最新：小管径翅片管换热器研究进展

换热器是制冷空调设备中的重要组成部件。在影响制冷空调产品整机能效的各项因素中，换热器传热温差导致的不可逆损失是其中最主要的因素；在决定整机体积大小的因素中，换热器也大多是最主要因素。因此，换热器的优化成为制冷空调产品中提升能效、减少体积与材料消耗的关键。

应用于制冷空调产品中的换热器型式较多，包括翅片管式换热器、板式换热器、微通道换热器等。这些换热器的技术进展，主要在换热性能提升、生产工艺改进，以及和整机的优化匹配。换热器长时间运行后，会出现性能衰减的问题，从而导致空调器的能效降低，因此换热器在长期运行条件下能否保持高效的换热性能也是技术发展的重要方向。

翅片管式换热器是目前应用最广泛的换热器型式，其中管子采用铜管，翅片采用铝片。家用空调器的蒸发器和冷凝器基本上均采用翅片管式换热器，该型式换热器每年的产量达到数亿套。目前翅片管式换热器的主要研究进展是紧凑化，即采用小管径铜管。小管径换热器具有更高的换热系数和更低的制造成本，有利于提高空调器的整机性能。近年来，小管径换热器的优化设计、制造工艺、实际应用等方面研究进展很大，使得小管径空调占据超过20%的空调器市场。

鉴于制冷空调产品中换热器的重要性，作者拟采用系列论文的形式，介绍相关技术进展。本文作为其中的第一篇，介绍小管径翅片管式换热器技术的进展。

翅片管式换热器紧凑化的一个主要方法，是采用较小管径铜管（通常≤5mm）的换热器替代现有换热器中直径较大的铜管。我国房间空调器开始批量生产时，换热管的外径大多为9.52mm或者更大；后续通过努力，将主流的管子外径下降到7mm。进一步将管径下降至5mm及以下，则带来新的好处和挑战。制冷空调行业中，将管子外径为5mm及以下的换热器称为小管径换热器。

换热管细径化的好处是很明显的。减小该类型换热器中的换热管直径，能够明显减少铜的消耗量，有效地降低换热器成本^[1]。若将管径由9.52mm缩小为5mm， 单位管长铜管的表面积减少47.4%。这就意味着，即使铜管的厚度不变，单位管长的铜用量减少47.4%。实际上，由于耐压强度的增加，铜管的壁厚减薄，铜材的减少量可达62.9%。由于铜管的成本占换热器材料成本的80%以上^[2]，这就意味着采用更小管径，换热器的材料成本可以降低50%以上。

由于换热器管径的缩小，房间空调器应用管径更小的铜管后，能够明显降低制冷剂的充注量。例如，将管径由9.52mm缩小为5mm，则换热器的内容积可以缩小75.4%。这就意味着管径减小后，系统的充注量仅为原来的25%^[3]。

充注量的减少可以直接减小制冷剂对于环境的影响。对于易燃型环保工质（如R290）的应用则更是起到极大的推动作用，因为充注量减少直接降低了采用可燃制冷剂的空调器的危险性。

减小空调器换热器中换热管的管径，带来的主要影响为：换热面积减少，但换热系数增加，换热量的增加与否取决于具体的工况；摩阻系数增大，制冷剂流动阻力加大，压降上升；蒸发器内蒸发温度下降，冷凝器内冷凝温度上升，进而影响系统效率。制冷剂侧换热系数的增大可以提高换热器的换热性能，但换热面积的减小和制冷剂沿程阻力损失的增大可以降低换热器的换热性能和系统的能效。下面是翅片管式换热器的细径化对空调整机性能的影响进行定性的结论：

（1）小管径铜管的换热器的传热系数比大管径铜管的换热器高10%以上^[2]，且其结构更加紧凑。

（2）在单冷系统中，冷凝器可以直接采用更小的管径换热器，不需要做其他优化，可以达到原系统的性能。

（3）单冷系统的蒸发器，冷暖系统的蒸发器和冷凝器，若采用更小的管径换热器，则必须对换热器的结构进行优化，减小换热器的压降，否者会导致系统的COP值和能力剧烈下降。

综合评估小管径对空调器换热器的影响，需要采用更细致的分析方法。对于每一款具体的制冷空调产品，为了在缩小换热管后达到最优的性能，需要专门优化。

换热铜管从胚料到成品的工艺流程主要包括：连铸-轧制-盘拉-退火，如图1所示。随着空调器产量及换热铜管需求不断地提升，换热铜管加工工艺的不够成熟、装备自动化及生产线集成控制水平低、产品质量不稳定、能耗大等问题逐渐被攻克。近年来，铜管加工工艺的进展主要包括：（1）采用新型水平连铸代替传统的半连铸^[4]；（2）采用新型高效四辊行星轧制技术代替传统的三辊行星轧制技术^[5]；（3）采用二联拉和在线连续退火技术解决传统盘拉工艺缺陷的问题^[6]。

图1 换热铜管加工工艺流程

传统管坯连铸生产设备采用周期性补充铜液方法，造成铸造炉液面高度不断变化，导致铸造压力波动，不仅缩短了铸造炉使用寿命，而且导致管坯气孔、缩孔等缺陷的增加和组织均匀性与稳定性的降低。等压水平连铸技术包括三腔结构铸造炉、铜液面位置在线检测与精确控制系统、计算机集成控制系统，解决了传统设备存在的技术难题。在此基础上，等压水平连铸技术通过连铸工艺参数优化，使连铸速度由250mm/min大幅提高到500mm/min。

