热交换器是制冷设备的关键组成.doc

前言
热交换器是制冷设备的关键组成，以往的热交换器都采用光滑铜管，效率低下，且制造费用高。为提高和强化换热效率，国外在７０年代开发了薄壁内螺纹管，即在铜管内壁轧制螺纹。内螺纹管增加了内表面积并改善热交换流体的流动，提高了热交换率。目前国外空调器，热交换器的生产厂家大多采用薄壁内螺纹管，国内多家厂家对此也开展研究，以下就对其发展过程及生产要求作一简介。
２薄壁内螺纹铜管的发展及特点 内螺纹铜管是国外７０年代研发的高热交换系数的空调器用紫铜管，其特征是铜管内表面具有一定数量、一定螺旋角度及肋顶角的金属肋簇。 经试验分析，内螺纹铜管的热交换系数之所以增大是因为如下几点 ２．１ 沸腾方面： （１）增加了热交换面积（约为光面平滑管内表面面积的１．６～１．９倍）； （２）由于金属肋间沟槽的毛细作用，增加了制冷剂的润滑面积； （３）由于螺旋肋间沟槽的缘故，对制冷剂产生湍流（紊流）搅拌作用（一旦制冷剂吸热离开管内壁，管内壁对制冷剂热量的吸收能力马上降低。因此，制冷剂能沿管内壁螺旋肋得到搅拌就十分重要）； （４）有尖锐顶角的金属肋使液体制冷剂成核沸腾点数增加，便于液态制冷剂吸热蒸发成汽态。 ２．２ 冷凝方面： （１）增加了热交换面积； （２）金属肋的斜面及尖角使冷凝区表面产生了张力作用，持续减小肋顶液体制冷剂的膜厚，便于汽态制冷剂冷凝成液态沿斜面流下。 由此可知，调整金属肋齿顶角，高度，槽底宽度等齿型参数，使润周长度及蓄液面积增大，并尽量使管外径减小及底壁厚变薄，以节省材料，提高热交换系数是内螺纹铜管的研究方向及发展趋势。最近，法国又发明了一种高低齿内螺纹铜管，其金属肋齿形高度高低相间，经有关单位测试，较传统的等高齿内螺纹铜管，换热效率提高６％～１０％。 ３ 内螺纹成型加工原理 把内表面光滑的管坯加工成表面带螺纹金属肋的管材，此成型过程称之为内螺纹成型加工。据资料介绍，自７０年代以来，国外工业发达国家对内螺纹铜管的制造方法进行过许多试验研究，也提出了许多内螺纹铜管的制造方案。这些方案主要原理是在平滑光管内装入外表面刻有螺纹沟槽的芯头，进行衬拉或衬拉旋压，使管内表面成型相应的金属肋。另外，亦有日本ＫＵＳＡＫＡＢＥ公司用铜带辗压成肋，卷曲后保护焊接，再经一道成品精整拉伸结束的加工方法。但此法生产的金属肋齿型高度受限制，且有一条横向焊缝，所以在我国空调器生产厂家还未被接受使用。 经大量比较试验，现被国内外广泛采用进行内螺纹铜管大批量生产的方法是“行星球模旋压成型法”，此法制造内螺纹铜管的主要优点是： （１）内螺纹成型速度较快，最高速度现已达５０ｍ／ｍｉｎ； （２）工模具费用较其他方法低；（３）行星球模安装对中方便； （４）管材外表面粗糙度小； （５）管内螺纹尺寸精度高； （６）球的使用寿命长，能实现球多方向自转磨损。 所以用“行星球模旋压成型法”生产薄壁内螺纹铜盘管具有外径小、壁厚薄、长度大，能以大盘重交货的优点，当大批量生产时，成本很低。 ４４４４ 内螺纹铜管的生产及质量控制内螺纹铜管的生产及质量控制内螺纹铜管的生产及质量控制内螺纹铜管的生产及质量控制 内螺纹铜管的生产，依照传统分工应属于管材的深加工，它的生产工艺过程比较简单，其工艺流程如下： 软态光面管坯→旋压盘拉→探伤清洗缠绕→光亮退火→检验包装出厂 ４．