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铜铝(或钢铝)复合柱翼型散热器技术研究

发布时间:2017/03/19

摘要 铜铝(或钢铝)复合柱翼型散热器是内铜(或钢)外铝的新型散热器,其容水部件为铜(或钢)管,管外的散热部件为铝合金翼型管。它充分发挥不同金属材料各自在搞腐蚀或易加工成形等方面的优点,能满足我国现代建筑对散热器的要求。本文将对该型散热器的相关技术问题作一探讨,对产品的基本构造和技术特点作必要的分析,并对工程选用要点作必要的阐述,为这一产品的工程设计选用和产品开发提供一些参考。

关键词 铜铝 复合 柱翼 散热器

1 概述
  
  我国是一个幅员辽阔、人口众多的发展中国家,建设任务巨大,年需采暖散热器约为3.0亿片,具有世界上得天独厚的巨大市场。几十年来,我国的散热器生产取得了很大的进展,改变了铸铁散热器一统天下的局面。但是,由于我国发展过程中一些自身条件的局限性,虽然在采暖热媒方面推行了集中热水供暖,但热媒本身的水质、含氧量及失水(补水)量却难以有效地控制,热媒水的含氧量过高是导致钢制散热器腐蚀的主要因素,当然还有材料、加工、维护等方面的原因。以薄钢板为原料制造的散热器腐蚀问题最为严重。其后出现的铝合金散热器,虽有较强的搞氧腐蚀能力,但抗感性腐蚀能力差,适于Ph=5~8.5的供暖水质中使用。但供暖水质多是取决于钢制锅炉的水质标准,Ph=10~12(换热器系统水的Ph=8.5)。所以在前些年中铝制散热器的碱性腐蚀问题也严重地暴露出来,致使散热器市场又回到以铸铁为主的状况。但是,时代是前进的,随着建筑标准和水平的提高,相应要求有适应配套的建筑设备,以及供热由福利制进入市场而成为商品,而计量和控制水平的提高领带于较精密的设备和仪表,这些都是目前生产的内腔粘砂过多的铸铁散热器难以适应的。基于上述情况,铜铝(或钢铝)散热器应运而生,其基本构造形式,一是横管结构的铜管铝片对流散热器,有条形、箱形及无外罩的闭式折边三种形式;另一是竖式柱翼型结构,以铜管(或钢管)为容水部件、而以铝合金翼型管为散热部件组合而成的铜铝(或钢铝)复合柱翼型散热器。后者以其安全可靠、轻薄美新的姿态问世后非常引人注目,并且以其自身的潜质,预计将成为新世纪我国在量发展的新品种,成为有中国特色的代表性产品。
  
2 铜铝(或钢铝)复合柱翼型散热器的基本构造及技术分析
  
  2.1 基本构造
  如图1所示:1、2分别为上、下联箱,为较大口径的薄壁铜管或标准钢管(按水口焊接要求尺寸选定,G3/4水口时联箱直径可选用DN40),两端分别焊进、出水管口(5、6)(水口内管螺纹一般用G3/4,也有G1)及排气阀座(7);。为通水立管,为较小口径的薄壁铜管或标准钢管(一般DN15~25),其上、下两端分别下上、下联箱(1、2)焊接;4为铝制散热翼管,与立管(3)套装后胀接,达到两者紧密结合,保证传热良好。一组散热器的柱数按订货要求决定。组焊完毕后经试压、表面处理(喷漆或喷塑)和包装后出厂。
              
图1 构造示意图
  
  从图1可以看出,本产品的容积水部件为1、2、3(主件)及5、6、7(配件),当为铜铝结构时这些部件均为铜质;当为钢铝结构时,这些部件相应为钢质(碳钢或不锈钢)
  
