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銅鋁(或鋼鋁)復合柱翼型散熱器技術研究

發布時間:2017/03/19

摘要 銅鋁(或鋼鋁)復合柱翼型散熱器是內銅(或鋼)外鋁的新型散熱器,其容水部件為銅(或鋼)管,管外的散熱部件為鋁合金翼型管。它充分發揮不同金屬材料各自在搞腐蝕或易加工成形等方面的優點,能滿足我國現代建筑對散熱器的要求。本文將對該型散熱器的相關技術問題作一探討,對產品的基本構造和技術特點作必要的分析,并對工程選用要點作必要的闡述,為這一產品的工程設計選用和產品開發提供一些參考。

關鍵詞 銅鋁 復合 柱翼 散熱器

1 概述
  
  我國是一個幅員遼闊、人口眾多的發展中國家,建設任務巨大,年需采暖散熱器約為3.0億片,具有世界上得天獨厚的巨大市場。幾十年來,我國的散熱器生產取得了很大的進展,改變了鑄鐵散熱器一統天下的局面。但是,由于我國發展過程中一些自身條件的局限性,雖然在采暖熱媒方面推行了集中熱水供暖,但熱媒本身的水質、含氧量及失水(補水)量卻難以有效地控制,熱媒水的含氧量過高是導致鋼制散熱器腐蝕的主要因素,當然還有材料、加工、維護等方面的原因。以薄鋼板為原料制造的散熱器腐蝕問題最為嚴重。其后出現的鋁合金散熱器,雖有較強的搞氧腐蝕能力,但抗感性腐蝕能力差,適于Ph=5~8.5的供暖水質中使用。但供暖水質多是取決于鋼制鍋爐的水質標準,Ph=10~12(換熱器系統水的Ph=8.5)。所以在前些年中鋁制散熱器的堿性腐蝕問題也嚴重地暴露出來,致使散熱器市場又回到以鑄鐵為主的狀況。但是,時代是前進的,隨著建筑標準和水平的提高,相應要求有適應配套的建筑設備,以及供熱由福利制進入市場而成為商品,而計量和控制水平的提高領帶于較夜恋秀场4站免费大厅入口的設備和儀表,這些都是目前生產的內腔粘砂過多的鑄鐵散熱器難以適應的。基于上述情況,銅鋁(或鋼鋁)散熱器應運而生,其基本構造形式,一是橫管結構的銅管鋁片對流散熱器,有條形、箱形及無外罩的閉式折邊三種形式;另一是豎式柱翼型結構,以銅管(或鋼管)為容水部件、而以鋁合金翼型管為散熱部件組合而成的銅鋁(或鋼鋁)復合柱翼型散熱器。后者以其安全可靠、輕薄美新的姿態問世后非常引人注目,并且以其自身的潛質,預計將成為新夜恋秀场4站免费大厅入口我國在量發展的新品種,成為有中國特色的代表性產品。
  
2 銅鋁(或鋼鋁)復合柱翼型散熱器的基本構造及技術分析
  
  2.1 基本構造
  如圖1所示:1、2分別為上、下聯箱,為較大口徑的薄壁銅管或標準鋼管(按水口焊接要求尺寸選定,G3/4水口時聯箱直徑可選用DN40),兩端分別焊進、出水管口(5、6)(水口內管螺紋一般用G3/4,也有G1)及排氣閥座(7);。為通水立管,為較小口徑的薄壁銅管或標準鋼管(一般DN15~25),其上、下兩端分別下上、下聯箱(1、2)焊接;4為鋁制散熱翼管,與立管(3)套裝后脹接,達到兩者緊密結合,保證傳熱良好。一組散熱器的柱數按訂貨要求決定。組焊完畢后經試壓、表面處理(噴漆或噴塑)和包裝后出廠。
              
圖1 構造示意圖
  
  從圖1可以看出,本產品的容積水部件為1、2、3(主件)及5、6、7(配件),當為銅鋁結構時這些部件均為銅質;當為鋼鋁結構時,這些部件相應為鋼質(碳鋼或不銹鋼)
  
