铝圆管热交换器的研究及未来

摘 要：铝圆管换热器具有重量轻、安装轻便、回收方便等特点。其在空调上的使用，符合国家建设资源节约型社会的要求，有利于资源的合理利用。本文

对铝圆管换热器的关键技术和应用前景作了简要叙述。

关键词：铝圆管换热器 技术 展望

中图分类号：TB657 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（a）-0002-01

1 研究背景

空调是家电产品中用铜量最大的产品，近几年铜价上涨迅猛，企业承受了越来越大的成本压力，越来越多的厂家在不断寻求空调换热器替代材料。

我国铜资源匮乏，铝资源相对丰富，用铝圆管换热器代替空调上铜管换热器，大幅减少铜资源的消耗量，对我国这样铜资源较为匮乏的国家来说相当有利，符合国家建设资源节约型社会的要求，有利于资源的合理利用。

铝圆管换热器和传统的铜圆管换热器相比没有太大变化，工艺设备稍加改造即可，工艺流程不变，空调结构改变较小，转换代价小。且其重量较轻，有利于整机轻型化，安装也轻便。整个换热器都是铝材，回收方便。因此铝圆管换热器在空调中具有巨大的应用潜力。使用铝圆管换热器，材料成本大幅下降，和现在使用的铜管换热器相比下降幅度在30%以上，对企业而言大大节约成本，有利于提高产品竞争力。

2 关键技术

2.1 换热效率研究

导热性能最好的几大金属是银、铜、金、铝。金太贵重，导热也不如铜，因此排除在使用范围之外。银也很贵重，仅在特殊领域使用，只有铜得到大量应用。但是随着铜的消耗越来越大，其资源紧缺性越来越明显，而导热稍差的铝却是资源非常丰富，价格也非常低廉。

铝的导热系数不到铜的一半，大家普遍认为铝管换热性能肯定比铜管差很远。其换热性能到底如何，并该如何改进，这关系到铝管应用的经济性、可行性。

根据传热学原理，传热系数计算公式为。传热系数的大小与传热过程中各环节的热阻有关，且在数值上就等于总热阻的倒数。

热阻是由三个方面组成，相应地，要提高单位面积的换热效率，即从这三个方面改进，即强化管内换热、强化管子本身导热、强化管外换热来进行。

我们首先分析管子本身导热。

管子本身导热与其材料、厚度有关，热阻计算公式为，材料导热系数越大、厚度越小，则热阻越小，导热能力越强。从材料而言，铝的导热系数为190 W/（m·K），铜的394 W/（m·K），铝的导热系数不及铜的一半。

厚度是越小传热效率越高，但是制冷系统有着耐压的要求，需要同时考虑耐压与换热要求。根据研究表明，一般达到相同耐压，铝管壁厚需要为相同外径规格铜管的两倍。

所以单纯从管子本身而言，在同等耐压强度要求下，相同环境下，铝管的导热只有铜管的四分之一，相差75%，差异确实很大。不过实际测试发现，铝管换热比相同规格铜管最大相差10%，显然远远小于理论的75%，这说明导热所产生的整体换热效率的下降影响很小。导热在整个换热所占的比重非常小。

其次，管外换热，如果采取和铜管一样的翅片，那么管外换热应该是一样的。

由此可以看出主要改进方向就在于铝管内侧的换热。目前我们经过管型的改进，换热效率已经可以达到铜管效率的99%。

另外一个重要问题是铝圆管换热器长期使用后的换热效率衰减的问题。

我们进行了大量长期跟踪试验后发现，在长期使用后，无论铝管换热器还是铜管换热器，换热性能都会衰减，但是铝管的衰减程度低于铜管空调，所以长远来说，铝管的长期换热效果要好于铜管，铝管空调的长期性能优于铜管空调，更有利于节能减排。

2.2 耐腐蚀性能研究

铝管应用最大的担忧来自于腐蚀。我们直觉上普遍都认为铝管容易腐蚀，但是其是否真如人们所认为的那么脆弱？采取什么科学的方法来评价呢？铝管换热器的腐蚀机理是什么，有什么改进方法可以使换热器可靠耐用，在空调寿命期内延缓其使用时间？

采取什么评价方式是首先要确定的。

在腐蚀研究方面，主要有三种试验进行评价，即中性盐雾试验、酸性盐雾测试、铜加速乙酸盐雾测试，具体如下。

（1）SST（Salt Spray Test），在JIS（Z2371、H8502）、ASTM B117中规定的实验。pH6.5～7.2、环境温度为35±2℃、5% NaCl用水溶液连续喷雾（1～2 ml/80cm，2Hr），利用Cl离子破坏铝的钝化膜。

（2）SWAAT实验（Sea Water Acetic Acid Test），在ASTM（1141、G85·A3）中规定的实验。pH2.8～3.0、环境温度为49℃（或者35℃），人工海水喷雾（30 min）和湿润（98%RH以上）重复促进腐蚀试验。

（3）CASS实验（Copper accelerated Acetic acid Salt Spray test ），在JIS（H8681、H8502、D0201）、ASTM B368中规定的实验。pH3.0、环境温度为50±2℃、5%NaCl+0.26g/L的CuCl2溶液（添加了铜酸盐来促进腐蚀的CH3COOH酸性盐水）向实验铝片上连续喷雾（1～2 ml/80cm，2/hr）。

我们采用了几种测试方案，发现铝管发生腐蚀泄露的现象都是在与其它金属接触的地方。只有极个别的在特殊工况下才会出现铝管本身的泄露。

2.3 制造工艺研究

铝管力学性能与铜管相差较大，其制造工艺参数是否可以完全与铜管一样呢，从开料、弯管、穿片到胀管，有那些需要改进的地方呢？

从批量验证来看，铝管基本的工艺都与铜管类似，实际胀管中，我们发现有大量的胀管折管、变形等问题。

我们分析后认为，铝材质软，熔点低，胀管时发热，铝容易粘在胀球上，摩擦系数大于铜管，这导致胀管阻力大，从而导致折管、变形。这些问题通过调整工艺参数都可以得到很好解决。

3 应用前景

随着全球范围内铜资源的日益紧缺，寻求其替代品越来越紧迫。在众多金属中，铝的导热导电性质与铜最为接近，铝的加工更为简单，铝合金的形式丰富多样，可以满足各行各业的不同需求，丰富的铝资源的开发利用成为必然趋势。铝圆管适用整个空调行业，潜力巨大，前景极为广阔。

4 未来研究展望

几个主流厂家对铝圆管换热器的研究其实技术已经比较成熟了，可应用于大部分空调机型，具备了批量生产的能力。目前要想全空调领域的替代，还需要解决的问题。（1）在特殊恶劣工况下的耐腐蚀技术。（2）换热效率的提升，完全达甚至超越铜管的换热器效率。

参考文献

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[2] 陈剑波，岳畏畏，李静.铝管替代铜管空调冷凝器传热特性研究[J].制冷学报，2012（3）：44-48，71.