１ 管坯控制 现在各国生产内螺纹铜管的材料一般使用磷脱氧铜，磷脱氧铜管通常适应在低压工作，内螺纹铜管的成型加工工艺很短，如若管坯生产质量控制不严，则很难加工出高精度薄壁内螺纹铜管。因此，用于内螺纹铜管加工的管坯质量便成为至关重要的因素，管坯的化学成份、金相组织、机械性能、形状尺寸公差以及内外表面质量都有具体的严格要求。上引管坯不能用来生产空调铜管，更不能用来生产内螺纹铜管。水平连铸后行星轧机轧制的管坯也不易用来生产薄壁空调管，也就不能用来生产内螺纹铜管。 一般影响内螺纹铜管尺寸精度如金属肋高度值及表面粗糙度值的主要因素有： （１）管坯的平均壁厚值与内螺纹铜管名义平均壁厚值的比值； （２）管坯的机械性能范围值及金相组织致密性、晶粒度大小（一般要求为轻软态）； （３）管坯的缺陷个数。 ４．２ 内螺纹成型加工控制 内螺纹成型加工由游动芯头预拉伸→钢球沿衬有螺纹芯头的管材外壁旋压→定径模定径精整尺寸并消除管材外表面上的钢球旋压痕→大卷筒盘拉连续落料４个连续步骤组成，其关键部分是前３道的３级变形过程： （１）游动芯头和螺纹芯头都是空心的，用连杆将它们连接，螺纹芯头随游动芯头一道被稳定在工作中心的轴线上； （２）螺纹芯头工作时，能以连杆为轴自由旋转； （３）合适的旋模安装配合精度及旋压密度（即旋压速度与盘拉速度的比值），它们将影响成型管的尺寸精度和表面光洁度，后者还影响螺纹芯头的自转及公转速度。而且，一般起槽速度越快，相应的盘拉力也越小； （４）良好的润滑状态及冷却效果； （５）通过控制内螺纹铜管的每米克重偏差及光学放大检测的尺寸精度，调整管坯壁厚、模具安装配合尺寸。 另外，由于空调器使用时为防止产生“脏堵”，其热交换器用铜管的内壁清洁度要求甚高，标准为≤３０ｍｇ／ｍ２，所以一般经内螺纹成型后的内螺纹铜管在涡流探伤、外壁清洗、复绕后，均需进行管内壁清洗，以去除管内的残油及污物。在经过特殊清洗剂清洗后，还要用隋性气体吹干，然后送光亮退火炉退火。据资料交流，日本现也有采用内壁超级光亮退火的工艺，以提高内壁清洁度，并省去复绕后清洗内壁的工序。经试制，发现效果较好。 经退火后的内螺纹铜盘管，要经过严格的检查，其中包括机械性能、晶粒度、尺寸精度（３）行星球模安装对中方便； （４）管材外表面粗糙度小； （５）管内螺纹尺寸精度高； （６）球的使用寿命长，能实现球多方向自转磨损。 所以用“行星球模旋压成型法”生产薄壁内螺纹铜盘管具有外径小、壁厚薄、长度大，能以大盘重交货的优点，当大批量生产时，成本很低。 ４４４４ 内螺纹铜管的生产及质量控制内螺纹铜管的生产及质量控制内螺纹铜管的生产及质量控制内螺纹铜管的生产及质量控制 内螺纹铜管的生产，依照传统分工应属于管材的深加工，它的生产工艺过程比较简单，其工艺流程如下： 软态光面管坯→旋压盘拉→探伤清洗缠绕→光亮退火→检验包装出厂 ４．１ 管坯控制 现在各国生产内螺纹铜管的材料一般使用磷脱氧铜，磷脱氧铜管通常适应在低压工作，内螺纹铜管的成型加工工艺很短，如若管坯生产质量控制不严，则很难加工出高精度薄壁内螺纹铜管。因此，用于内螺纹铜管加工的管坯质量便成为至关重要的因素，管坯的化学成份、金相组织、机械性能、形状尺寸公差以及内外表面质量都有具体的严格要求。上引管坯不能用来生产空调铜管，更不能用来生产内螺纹铜管。