空调制冷行业铝制换热器发展存在的问题及对策
摘要：分析了铝制换热器在行业中的发展过程及存在的问题,指出了与铜材料换热器相比,铝制换热器在腐蚀性、焊接性和导热性上存在的问题,提出了相应的技术措施,为铝制散热器在暖通制冷空调行业中的推广应用提供有益的建议。
关键词：铝制换热器;腐蚀性;焊接性;导热性
1 引言
随着人类社会的不断发展,人们的生活水平逐步提高,对环境舒适度的要求也相应随之的提高,因此空调及其他制冷设备的使用和普及程度在快速地增长。然而伴随着以金属材料制造为主的空调及其他制冷设备的大幅生产,资源匮乏的问题也逐渐显现出来,尤其是铜作为当前空调领域内换热器的主要生产材料,其消耗量甚为巨大。早在2001年国土资源部资料就显示,我国的铜金属资源储量只有1 670万t,人均储量不到世界平均水平的1/2。20世纪90年代以来,我国国民经济的飞速发展,铜金属消费也保持着较快的增长速度,自1999年开始,年平均增长在15%以上,至2002年中国的精铜消费量已经超过美国而成为世界精铜消费第一大国,并且仍然保持快速增长［1］。铝金属在物理性质及化学性质方面与铜金属有很多相似之处,我国的铝资源丰富、市场价格相对便宜,将作为制造空调制冷设备换热器用的铜金属材料改用铝金属材料来替代,是一项有着十分意义的研究,既可以降低空调制冷设备生产成本,同时也能够节约我国的铜材料资源,将宝贵的铜材料用到国家最需要的行业和产业之中。但是,当前在空调换热器制造中用铝质材料完全取代铜质材料还存在着各种技术难题,为使其能够在空调产业得到充分的发展,生产铝制换热器过程中所存在的技术问题亟待解决。
2 铝制换热器的发展历程
虽然我国家用空调行业中的“铝代铜”技术尚处于开发研制阶段,但在汽车空调等其他领域,其技术已经相对成熟,并已得到广泛的应用。早在20世纪50年代,国际上就开展了对全铝热交换器的研究,1959年国际汽车展览会上曾展出装车行驶了10万km的全铝水箱。到60年代,已开始了大规模的研究,用传统的浸焊法,至少生产了几十万只全铝水箱,并且投入了使用实验。虽然由于各方面原因导致这些研究没有能够最终完成,但是却使人们对全铝热交换器有了新的认识,积累了丰富的经验,包括工艺、腐蚀和维修等许多方面,为以后的研究打下了基础［2］。
1967年美国发明了铝的无钎剂钎焊技术,即在不以水为介质的热交换器上推广应用,开创了汽车全铝热交换器的研制,美国的通用、福特、以及克莱斯勒等汽车公司都采用了全铝蒸发器。制造这种全铝蒸发器用的连续或半连续式真空钎焊炉技术也相继诞生。与此同时,法国索菲卡公司研究出了铝制机械装配式水箱和暖风散热器,并大量投入市场。这种结构的水箱占据了当时欧洲水箱市场的15%、暖气散热器市场的50%。近年来,国外对全铝热交换器的防蚀问题研究,取得了一定的进展［2］。
我国从20世纪60年代开始进行全铝水箱研究,20世纪70年代后期开始真空钎焊研究。90年代初开始在业界生产全铝换热器。近年来我国引进了数条轿车生产线,建立了多家全铝换热器生产厂,许多全铝换热器生产线是成套引进,达到90年代的先进水平,显示出我国全铝换热器制造业起步虽晚,但起点较高［3］。
较早在空调设备上替代全铜材料的是铜铝连接管,具有代表性的是山东海青的产品。目前这种铜铝连接管已经在海信、海尔、格力、志高、奥克斯、新科等多数空调企业的产品上批量选用,主要集中在1~1.5P的小机型上［4］。
2007年江苏一家公司曾自主研发一种铜铝复合管,该管换热效率极高,且成功地实现了铜铝之间的冶金结合,单管“能效比”要比原铜管高出392%,实际应用中“能效比”也提高5%以上,同时减少铜消耗80%。该项目技术水平均达到国际先进和领先水平,产品规模化生产后可替代进口并扩大出口［5］。而相对于全铝空调热交换器,目前缺少该类产品的研究资料和技术成熟产品报道。