  2.2 技术分析
  2.2.1 耐腐蚀能力:
  目前,对散热器使用寿命的基本要求是等同于采暖系统所用焊接钢管的使用寿命。对于铜铝结构的散热器而言,由于容水部件全为铜材,其耐腐蚀能力大大高于钢材,可以适应常见的各类供暖水质的要求,按GB50050-95《工业循环冷却水处理设计规范》的要求,"碳钢管壁的年腐蚀率应小于0.125mm/a,铜、铜合金及不锈钢管壁的年腐蚀率应小于0.005 mm/a",可以看出,铜管的耐蚀率为碳钢管的25倍,亦即壁厚为0.5mm的铜管其耐腐蚀年限即相当于12.5mm壁厚的钢管,显然能满足前述的散热器使用年限的要求。不锈钢结构的散热器也能达到这样的效果(参见本文4.1节)。
  对于钢铝结构的散热器,其所用钢管有标准的普通焊接钢管及普通无缝钢管两种。前者最小壁厚为2.7mm,管材本身就是采暖系统所用的管材;后者在选用时可选用壁厚2.5mm以上的管材,基本等同于普通焊接钢管的壁厚,也可以保证散热器的使用年限要求。
  2.2.2 承压能力:由于该型产品的容水部件(即承压部件)均为标准的铜管或钢管,按相应国家标准的规定,生产散热器所用的管材,其出厂试验压力增可达到2.0MPa以上(详见本文第4.1节),而散热器的工作压力一般定为1.0 MPa,试验压力1.5 MPa。所以只要能保证焊接质量,就能保证整个散热器的承压要求,能够安全使用。
  2.2.3 热工性能:本型散热器的散热功能基本由铝制翼型管承担,上下联箱占较少部分。可以充分发挥铝合金易挤压成形的优点,根据热工及美观造型要求,加工成各种开头及尺寸,然后通过与铜(或钢)立管的胀接,达到紧密结合,减小热阻,保证传热良好。
  2.2.4 使用情况:该型产品的内、外表面光洁,对内不会造成热媒水的污染或含砂,有利于精密度较高的设备和仪表的正常工作;对外可提高产品的美观程度和档次。且其散热器宽度可大大减小。综合说业,可以达到"安全可靠、轻薄美新"的基本要求。
3 铝制翼形散热管的管形分析
  
  3.1 基本要求:该散热器所用铝合金翼形管的管型,与已有的铝制散热器基本相同。但由于内衬铜管(或钢管)及胀管的需要,翼型管的内孔(立柱)只能采用圆形,不宜用矩形,形成圆形管柱外设翅片的形式。圆管柱内径必须与内衬管管材有合理的配合公差,既能保证串管时没有困难,又要保证内衬管的胀管量不是太大。一般的胀管量在0.4~0.6mm的范围内,且能使铝翼管微胀,达到紧密结合。铝翼形管的断面形状及翅片设置,要符合下述基本要求。
  3.1.1 圆形管柱内孔直径须与所用衬管(铜管或钢管)配合。
  3.1.2 断面尺寸的宽度决定了整个散热器的厚度,应与上下联箱的尺寸结合考虑,保证散热器存放、运输、使用时翼片不受操作。翼管断面的长度决定了组成散热器时的柱距(片长),应考虑到工程选用的方便及散热器选用时散热量配片级差的要求。
  3.1.3 翼管外设翅片的高度(具体翅片外沿到中心管壁的距离)不要太大,以不超过60mm为宜,保证合理的传热温差(具有最佳数值需要深入研究)。多个翅片的设置要充分满足强化传热的要求,保证热气流畅通以及清扫的可能。翅片外端不能尖锐,最好作成"T"形,以防人体碰伤。
  3.1.4 翅片及中心圆形管柱的壁厚应尽可能薄,以节省材料。希望翅片的厚度为0.5~0.6mm,以使散热器的金属热强度达到较高水平,这对今后的发展是有利的。
  3.2 断面形状:铝制翼管的管形,大致分开式、闭式、混合式三种。图2列出了几种管形的示意图。
  "a"为闭式结构,优点是以翅片形成自然对流的空气通道,利用烟囱效应增强换热效果。"b"为开式结构,优点是通过加大换热面积增加单柱散热器的散热量,同时也可取得较高的金属热强度、节省材料。"c"为混合式结构。它综合闭式与开式的某些特点,形成在造型、热工及安装使用各方面有自己特点的翼管断面形状。
  对于翼管断面尺寸的控制,翼形管断面尺寸中的B亦即为散热器的厚度,参照已有铝制散热器标准的要求,一般为50~60mm;片长L(亦等于两片散热器的中心距)的取值要考虑两片组合间隙,并且为了选用及安装的方面,凡是取整数(cm)。
  如图2所示:L=L1+C,L1为铝翼管横断面的长度;C为组合间隙,一般为5~10mm。基于翼管加工、热工及已有各种散热器的尺寸情况,片长L多在60~100mm的范围。铝翼形管的设置高度,主考虑立管(3)与上、下联箱(1、2)焊接的方便及空气流通的畅顺。铝翼管上、下两端面分别与上、下联箱外沿的距离,一般为10~15mm。对于顶部设装饰罩的产品,装饰罩的设计要保证热工要求,使气流通顺、不降低散热效果。
           