水平连铸后行星轧机轧制的管坯也不易用来生产薄壁空调管，也就不能用来生产内螺纹铜管。 一般影响内螺纹铜管尺寸精度如金属肋高度值及表面粗糙度值的主要因素有： （１）管坯的平均壁厚值与内螺纹铜管名义平均壁厚值的比值； （２）管坯的机械性能范围值及金相组织致密性、晶粒度大小（一般要求为轻软态）； （３）管坯的缺陷个数。 ４．２ 内螺纹成型加工控制 内螺纹成型加工由游动芯头预拉伸→钢球沿衬有螺纹芯头的管材外壁旋压→定径模定径精整尺寸并消除管材外表面上的钢球旋压痕→大卷筒盘拉连续落料４个连续步骤组成，其关键部分是前３道的３级变形过程： （１）游动芯头和螺纹芯头都是空心的，用连杆将它们连接，螺纹芯头随游动芯头一道被稳定在工作中心的轴线上； （２）螺纹芯头工作时，能以连杆为轴自由旋转； （３）合适的旋模安装配合精度及旋压密度（即旋压速度与盘拉速度的比值），它们将影响成型管的尺寸精度和表面光洁度，后者还影响螺纹芯头的自转及公转速度。而且，一般起槽速度越快，相应的盘拉力也越小； （４）良好的润滑状态及冷却效果； （５）通过控制内螺纹铜管的每米克重偏差及光学放大检测的尺寸精度，调整管坯壁厚、模具安装配合尺寸。 另外，由于空调器使用时为防止产生“脏堵”，其热交换器用铜管的内壁清洁度要求甚高，标准为≤３０ｍｇ／ｍ２，所以一般经内螺纹成型后的内螺纹铜管在涡流探伤、外壁清洗、复绕后，均需进行管内壁清洗，以去除管内的残油及污物。在经过特殊清洗剂清洗后，还要用隋性气体吹干，然后送光亮退火炉退火。据资料交流，日本现也有采用内壁超级光亮退火的工艺，以提高内壁清洁度，并省去复绕后清洗内壁的工序。经试制，发现效果较好。 经退火后的内螺纹铜盘管，要经过严格的检查，其中包括机械性能、晶粒度、尺寸精度和每米克重偏差、内外表面清洁度、退火后的氧化度、表面缺陷、表面粗糙度等检测要求和必要的扩口、弯管实验，合格者才能包装出厂。 ５５５５ 结束语结束语结束语结束语 薄壁内螺纹铜盘由于提高了热换效率２０％～４０％，降低能耗１５％，并能降低生产成本，因此薄壁内螺纹铜盘管是很有发展前途的产品，但由于内螺纹的加工对模具、设备的要求都较高，难度也较大，并受多方因素的影响，目前世界各国内螺纹管的加工速度还较低，工具的磨损也较快，国内生产内螺纹铜盘管的设备需花大量资金引进，工模具也仍主要依靠进口，这些都有待于我们科技工作者和工程技术人员的不断努力。相信随着科技研究的发展，生产经验的积累，薄壁内螺纹铜盘管的发展将得到进一步的提高，为国内空调器生产原材料“国产化”作出贡

内螺纹铜管成型技术与工艺 1 内螺纹铜管生产技术发展过程 1.1国外内螺纹铜管的发展过程 随着空调器制造技术的不断进步, 对高效、 节能、 环保的要求愈来愈高, 国外从70 年代开始先后开发了用内螺纹铜盘管和亲水铝箔做两器(蒸发器和冷凝器)的新型空调。内螺纹管与光管相比可增加热交换面积 2~ 3 倍, 加之形成的湍流作用,提高热交换效率20% ~ 30%,节能15%。80年代已得到普遍认可的主要铜盘管生产企业的内螺纹盘管的产品比例一般大于 50%。国外内螺纹盘管从开发到大批量生产大约用了近20 a的时间。 