  2.2 技術分析
  2.2.1 耐腐蝕能力:
  目前,對散熱器使用壽命的基本要求是等同于采暖系統所用焊接鋼管的使用壽命。對于銅鋁結構的散熱器而言,由于容水部件全為銅材,其耐腐蝕能力大大高于鋼材,可以適應常見的各類供暖水質的要求,按GB50050-95《工業循環冷卻水處理設計規范》的要求,"碳鋼管壁的年腐蝕率應小于0.125mm/a,銅、銅合金及不銹鋼管壁的年腐蝕率應小于0.005 mm/a",可以看出,銅管的耐蝕率為碳鋼管的25倍,亦即壁厚為0.5mm的銅管其耐腐蝕年限即相當于12.5mm壁厚的鋼管,顯然能滿足前述的散熱器使用年限的要求。不銹鋼結構的散熱器也能達到這樣的效果(參見本文4.1節)。
  對于鋼鋁結構的散熱器,其所用鋼管有標準的普通焊接鋼管及普通無縫鋼管兩種。前者最小壁厚為2.7mm,管材本身就是采暖系統所用的管材;后者在選用時可選用壁厚2.5mm以上的管材,基本等同于普通焊接鋼管的壁厚,也可以保證散熱器的使用年限要求。
  2.2.2 承壓能力:由于該型產品的容水部件(即承壓部件)均為標準的銅管或鋼管,按相應國家標準的規定,生產散熱器所用的管材,其出廠試驗壓力增可達到2.0MPa以上(詳見本文第4.1節),而散熱器的工作壓力一般定為1.0 MPa,試驗壓力1.5 MPa。所以只要能保證焊接質量,就能保證整個散熱器的承壓要求,能夠安全使用。
  2.2.3 熱工性能:本型散熱器的散熱功能基本由鋁制翼型管承擔,上下聯箱占較少部分。可以充分發揮鋁合金易擠壓成形的優點,根據熱工及美觀造型要求,加工成各種開頭及尺寸,然后通過與銅(或鋼)立管的脹接,達到緊密結合,減小熱阻,保證傳熱良好。
  2.2.4 使用情況:該型產品的內、外表面光潔,對內不會造成熱媒水的污染或含砂,有利于夜恋秀场4站免费大厅入口度較高的設備和儀表的正常工作;對外可提高產品的美觀程度和檔次。且其散熱器寬度可大大減小。綜合說業,可以達到"安全可靠、輕薄美新"的基本要求。
3 鋁制翼形散熱管的管形分析
  