图2 铝制翼形管管形示意图
(a)闭式;(b)形式;(c)混合式
  
4 铜铝(或钢铝)柱翼型散热器的承压能力及热工性能
  
  4.1 强度:由于该型散热器的容水部件主要是标准铜管或钢管,对应本类散热器制造时常用的管材规格,按标准规定的出厂试验压力均可超过散热器的承压要求。所以,只要严格按标准选定管材,就能保证散热器的承压能力,只要把焊接质量搞好即可。钢铝结构的散热器所用的变通焊接钢管、冷轧无缝风管及不锈钢出厂试验压力见表1;对于铜铝结构的产品,其所用的紫铜管,代号为T2,T3。上、下联箱由于钻孔的需要,须用硬质铜管(以Y表示):立水道用半硬质铜管(以Y2表示),一般可由铜管厂定尺供货。壁厚根据预定的管子直径及工作压力按表2及表3选定。
  
               几种标准钢管的技术参数                    

表1
普通焊接钢管
冷却无缝钢管
冷却不锈钢无缝管
DN
外径
(mm)
壁厚
(mm)
单重
(kg/m)
外径
壁厚
单重
外径
壁厚范围
散热器用壁厚范围
Mm
In
10
3/8
17.0
2.25
0.82
14
2.0
0.59
15
0.5~3.5
0.5~1.5
15
1/2
21.3
2.75
1.26
22
2.5
1.20
17
0.5~4.0
0.5~1.5
20
3/4
26.8
2.75
1.63
27
2.5
1.51
22
0.5~4.5
0.5~1.5
25
1
33.5
3.25
2.42
32
2.5
1.82
27
0.5~6.0
0.5~1.5
32
1.25
42.3
3.25
3.13
38
3.0
2.69
34
0.5~7.0
0.5~2.0
40
1.5
48.0
3.5
3.84
45
3.0
3.11
45
0.5~7.0
0.5~2.0
50
2
60.0
3.5
4.88
57
3.0
4.00
50
0.5~9.0
0.5~2.0
 1.壁厚偏差-15%~12% 
 2.出厂水压试验2.0MPa
出厂试验压力 P=20S·t/E(MPa) D为外径,mm, t壁厚,mm,s为屈服点强度的60%[如为10号钢则R=0.6×3.4=2.04(MPa)]
出厂试验压力P=20S·t/E(MPa) S为允许应力,取钢号搞拉强度的40%。T为壁厚,mm
            散热器常用铜管的技术标准
           (摘自GB/T1527-1997,铜及铜合金拉制管)                  表2
牌号
状态
外径(mm)
壁厚(mm)
液压试验压力(MPa)T2、T3
TP2、TP2
硬(Y)
3~360
0.5~10

D为外径(mm),t为壁厚(mm),
S为允许应力(纯铜为41.2MPa)
半硬(Y2)
3~100
0.5~10
软(M)
3~360
0.5~10

           常用铜管出厂试验压力计算值(MPa)
           (按表2所列公式计算得出)                         表3
外径
(mm)
壁厚
(mm)
 