陈利曾在2008年利用北京奥泰华制冷设备有限公司生产的铝管铝片式换热器做理论换热分析计算,认为当铜管被换为相同外径的铝管时,尽管两种换热管的管壁导热率相差很大,但通过对比计算,得到两种材料的换热器在传热系数及换热量上铝管较之铜管仅减少3.9%。理论分析的结果显示,只要在换热器生产中严格控制生产工艺,保证产品质量,以铝代替铜生产换热器在空调行业具有可行性［6］。
3 存在的问题
按照换热器所用的材料类型不同,目前国内家用空调铝换热器的研究主要集中纯铝圆管、合金铝圆管、合金铝扁管、纯铝口琴管和内螺纹铜铝复合管等［7］。因铝金属和铜金属在物理性质及化学性质上的不同,铝材料与材料铜相比,在抗腐蚀性、焊接性、导热性及抗压性性方面上尚有差距。
3.1 腐蚀性
对于纯铝换热器而言,由于纯铝具有较强的氧化性,因此其在空气中能够快速反应而形成致密的氧化膜,从而保护铝不被进一步氧化腐蚀。但在环境条件比较恶劣的情况下,特别是在空气常年潮湿且富含氯离子的环境中,氧化膜极易被穿透,最终引起小孔腐蚀或其它类型腐蚀,且腐蚀速度很快［8］。而对于采用铜铝复合管的换热器,由于铝的活性很强、电位很低,而铜的氧化较差、电位较高,当两者混合使用即采用铜铝复合管时极易产生电化学腐蚀。这种腐蚀所产生的危害主要表现在换热器本身的使用寿命缩短,铝材宜腐蚀泄漏且腐蚀产物附着于换热表面引起污垢热阻,在一定程度上降低了换热器的效率,同时腐蚀产物脱落引起管路堵塞和流道变窄,造成泵的功耗增加和运动部件的磨损［9］。
3.2 焊接性
焊接性能、技术水平成为推广铝制换热器的最大难点之一。目前换热器管焊接大都采用手动火焰钎焊,由于铝管的焊接性能较铜管差,焊点泄漏严重,大批量生产的可行性及长期使用可靠性有待进一步验证。而对于铜铝复合管,应采用熔点很低的钎料,焊接过程中如温度控制不好,在管内极易形成焊瘤,对系统的可靠性具有较大的隐患［7］。
3.3 导热性
相比于铜材料,铝材料本身的导热率就低,且铝制换热器在使用一段时间后,灰尘、油污、水垢、工作介质等很容易在其表面形成污垢,这些污垢除了对铝材具有腐蚀性以外,同时还会形成较大的热阻,严重影响了换热器的传热效果［10］,因此如何清洗铝制换热器中所沉积的污垢,是提高铝制换热器耐腐蚀性及导热性的重要措施之一。
4 对策与建议
铝制换热器与铜换热器相比,存在着耐腐蚀性弱、导热性能差、受环境变化影响大等缺点,在一定程度上制约了其在空调行业中的发展,根据铝制换热器的特点,在前人研究的基础上,提出相应的技术措施建议,推进铝制换热器的在暖通制冷行业中的应用。
(1)由于纯铝管耐腐蚀性不很理想,一旦发生局部点蚀,点蚀的扩展速度很快,从而引起较大面积的腐蚀,而合金铝管在这方面却有着独特的优点,通过实验研究在制造散热器的铝材料中加入少量镁和锰等元素,改善散热器的耐蚀性,提高其强度及抗压性。当换热器采用铜铝复合管时,为防止其发生电化学腐蚀,需要优化换热器所处的环境,保持换热器周围空气的干燥;对于换热器中的冷却水尽量选用纯净水,以避免水中丰富的离子加速铜铝换热器的腐蚀。
(2)脉冲半自动MIG焊具有焊接位置适应性强,焊接热量输入控制准确的特点［11］,因此在换热器制作过程中所用的焊接,采用脉冲半自动MIG焊,能解决在手动焊接过程中因控制不稳而引起的焊接问题。
(3)针对铝制换热器易于结垢的特点,选用的清洗剂也需要具有除污垢反应快,清洗时间短,且不需加热的特点,以选用无机酸为宜。无机酸能溶解碳酸钙、氧化铁等垢层,但由于酸对铝具有一定的腐蚀性,因此在配置的清洗剂中应添加缓饰剂,同时为了加快其溶解污垢的速度,还应添加适量的助剂［12］。
4 结语
铝制换热器是一种体积小、重量轻、性能高、造价低的装置,虽然与铜管换热器相比在性能及使用寿命上存在少许的差距,但随着技术的进步及制造工艺的不断提高,铝制换热器取代铜在空调行业已是社会发展的必然趋势,针对铝制散热器本身的特殊性和缺陷性,提出若干改进措施,为铝制散热器在暖通制冷空调行业中的推广应用提供有益的建议。
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