  3.1 基本要求:該散熱器所用鋁合金翼形管的管型,與已有的鋁制散熱器基本相同。但由于內襯銅管(或鋼管)及脹管的需要,翼型管的內孔(立柱)只能采用圓形,不宜用矩形,形成圓形管柱外設翅片的形式。圓管柱內徑必須與內襯管管材有合理的配合公差,既能保證串管時沒有困難,又要保證內襯管的脹管量不是太大。一般的脹管量在0.4~0.6mm的范圍內,且能使鋁翼管微脹,達到緊密結合。鋁翼形管的斷面形狀及翅片設置,要符合下述基本要求。
  3.1.1 圓形管柱內孔直徑須與所用襯管(銅管或鋼管)配合。
  3.1.2 斷面尺寸的寬度決定了整個散熱器的厚度,應與上下聯箱的尺寸結合考慮,保證散熱器存放、運輸、使用時翼片不受操作。翼管斷面的長度決定了組成散熱器時的柱距(片長),應考慮到工程選用的方便及散熱器選用時散熱量配片級差的要求。
  3.1.3 翼管外設翅片的高度(具體翅片外沿到中心管壁的距離)不要太大,以不超過60mm為宜,保證合理的傳熱溫差(具有最佳數值需要深入研究)。多個翅片的設置要充分滿足強化傳熱的要求,保證熱氣流暢通以及清掃的可能。翅片外端不能尖銳,最好作成"T"形,以防人體碰傷。
  3.1.4 翅片及中心圓形管柱的壁厚應盡可能薄,以節省材料。希望翅片的厚度為0.5~0.6mm,以使散熱器的金屬熱強度達到較高水平,這對今后的發展是有利的。
  3.2 斷面形狀:鋁制翼管的管形,大致分開式、閉式、混合式三種。圖2列出了幾種管形的示意圖。
  "a"為閉式結構,優點是以翅片形成自然對流的空氣通道,利用煙囪效應增強換熱效果。"b"為開式結構,優點是通過加大換熱面積增加單柱散熱器的散熱量,同時也可取得較高的金屬熱強度、節省材料。"c"為混合式結構。它綜合閉式與開式的某些特點,形成在造型、熱工及安裝使用各方面有自己特點的翼管斷面形狀。
  對于翼管斷面尺寸的控制,翼形管斷面尺寸中的B亦即為散熱器的厚度,參照已有鋁制散熱器標準的要求,一般為50~60mm;片長L(亦等于兩片散熱器的中心距)的取值要考慮兩片組合間隙,并且為了選用及安裝的方面,凡是取整數(cm)。
  如圖2所示:L=L1+C,L1為鋁翼管橫斷面的長度;C為組合間隙,一般為5~10mm。基于翼管加工、熱工及已有各種散熱器的尺寸情況,片長L多在60~100mm的范圍。鋁翼形管的設置高度,主考慮立管(3)與上、下聯箱(1、2)焊接的方便及空氣流通的暢順。鋁翼管上、下兩端面分別與上、下聯箱外沿的距離,一般為10~15mm。對于頂部設裝飾罩的產品,裝飾罩的設計要保證熱工要求,使氣流通順、不降低散熱效果。
           
圖2 鋁制翼形管管形示意圖
(a)閉式;(b)形式;(c)混合式
  
4 銅鋁(或鋼鋁)柱翼型散熱器的承壓能力及熱工性能
  
  4.1 強度:由于該型散熱器的容水部件主要是標準銅管或鋼管,對應本類散熱器制造時常用的管材規格,按標準規定的出廠試驗壓力均可超過散熱器的承壓要求。所以,只要嚴格按標準選定管材,就能保證散熱器的承壓能力,只要把焊接質量搞好即可。鋼鋁結構的散熱器所用的變通焊接鋼管、冷軋無縫風管及不銹鋼出廠試驗壓力見表1;對于銅鋁結構的產品,其所用的紫銅管,代號為T2,T3。上、下聯箱由于鉆孔的需要,須用硬質銅管(以Y表示):立水道用半硬質銅管(以Y2表示),一般可由銅管廠定尺供貨。壁厚根據預定的管子直徑及工作壓力按表2及表3選定。
  
               幾種標準鋼管的技術參數                    

表1
普通焊接鋼管
冷卻無縫鋼管
冷卻不銹鋼無縫管
DN
外徑
(mm)
壁厚
(mm)
單重
(kg/m)
外徑
壁厚
單重
外徑
壁厚范圍
散熱器用壁厚范圍
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.出廠水壓試驗2.0MPa
出廠試驗壓力 P=20S·t/E(MPa) D為外徑,mm, t壁厚,mm,s為屈服點強度的60%[如為10號鋼則R=0.6×3.4=2.04(MPa)]
出廠試驗壓力P=20S·t/E(MPa) S為允許應力,取鋼號搞拉強度的40%。T為壁厚,mm
            散熱器常用銅管的技術標準
           (摘自GB/T1527-1997,銅及銅合金拉制管)                  表2
牌號
狀態
外徑(mm)
壁厚(mm)
液壓試驗壓力(MPa)T2、T3
TP2、TP2
硬(Y)
3~360
0.5~10