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
10
4.29
5.19
6.11
 
 
 
 
16
2.64
3.19
3.74
 
 
 
 
19
2.22
2.67
3.13
 
 
 
 
22
1.91
2.30
2.69
 
 
 
 
25
1.67
2.02
2.36
2.71
 
 
 
27
1.55
1.86
2.18
2.50
 
 
 
41
 
 
1.43
1.63
1.84
2.05
2.26
43
 
 
1.36
1.56
1.75
1.95
2.15
45
 
 
1.30
1.19
1.67
1.86
2.05
46
 
 
1.27
1.45
1.64
1.82
2.10

  4.2 热工计算
  这里所说的热工计算,是采用经验的传热系数法,目的是作产品分析时参考。由于计算中所用传热系数的数值是根据经验及参考类似的其他产品而设定的,所以必然有较大的误差。产品的真实热工性能,一定要采用有关标准规定的标准试验台测试数值。
  热工计算是以设定的产品图纸为依据进行的,内容包括散热量及金属热强度。
4.2.1 散热面积(F)计算:包括上、下联箱、铝翼管(按翅片的两面计算面积)及立水管的裸露部分,求出三者全部的外露面积,即为散热面积,单位为m2。
  4.2.2 单片散热量(Q)计算:按经验计算公式进行(此数只能供概略分析使用)。

       Q=K•F•Δt(W/片)

  式中:Q----单片散热量,W/片;
     F----单片总散热面积,按前述计算,m2;
     Δt----标准传热温差。按我国散热器有关标准规定,  =64.5℃;
     K----传热系数,为经验估计数值。根据构造相近的散热器及相关研究成果设定。
     本型散热器的传热系数数值多在4.5~5.5的范围内,翅片面积较小者取大值,翅片面积较大者取小值。
  单片散热量的大小,目前无严格限制。就图2所示的单圆形管柱的产品而言,一柱的散热量实际上不可能达到很大的数值。而对产品是否达到标准的判断,只能按名义散热量。
  参照我国即将实施的铝制散热器行业标准,本型产品在送热工试验台检测时,也应按送检片的组合长度为1000+100mm进行,这是因为单片的片长难以统一。也就是送检长度在900~1100mm的范围内,一般只要大于或等于900 mm即可。测得的散热量再按长度折算为长度为1000 mm时的名义散热量,以此与国家标准规定的名义散热量数值进行对比,看是否满足了标准的要求。本产品的散热量,以此与国家标准规定的名义散热数值进行对比,看是否满足了标准的要求。本产品的散热量、外形尺寸等与铝制柱翼型散热器相同的内容,均应参照铝制柱翼型散热器标准执行。至于样本的编制及工程选用仍可以单柱散热为基础进行(即为实测的整组散热量数值按送检片柱数的平均值)。不同接管中心距的产品,其长度为1000 mm时的名义散热量可近似的参考表四数值。
  据此估计一柱(或称片)的单片散热量可能在90~160W的范围内,标准对单柱散热量无严格要求,但必须要保证名义散热量达标,名义散热量的计算公式为:
     
  单片散热量的计算公式为
     
  式中:Q名义----送检片折算为长度为1000时的散热量,W/m;
     Q实测----送检片(实长在1000±100范围内)实测的散热量,W/组;
     L实测----送检片实际的外形长度,mm;
     n----送检片实际的片数(或柱数)(片);
     Q片----按整组实测数值折算的单片(或称单柱)的散热器量,W/片。
  
           铝制柱翼型散热器的名义散热器(JG143-2002)                

 项目
符号
单位
参数值
 同侧进出口中心距
H
mm
300
400
500
600
700
 散热器高度
H
mm
340
440
540
640
740
 散热器宽度
B
mm
50/60
 组合长度
L
Mm
400~200
 名义散热量
 (L=1000mm,Δt=64.5℃)
Q名义
W/m
800/850
1070/1140
1280/1360
1450/1520
1600/1680

