銅鋁(或鋼鋁)復合柱翼型散熱器技術(shù)研究

1、銅鋁(或鋼鋁)復合柱翼型散熱器技術(shù)研究摘要 銅鋁(或鋼鋁)復合柱翼型散熱器是內(nèi)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(fā)揮不同金屬材料各自在搞腐蝕或易加工成形等方面的優(yōu)點，能滿足我國現(xiàn)代建筑對散熱器的要求。本文將對該型散熱器的相關(guān)技術(shù)問題作一探討，對產(chǎn)品的基本構(gòu)造和技術(shù)特點作必要的分析，并工程選用要點作必要的闡述，為這一產(chǎn)品的工程設計選用和產(chǎn)品開發(fā)提供一些參考。關(guān)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(fā)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(chǎn)取得了

2、很大的進展，改變了鑄鐵散熱器一統(tǒng)天下的局面。但是，由于我國發(fā)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(zhì)、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(xiàn)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=58.5的供暖水質(zhì)中使用。但供暖水質(zhì)多是取決于鋼制鍋爐的水質(zhì)標準，Ph=1012（換熱器系統(tǒng)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

3、。便是，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(lǐng)帶于較精密的設備和儀表，這些都是目前生產(chǎn)的內(nèi)腔粘砂過多的鑄鐵散熱器難以適應的?；谏鲜銮闆r，銅鋁（或鋼鋁）散熱器應運而生，其基本構(gòu)造形式，一是橫管結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(tài)問世后非常引人注目，并且以其自身的潛質(zhì)，預計將成為新世紀我國在量發(fā)展的新品種，成為有中國特色的代表性

4、產(chǎn)品。2 銅鋁（或鋼鋁）復合柱翼型散熱器的基本構(gòu)造及技術(shù)分析21 基本構(gòu)造如圖1所示：1、2分別為上、下聯(lián)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(lián)箱直徑可選用DN40），兩端分別焊進、出水管口（5、6）（水口內(nèi)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DN1525），其上、下兩端分別下上、下聯(lián)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(jié)合，保證傳熱良好。一組散熱器的柱數(shù)按訂貨要求決定。組焊完畢后經(jīng)試壓、表面處理（噴漆或噴塑）和包裝后出廠。圖1構(gòu)造示意圖從圖1可以看出，本產(chǎn)

5、品的容積水部件為1、2、3（主件）及5、6、7（配件），當為銅鋁結(jié)構(gòu)時這些部件均為銅質(zhì)；當為鋼鋁結(jié)構(gòu)時，這些部件相應為鋼質(zhì)（碳鋼或不銹鋼）22 技術(shù)分析221 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(tǒng)所用焊接鋼管的使用壽命。對于銅鋁結(jié)構(gòu)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(zhì)的要求，按GB50050-95工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)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1

6、2.5mm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(jié)構(gòu)的散熱器也能達到這樣的效果（參見本文4.1節(jié)）。對于鋼鋁結(jié)構(gòu)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(tǒng)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。222 承壓能力：由于該型產(chǎn)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(guī)定，生產(chǎn)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(jié)），而散熱器的工作壓力一般定為1.0 MPa，試驗壓力1.5 MPa

7、。所以只要能保證焊接質(zhì)量，就能保證整個散熱器的承壓要求，能夠安全使用。223 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(lián)箱占較少部分?？梢猿浞职l(fā)揮鋁合金易擠壓成形的優(yōu)點，根據(jù)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(jié)合，減小熱阻，保證傳熱良好。224 使用情況：該型產(chǎn)品的內(nèi)、外表面光潔，對內(nèi)不會造成熱媒水的污染或含砂，有利于精密度較高的設備和儀表的正常工作；對外可提高產(chǎn)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(yè)，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31 基本要求：該散熱器所用鋁合金翼形管的管型，

8、與已有的鋁制散熱器基本相同。但由于內(nèi)襯銅管（或鋼管）及脹管的需要，翼型管的內(nèi)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(nèi)徑必須與內(nèi)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(nèi)襯管的脹管量不是太大。一般的脹管量在0.40.6mm的范圍內(nèi)，且能使鋁翼管微脹，達到緊密結(jié)合。鋁翼形管的斷面形狀及翅片設置，要符合下述基本要求。311 圓形管柱內(nèi)孔直徑須與所用襯管（銅管或鋼管）配合。312 斷面尺寸的寬度決定了整個散熱器的厚度，應與上下聯(lián)箱的尺寸結(jié)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

9、方便及散熱器選用時散熱量配片級差的要求。313 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(shù)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。314 翅片及中心圓形管柱的壁厚應盡可能薄，以節(jié)省材料。希望翅片的厚度為0.50.6mm，以使散熱器的金屬熱強度達到較高水平，這對今后的發(fā)展是有利的。32 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(jié)構(gòu)，優(yōu)點是以翅片形成自然對流的空氣通道，利用煙囪效應增強

10、換熱效果。b為開式結(jié)構(gòu)，優(yōu)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(jié)省材料。c為混合式結(jié)構(gòu)。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5060mm；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(shù)（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510mm。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60100mm的范圍。鋁翼形

11、管的設置高度，主考慮立管（3）與上、下聯(lián)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(lián)箱外沿的距離，一般為1015mm。對于頂部設裝飾罩的產(chǎn)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(guī)格，按標準規(guī)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(zhì)量搞好即可。鋼鋁結(jié)構(gòu)的散熱器所用的變通焊接鋼管、冷

12、軋無縫風管及不銹鋼出廠試驗壓力見表1；對于銅鋁結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，其所用的紫銅管，代號為T2，T3。上、下聯(lián)箱由于鉆孔的需要，須用硬質(zhì)銅管（以Y表示）：立水道用半硬質(zhì)銅管（以Y2表示），一般可由銅管廠定尺供貨。壁厚根據(jù)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(shù)參數(shù)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MmIn103/817.02.250.82142.00.59150.53.50.51.5151/221.32.751.26222.51.20170.54.00.51.5203/426.82.751

13、.63272.51.51220.54.50.51.525133.53.252.42322.51.82270.56.00.51.5321.2542.33.253.13383.02.69340.57.00.52.0401.548.03.53.84453.03.11450.57.00.52.050260.03.54.88573.04.00500.59.00.52.01壁厚偏差-15%12% 2出廠水壓試驗2.0MPa 出廠試驗壓力 P=20St/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=0.63.4=2.04(MPa) 出廠試驗壓力P=20St/E(MPa

14、) 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(shù)標準（摘自GB/T1527-1997，銅及銅合金拉制管）表2 牌號狀態(tài)外徑（mm）壁厚（mm）液壓試驗壓力（MPa）T2、T3TP2、TP2硬（Y）33600510D為外徑（mm），t為壁厚（mm），S為允許應力（純銅為41.2MPa）半硬（Y2）31000510軟（M）33600510常用銅管出廠試驗壓力計算值（MPa）（按表2所列公式計算得出）表3外徑（mm）壁厚（mm）0.50.60.70.80.91.01.1104.295.196.11162.643.193.74192.222.673.13221.912.302.69251.672.022.362.71271.551.862.182.50411.431.631.842.