D為外徑(mm),t為壁厚(mm),
S為允許應力(純銅為41.2MPa)
半硬(Y2)
3~100
0.5~10
軟(M)
3~360
0.5~10

           常用銅管出廠試驗壓力值(MPa)
           (按表2所列公式得出)                         表3
外徑
(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 熱工計算
  這里所說的熱工計算,是采用經驗的傳熱系數法,目的是作產品分析時參考。由于計算中所用傳熱系數的數值是根據經驗及參考類似的其他產品而設定的,所以必然有較大的誤差。產品的真實熱工性能,一定要采用有關標準規定的標準試驗臺測試數值。
  熱工計算是以設定的產品圖紙為依據進行的,內容包括散熱量及金屬熱強度。
4.2.1 散熱面積(F)計算:包括上、下聯箱、鋁翼管(按翅片的兩面計算面積)及立水管的裸露部分,求出三者全部的外露面積,即為散熱面積,單位為m2。
  4.2.2 單片散熱量(Q)計算:按經驗計算公式進行(此數只能供概略分析使用)。

       Q=K•F•Δt(W/片)

  式中:Q----單片散熱量,W/片;
     F----單片總散熱面積,按前述計算,m2;
     Δt----標準傳熱溫差。按我國散熱器有關標準規定,  =64.5℃;
     K----傳熱系數,為經驗估計數值。根據構造相近的散熱器及相關研究成果設定。
     本型散熱器的傳熱系數數值多在4.5~5.5的范圍內,翅片面積較小者取大值,翅片面積較大者取小值。
  單片散熱量的大小,目前無嚴格限制。就圖2所示的單圓形管柱的產品而言,一柱的散熱量實際上不可能達到很大的數值。而對產品是否達到標準的判斷,只能按名義散熱量。
  參照我國即將實施的鋁制散熱器行業標準,本型產品在送熱工試驗臺檢測時,也應按送檢片的組合長度為1000+100mm進行,這是因為單片的片長難以統一。也就是送檢長度在900~1100mm的范圍內,一般只要大于或等于900 mm即可。測得的散熱量再按長度折算為長度為1000 mm時的名義散熱量,以此與國家標準規定的名義散熱量數值進行對比,看是否滿足了標準的要求。本產品的散熱量,以此與國家標準規定的名義散熱數值進行對比,看是否滿足了標準的要求。本產品的散熱量、外形尺寸等與鋁制柱翼型散熱器相同的內容,均應參照鋁制柱翼型散熱器標準執行。至于樣本的編制及工程選用仍可以單柱散熱為基礎進行(即為實測的整組散熱量數值按送檢片柱數的平均值)。不同接管中心距的產品,其長度為1000 mm時的名義散熱量可近似的參考表四數值。
  據此估計一柱(或稱片)的單片散熱量可能在90~160W的范圍內,標準對單柱散熱量無嚴格要求,但必須要保證名義散熱量達標,名義散熱量的計算公式為:
     
  單片散熱量的計算公式為
     
  式中:Q名義----送檢片折算為長度為1000時的散熱量,W/m;
     Q實測----送檢片(實長在1000±100范圍內)實測的散熱量,W/組;
     L實測----送檢片實際的外形長度,mm;
     n----送檢片實際的片數(或柱數)(片);
     Q片----按整組實測數值折算的單片(或稱單柱)的散熱器量,W/片。
  
           鋁制柱翼型散熱器的名義散熱器(JG143-2002)                

 項目
符號
單位
參數值
 同側進出口中心距
H
mm
300
400
500
600
700
 散熱器高度
H
mm
340
440
540
640
740
 散熱器寬度
B
mm
50/60
 組合長度
L
Mm
400~200
 名義散熱量
 (L=1000mm,Δt=64.5℃)
Q名義
W/m
800/850
1070/1140
1280/1360
1450/1520
1600/1680