传统的三辊行星轧制工艺不稳定，轧制速度小于12m/min，每套模具加工铜管小于50吨，产品缺陷多，成为制约铜管产能提升的主要技术瓶颈；三辊行星轧机难以生产直径60mm以上的铜管。四辊行星轧制技术采用轧辊轴热喷涂技术和配套的PLC控制系统，具有更快加工速率和更高的成材率。四辊行星轧制生产工艺技术实现了直径达130mm大口径高精度铜管的生产。轧辊轴热喷涂技术使得轧辊轴的寿命提高6倍；配套的PLC控制系统提高了轧机的自动化控制水平。

传统生产工艺将行星轧制后的软态管材直接进行盘拉加工，导致产品表面擦伤较为严重，易在后道工序中形成缺陷，同时还容易发生断管。二联拉工艺和在线退火技术是解决盘拉工艺缺陷的新型方案。在轧制和盘拉之间嵌入二联拉工艺，通过加工硬化显著提高了管材的强度和表面硬度，彻底解决了上述难题，管材质量和成材率得到大幅提高。盘拉产品连续在线连续退火技术和装备，退火速度显著提高，提高了退火效率和成材率，为后续精密内螺纹铜管的高效加工提供了技术保障。

翅片管式换热器的加工工艺流程包括：穿管-胀管-焊接-氦检等等，其中最重要的工艺为胀管。近年来，随着小管径换热器的应用，翅片管式换热器的制造加工技术进展包括：胀头结构创新，胀杆装置创新，U型管锁紧装置创新和新型胀管节能降耗技术。

传统胀管机胀管都是压胀的，使得铜管有弯曲变形的倾向，胀头在铜管里的阻力会增大，铜管外壁与翅片孔的摩擦力会增大，引起了铜管在胀管时的收缩率有非常明显的不一致，导致了铜管端口的高低不一致，造成不合格现象。新型的胀头结构应用于一种强制式胀管机中^[7]。采用该新型强制式胀管机胀管时，只有当胀头进入换热器20～50mm的这一区段内胀管方式和传统胀管是一样的，也是压胀，这时换热器有一个轻微的变形（铜管缩短了1mm左右）。其余部分胀管时两端都是夹紧的，铜管的受力由压力变为拉力，铜管在长度方向没有变形，而实际上是一种变薄拉伸的过程，在这一区段的胀管对铜管的各种缺陷、对胀管合格率影响变得很小，甚至可以说没有影响。所以用强制式胀管机在胀小管径换热器时可大大地扩大胀管长度范围，被加工工件不合格率几乎与换热器长度无关，不合格率一般稳定在0.3%以下。可以胀最小管径为Φ5mm，长度可达2000mm以上的换热器，技术上存在明显优势，能促使更多室外机换热器向Φ5mm管径转变。同时采用该技术胀制后的铜管会减薄3%，更有利于提升换热效果。

换热器的管件规格不尽相同，特别是具有高低差的换热器管件，所需胀杆的位置不尽相同。为了使具有高低差的管件与散热片紧密结合，避免产生松动，胀管机需要对换热器进行“高低胀”。传统胀管机采用相同长度规格的胀杆，无法实现“高低胀”。现有专利公开了一种胀杆装置，实现有高低差的换热器管件的胀管^[8]。该胀杆装置包括模座和安装在模座上的胀杆，胀杆装置包括并排设置的固定模座和至少一个可滑移模座，固定模座固定安装在胀管基座的最前端上，各可滑移模座可滑移并依次安装在胀管基座上，安装于不同模座上的胀杆长度不等，当固定模座和各个可滑移模座相互紧靠时，各胀杆能同时进入工件中进行胀管，可滑移模座上的胀杆在其胀管到位后与工件保持相对静止并随着可滑移模座滑移后退，而固定模座上的胀杆随着胀管基座的前进继续胀管直到胀管到位。本发明的优点在于采用不同长度规格的胀杆，既可保证胀杆同时进入工件，又可在相对较短工件胀管后不继续前进时避免穿破工件，提高管件加工精度和质量。

传统的U型管锁紧机构中，每一个U型管锁紧装置只能夹住一根U型管，加工效率比较低，无法满足日益增长的换热器的需求。现有专利公开了一种一次能夹住多根U型管、加工效率高的组合式U型管锁紧装置^[9]。该装置包括有基座，在基座的头部设有与U型管配合的高度不同的第一U型槽和第二U型槽，在基座上设有定位轴，在定位轴上铰接有第一夹块和第二夹块，且在第一、第二夹块头部分别设有与U型管配合的凹槽、在其尾部分别设有与Y轴倾斜并且倾斜方向相同的斜槽，在基座的尾部设有可推动第一、第二夹块绕着定位轴转动并可勾住U型管的推杆组件。使用该装置加工时，具有明显优势：一是可以同时锁紧两根或多根U型管；二是在推杆上套装有弹簧，将U型管装入基座的U型槽内后，左右夹块会自动闭合，可以直接进行胀管，节省工时，这既大大提高加工效率，又能保障夹持U形管的效果最佳化。 

传统胀管机一般采用液压驱动系统，往往造成设备总功率颇大，既耗费大量电能又浪费液压油资源。新型节能的胀管技术为全自动胀管机^[10]。该类型的胀管机采用伺服电机和变频马达及滚子丝杠副替代液压驱动，使设备总功耗由传统液压降低75%左右。项目设备总功率仅占传统液压胀管机的1/4，节省电能70%，另外还节省了液压油和冷却用水资源。同时结合采用PLC和数字化控制技术，使电动执行器信号传输速度更快，电动执行器的灵敏度、精度较高，污染源少，低噪音，成本较低，且控制精密；根据设定参数实现精确控制，在高精度传感器、计量装置、计算机技术支持下，能够大大超过其他控制方式能达到的控制精度。