，用鋁圓管換熱器代替空調上銅管換熱器，大幅減少銅資源的消耗量，對我國這樣銅資源較為匱乏的國家來說相當有利，符合國家建設資源節約型社會的要求，有利于資源的合理利用。

鋁圓管換熱器和傳統的銅圓管換熱器相比沒有太大變化，工藝設備稍加改造即可，工藝流程不變，空調結構改變較小，轉換代價小。且其重量較輕，有利于整機輕型化，安裝也輕便。整個換熱器都是鋁材，回收方便。因此鋁圓管換熱器在空調中具有巨大的應用潛力。使用鋁圓管換熱器，材料成本大幅下降，和現在使用的銅管換熱器相比下降幅度在30%以上，對企業而言大大節約成本，有利于提高產品競爭力。

2 關鍵技術

2.1 換熱效率研究

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

鋁的導熱系數不到銅的一半，大家普遍認為鋁管換熱性能肯定比銅管差很遠。其換熱性能到底如何，并該如何改進，這關系到鋁管應用的經濟性、可行性。

根據傳熱學原理，傳熱系數計算公式為。傳熱系數的大小與傳熱過程中各環節的熱阻有關，且在數值上就等于總熱阻的倒數。

熱阻是由三個方面組成，相應地，要提高單位面積的換熱效率，即從這三個方面改進，即強化管內換熱、強化管子本身導熱、強化管外換熱來進行。

我們首先分析管子本身導熱。

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

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

所以單純從管子本身而言，在同等耐壓強度要求下，相同環境下，鋁管的導熱只有銅管的四分之一，相差75%，差異確實很大。不過實際測試發現，鋁管換熱比相同規格銅管最大相差10%，顯然遠遠小于理論的75%，這說明導熱所產生的整體換熱效率的下降影響很小。導熱在整個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，那么管外換熱應該是一樣的。

由此可以看出主要改進方向就在于鋁管內側的換熱。目前我們經過管型的改進，換熱效率已經可以達到銅管效率的99%。

另外一個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。

我們進行了大量長期跟蹤試驗后發現，在長期使用后，無論鋁管換熱器還是銅管換熱器，換熱性能都會衰減，但是鋁管的衰減程度低于銅管空調，所以長遠來說，鋁管的長期換熱效果要好于銅管，鋁管空調的長期性能優于銅管空調，更有利于節能減排。

2.2 耐腐蝕性能研究

鋁管應用最大的擔憂來自于腐蝕。我們直覺上普遍都認為鋁管容易腐蝕，但是其是否真如人們所認為的那么脆弱？采取什么科學的方法來評價呢？鋁管換熱器的腐蝕機理是什么，有什么改進方法可以使換熱器可靠耐用，在空調壽命期內延緩其使用時間？

采取什么評價方式是首先要確定的。

在腐蝕研究方面，主要有三種試驗進行評價，即中性鹽霧試驗、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中規定的實驗。pH6.5～7.2、環境溫度為35±2℃、5% NaCl用水溶液連續噴霧（1～2 ml/80cm，2Hr），利用Cl離子破壞鋁的鈍化膜。

（2）SWAAT實驗（Sea Water Acetic Acid Test），在ASTM（1141、G85·A3）中規定的實驗。pH2.8～3.0、環境溫度為49℃（或者35℃），人工海水噴霧（30 min）和濕潤（98%RH以上）重復促進腐蝕試驗。

（3）CASS實驗（Copper accelerated Acetic acid Salt Spray test ），在JIS（H8681、H8502、D0201）、ASTM B368中規定的實驗。pH3.0、環境溫度為50±2℃、5%NaCl+0.26g/L的CuCl2溶液（添加了銅酸鹽來促進腐蝕的CH3COOH酸性鹽水）向實驗鋁片上連續噴霧（1～2 ml/80cm，2/hr）。

我們采用了幾種測試方案，發現鋁管發生腐蝕泄露的現象都是在與其它金屬接觸的地方。只有極個別的在特殊工況下才會出現鋁管本身的泄露。

2.3 制造工藝研究

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

從批量驗證來看，鋁管基本的工藝都與銅管類似，實際脹管中，我們發現有大量的脹管折管、變形等問題。

我們分析后認為，鋁材質軟，熔點低，脹管時發熱，鋁容易粘在脹球上，摩擦系數大于銅管，這導致脹管阻力大，從而導致折管、變形。這些問題通過調整工藝參數都可以得到很好解決。

3 應用前景

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

4 未來研究展望

幾個主流廠家對鋁圓管換熱器的研究其實技術已經比較成熟了，可應用于大部分空調機型，具備了批量生產的能力。目前要想全空調領域的替代，還需要解決的問題。（1）在特殊惡劣工況下的耐腐蝕技術。（2）換熱效率的提升，完全達甚至超越銅管的換熱器效率。

參考文獻

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[2] 陳劍波，岳畏畏，李靜.鋁管替代銅管空調冷凝器傳熱特性研究[J].制冷學報，2012（3）：44-48，71.