  注:散熱量參數值一欄中斜線左側為寬度B=50的數值,右側為B=60的數值   
  4.2.3 單片散熱器重量(Gd)計算:計量時需將銅(或鋼)管與鋁翼管分別計算。前者可查銅(或鋼)管的技術標準(最好是實物稱重);后者可根據計算面積(不是前述的散熱面積,因為翼片的散熱面積是計算了內外兩面的數值)、翼片(及圓形管)設計厚度及金屬密度求出。鋁合金的密度為2.7g/cm3;紫銅為8.5 g/cm3;碳鋼為7.8 g/cm3。一般在上述計算的基礎上另加10%的其他重(包括組合時應分擔的配件重量及計算誤差等)。
  4.2.4 金屬熱強度(q)計算:進行本項計算的目的是大致分析和判斷所設計的產品在同類產品中的熱工技術水平和金屬耗量的多少。其依據是在保證容積水部件的承壓能力和使用要求及采取強化傳熱措施進行設計個性后的最終產品設計圖。金屬熱強度的物理意義為單位重量的金屬在溫差為1℃時的標準散熱量,其計算公式為。
      
  式中Gd為單片散熱器重量,單位為(kg/片);其余符號同前。根據已有產品的情況,銅鋁復合柱翼型散熱器的金屬熱強度大致為2.2~2.6W/(kg•℃);鋼鋁結構柱翼型散熱器約為1.4~1.8 W/(kg•℃)。隨著鋁翼管管形的進一步研究和優化,上述數值還有可能更高一些。
  4.3 經濟分析:即按選用產品的實測散熱量和實銷價格,求出單位散熱量的熱價格(元/W)。可以10片為一組樣本進行計算,最后取平均值,得出單片的價格。最后再按測得的標準散熱量求出本產品的熱價格。目前銅鋁柱翼型散熱器的熱價格大至為0.3元/W上下,與鋁合金散熱器大致相當或略高一點;高于一般的鋼制散熱器(一般為0.2元/W上下),但低于外企或進口的鋼制散熱器產品。
  
5 工程選用注意事項
  
  5.1 銅鋁復合柱翼型散熱器,實為銅骨鋁貌,通水部件全為銅管,能適應我國常用供暖水質。生產廠重點把好焊接關就可保證長年使用,工程設計可以放心的選用。
  5.2 應注意廠家提供的產品樣本所列的散熱量是否與送檢樣口測試報告相條例,并要注意產品頂部裝飾罩對散熱量的影響。往往出現在送檢測時是無罩,而使用有時有罩,其散熱量會有差別。還要注意其名義散熱是否能達到國家建工行業標準的要求。廠家在標準測試臺測試報告的基礎上,自行增加散熱量并編制樣本的作法是不恰當的。
  5.3 產品的水流阻力,目前多數廠家的樣本中未能提供,今后可要求廠家或有關部門提供相應數值。由于銅墻鐵壁管內壁光滑,其實際水流阻力不會大于已有的鋼板或鋼管柱型散熱器,可作暫時的參考。
  5.4 本產品是輕型、薄壁產品,安裝時要仔細。不能象鑄鐵散熱器那粗放式安裝,要不能上人登踏。由于本產品輕美
觀,無需加罩暗裝。
  以上所述,借以與同行探討,并為這一產品的推廣提供一些技術支持。通過共同努力,使運一適合我國國情、耐蝕耐用、生產無污染、熱工性能優良、能夠稱得上是"安全可靠、輕薄美新"的產品,能推廣生產為建筑提供優良的供暖設備,成為新夜恋秀场4站免费大厅入口中的新一代產品,擺脫長期困擾我們的困難局面,即能促進我國采暖散熱器行業的發展,又能保證夜恋秀场4站免费大厅入口建設工程質量,用戶安居樂業,為我國建設事業的發展做出應有的貢獻。
  
參考文獻
  
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  2 牟靈泉,宋萌,我國住宅適用的銅鋁散熱器。
  第十一屆全國暖通空調技術信息網論文集。北京:中國建筑工業出版社,2000
  3 牟靈泉,我國輕型散熱器的發展。中國暖通空調制冷關鍵詞•技術篇,北京:中國建筑工業出版社,2002。