压花齿内外螺纹管的传热性能研究

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【摘　要】采用Φ12.7压花齿内外螺纹管，优化水冷冷凝器传热铜管加工工艺，强化铜管换热效果。提高机组的水冷冷凝器的换热能力，使商用空调机组达到节材、高效的目的。

【关键词】Φ12.7压花齿内外螺纹管；节约材料；强化传热性能

随着世界能源的日益紧张，原材料的价格不断攀升。对于空调设备制造厂家来说，无疑是一个严峻的问题。从2008年铜管价格由41500元/吨升高至现在75000元/吨，为了减少铜材的使用量，降低机组的生产成本，提高机组的市场竞争力，各个厂家想尽了各种办法，而其中小管径，薄管壁便是其中一种非常有效的办法。目前国内家用空调的内螺纹管管径主要有12.7mm，9.52mm，7.94mm，7mm，6.35mm和5mm等几种规格，其中9.52mm与7mm应用最为普遍。我司水冷商用空调机组的水冷冷凝器均采用自制的Φ15.88外螺纹换热管，若能在不影响换热能力的前提下，改用Φ12.7自制压花齿内外螺纹管，那将可以减少铜管的耗材，对于降低生产成本，带来的经济效益是非常可观的。

１．经济可行性分析

为分析铜材的使用量，选取了常规10匹机组，以及36匹机组用的水冷冷凝器，对比两种规格的铜材消耗表。为保守估计，不考虑使用小管径、薄管壁带来的换热强化效果，使用小管径、薄管壁12.7mm压花齿内外螺纹管后，铜材能够节省约21.45%,随着铜材价格的进一步提高以及单元机销售量的增加，带来的经济效益会更加可观。并且考虑上使用小管径、薄管壁之后带来的换热效果强化，铜材的消耗还有可能会进一步减少。

2.技术可行性分析

2.1换热性能分析

按传热学的知识，采用小管径、薄壁厚的换热管，管外冷凝换热系数能够提高，而由于使用小管径后水的流速得到了提高，水侧的换热系数也得到了提高，因此总体的换热系数是能够保证的。另外，一般的换热铜管为外螺纹铜管，由于铜管管径的缩小，新Φ12.7压花齿内外螺纹管将采用内外螺纹加工方式，以提高传热铜管的换热效率。

2.2水阻分析

由于管内水流速增加，会带来水侧阻力的增加，但目前单元机的水冷冷凝器的水侧流速一般都在1.5m/s以下，据ASHRAE HANBOOK介绍，一般水的流速都会控制在2～3m/s，因为过高的水流速，会造成对换热管的冲蚀。若采用Ф12.7的压花齿内外螺纹管后，水流速会增加约25％，粗略估计水阻和水流速的平方成正比，采用12.7后水阻约为＝25X1.25^2=39kPa,已据查阅ASHRAE HANBOOK手册，水冷冷凝器的水侧的阻力损失要求不大于70kPa，这和大部分的标书要求是一致的，因此该值还是在允许范围之内的。

2.3换热管壁厚问题

底壁厚越薄传热效果越好，但底壁厚过薄会削弱管材的强度以及齿的稳定性。设计厚度δd＝计算厚度δt＋腐蚀裕量C＝0.3048＋0.2＝0.5048mm，通过控制模具，能够将壁厚控制在0.55－0.65之间，同时能够保证外螺纹的参数。

3.换热管的加工参数

传热铜管影响换热效果的关键参数涉及：底壁厚、齿高 、螺旋角、齿顶角、齿数（螺纹数）、槽底宽、润周长。

齿高是影响传热的重要因素，增加齿高会使内表面换热面积和刺破液膜能力增加，内螺纹管传热效果增强，但齿高的增大受加工技术的限制。

螺旋角的存在是为了使流体旋转，使管道中流体产生与径向不同的二次流，增加湍流的强度，从而使对流换热得到加强，换热系数随之增加，所以螺旋角增大能增强换热系数，但随着螺旋角的增大，压力损失也随之增加，故螺旋角也不是越大越好。

齿顶角小，有利于增加内表面换热面积，减薄冷凝传热的液膜厚度，增加蒸发传热的汽化核心，但齿顶角过小，则内螺纹管齿的抗胀管强度过小，齿高在胀管后被压低的程度及齿型的变形量增加会引起传热效率减低，因此在保证齿的抗胀管强度的前提下，内螺纹管的齿顶角尽可能小些。

增加齿数即螺纹条数能够增加汽化核心的数目，有利于沸腾换热举措，增加内表面换热面积。但是齿数增加过多，会使齿间距过小，反而减弱了管内流体的被搅拌强度，且加大了齿间液膜厚度，增大了热阻，而降低了换热能力。

槽底宽尺寸大有利于传热，但槽底宽尺寸过大，胀管后齿高被压低的程度及齿型的变形量增加，传热效率将降低，因此在保证抗胀管强度的前提下，槽底宽大些好。

由上述关系可知，调整金属肋齿顶角，高度，槽底宽度等齿型参数，使滑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。

4.测试数据分析

4.1整机测试数据分析

《GBT17758-1999单元式空气调节机标准》要求水冷单元式空调机在名义工况下，30℃进水温度，保证出水5℃测试机组性能参数。而2011年2月新发表《GB/T 17758-2010 单元式空气调节机》要求水冷单元式空调机在名义工况下，30℃进水温度，保证水流量0.215m3/(h·kW)。由于Φ15.88换热管水冷单元机是在旧国标的名义工况下测试所得，为确保测试数据的可对比性，Φ12.7换热管水冷单元机测试按《GBT17758-1999单元式空气调节机标准》要求测试。

采用Φ12.7压花齿内外螺纹管的水冷凝器的换热效果比传统的Φ15.88外螺纹换热管好，在蒸发温度一定的情况下，冷凝温度得以降低，提高机组的制冷效果。实验验证，采用Φ12.7压花齿内外螺纹管在性能上满足机组换热性能要求，且能提高机组整体制冷能力。

4.2冷凝器换热性能测试数据分析

作为换热器，换热系数和阻力是评价其性能的重要指标，换热器结构一定，换热系数也就一定，由表6中L32的测试数据，可以得到Ф15.88的管壳式换热器的换热为3965.8 w/m2·℃，新的采用Ф12.7压花齿内外螺纹管的冷凝器的换热系数为3999.98w/m2·℃。即Ф12.7压花齿内外螺纹管换热效果比旧款Ф15.88铜管好。

至于水阻力方面，使用Φ15.88传热铜管时，冷凝器水侧流通面积为1.0275X10-2m2,使用Φ12.7压花齿内外螺纹管后,冷凝器水侧，流通面积为8.633X10-3m2,根据阻力和流速的平房成正比,在相同的冷凝负荷下，样机的水侧阻力约为35kPa左右。根据ASHRAE HANBOOK手册，水冷冷凝器的水侧的阻力损失要求不大于70kPa，因此该值还是在允许范围之内的。

5.结论

采用Φ12.7压花齿内外螺纹管的冷凝器不但减少铜的耗材，而且Φ12.7压花齿内外螺纹管的换热效果比旧款Φ15.88传热铜管优越，整体上提高机组的能效系数，做到节能环保要求。若要更好发挥其换热效果，对其加工工艺及参数要更进一步探讨。

【参考文献】

［１］杨光耀.薄壁内螺纹无缝铜盘管的研究及生产[J].江苏科技信息,1999，5：11-12.

［２］汪厚泰.高效空调换热器内螺纹铜管的研究及应用[J].制冷与空调,2010,10(4)：7-34.