1.2 国产内螺纹的发展过程 80 年代末期,国内相继上马空调器生产线,并使用铜光盘管作为热交换的主要材料, 随着环保要求的提高,新的致冷剂使用以及降低成本的需要, 开始研究具有高的换热效率的铜管进行替代, 90 年代初期和中期, 国内有几家设备制造厂家和铜管生产厂家已经研究和试制内螺纹铜管, 并取得了一些成绩, 可以在10~ 20 m/ min低速的情况下, 直线拉制内螺纹实现批量生产, 但没有达到大批量高速生产盘管的技术。而国外,如日本、 韩国已经开发出较成熟的设备和工艺,但设备和技术价格较高昂,所以这段时期,进口内螺纹铜管成了空调厂家的首选。此时,国内部分厂家也花大价钱进口了一些设备, 但由于光管本身的质量问题和模具等因素的影响, 国产内螺纹管没有太大的批量。 90 年代中期以后,国内设备厂家如江苏兴荣、 北京京圣等,加紧对加工设备的开发和研究,铜管生产厂家如河南金龙、 湖南光远、 江苏名佳利等, 注重研 究铜管的品质, 使得内螺纹铜管的生产得到了飞速的发展, 无论采用原挤压法生产的管坯还是采用铸扎生产的管坯,无论是用直线拉伸还是用盘拉, 都能 生产出合格的内螺纹管。 90 年代末期,由于设备和工艺的成熟,国内开始批量复制内螺纹铜管生产线, 如张家港的恒荣、 华芳、 广东太平洋、 浙江海亮等, 国内的生产能力不断扩大,国内产品亦开始出现竞争的态势,各个厂家注重降低产品的生产成本,在3 a的时间内, 内螺纹铜管的销售价格连下 1x104万元, 目前该产品的价格几乎接近于成本价, 将国外产品基本上排挤在国门之外,国外厂家因为生产成本过高, 出口不利, 开始大批量减产。 内螺纹铜管的发展大致经历了如下几个发展阶段: ( 1)山型齿内螺纹管; ( 2)梯型槽内螺纹管; ( 3)小顶角型内螺纹管; ( 4) 细高齿型内螺纹管。目前,国 外又陆续推出了高低齿齿型、 齿顶开槽、 双旋向等内螺纹管。 1.3 国产管的优势和劣势 与国外产品相比较, 国产内螺纹管生产成本较低,无论是设备还是人工成本都相对低廉, 这对加工制造业来说是有利的, 特别是来料加工是再好不过的,这对国际国内市场都不错。在国内,各铜管生产厂家亦提供了良好的售后服务, 得到了空调制造厂家的一致好评。但弱势显而易见, 加工设备自动化程度低,过分依赖操作人员的素质和加工技术, 导致成品率低下,产品品质稳定性差, 这对降低生产成本是不利的,也削弱了产品的竞争能力,特别是产品的稳定性问题使出口成为一大难题。另外国内铜价居高不下,亦会对加工厂家带来一些成本压力。 1.4 内螺纹铜管的研发方向 内螺纹铜管的发展趋势是薄壁化、 细径化、 高齿化、 小齿顶角化。这种趋势也使内螺纹铜管轻量化,即单位长度的重量进一步减轻, 尽量提高传热性能以减少铜材用量; 内螺纹齿型呈复杂化趋势。复杂的组合齿型内螺纹可以大大强化换热, 但对加工设备和模具的制造都提出了新的要求。对于如何避免由于齿型复杂化导致的制造难度增加和加工效率降低而导致的成本增加,以及如何保证产品的质量稳定提出了新课题。开发新的内螺纹齿型品种和规格, 研制相应的加工工艺及技术, 拓宽内螺纹铜管应用领域是内螺纹铜管生产厂家面对的重要课题。 加大瘦高齿内螺纹铜管的开发与生产; 在现有基础上，加大中央空调用大直径内螺纹铜管的开发与生产(如:Ø12.7 mm，Ø15.87 mm等) 2 内螺纹铜管的齿型 高效内螺纹传传热管按旋向和齿型特征分类如下：