  注:散热量参数值一栏中斜线左侧为宽度B=50的数值,右侧为B=60的数值   
  4.2.3 单片散热器重量(Gd)计算:计量时需将铜(或钢)管与铝翼管分别计算。前者可查铜(或钢)管的技术标准(最好是实物称重);后者可根据计算面积(不是前述的散热面积,因为翼片的散热面积是计算了内外两面的数值)、翼片(及圆形管)设计厚度及金属密度求出。铝合金的密度为2.7g/cm3;紫铜为8.5 g/cm3;碳钢为7.8 g/cm3。一般在上述计算的基础上另加10%的其他重(包括组合时应分担的配件重量及计算误差等)。
  4.2.4 金属热强度(q)计算:进行本项计算的目的是大致分析和判断所设计的产品在同类产品中的热工技术水平和金属耗量的多少。其依据是在保证容积水部件的承压能力和使用要求及采取强化传热措施进行设计个性后的最终产品设计图。金属热强度的物理意义为单位重量的金属在温差为1℃时的标准散热量,其计算公式为。
      
  式中Gd为单片散热器重量,单位为(kg/片);其余符号同前。根据已有产品的情况,铜铝复合柱翼型散热器的金属热强度大致为2.2~2.6W/(kg•℃);钢铝结构柱翼型散热器约为1.4~1.8 W/(kg•℃)。随着铝翼管管形的进一步研究和优化,上述数值还有可能更高一些。
  4.3 经济分析:即按选用产品的实测散热量和实销价格,求出单位散热量的热价格(元/W)。可以10片为一组样本进行计算,最后取平均值,得出单片的价格。最后再按测得的标准散热量求出本产品的热价格。目前铜铝柱翼型散热器的热价格大至为0.3元/W上下,与铝合金散热器大致相当或略高一点;高于一般的钢制散热器(一般为0.2元/W上下),但低于外企或进口的钢制散热器产品。
  
5 工程选用注意事项
  
  5.1 铜铝复合柱翼型散热器,实为铜骨铝貌,通水部件全为铜管,能适应我国常用供暖水质。生产厂重点把好焊接关就可保证长年使用,工程设计可以放心的选用。
  5.2 应注意厂家提供的产品样本所列的散热量是否与送检样口测试报告相条例,并要注意产品顶部装饰罩对散热量的影响。往往出现在送检测时是无罩,而使用有时有罩,其散热量会有差别。还要注意其名义散热是否能达到国家建工行业标准的要求。厂家在标准测试台测试报告的基础上,自行增加散热量并编制样本的作法是不恰当的。
  5.3 产品的水流阻力,目前多数厂家的样本中未能提供,今后可要求厂家或有关部门提供相应数值。由于铜墙铁壁管内壁光滑,其实际水流阻力不会大于已有的钢板或钢管柱型散热器,可作暂时的参考。
  5.4 本产品是轻型、薄壁产品,安装时要仔细。不能象铸铁散热器那粗放式安装,要不能上人登踏。由于本产品轻美
观,无需加罩暗装。
  以上所述,借以与同行探讨,并为这一产品的推广提供一些技术支持。通过共同努力,使运一适合我国国情、耐蚀耐用、生产无污染、热工性能优良、能够称得上是"安全可靠、轻薄美新"的产品,能推广生产为建筑提供优良的供暖设备,成为新世纪中的新一代产品,摆脱长期困扰我们的困难局面,即能促进我国采暖散热器行业的发展,又能保证建设工程质量,用户安居乐业,为我国建设事业的发展做出应有的贡献。
  
参考文献
  
  1 牟灵泉,宋为民,牟冬,再谈住宅供暖散热器的开发,暖通空调,2001年第4期。
  2 牟灵泉,宋萌,我国住宅适用的铜铝散热器。
  第十一届全国暖通空调技术信息网论文集。北京:中国建筑工业出版社,2000
  3 牟灵泉,我国轻型散热器的发展。中国暖通空调制冷关键词•技术篇,北京:中国建筑工业出版社,2002。

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