鋁管蒸發(fā)器替代銅管蒸發(fā)器在空調(diào)上的可行性分析

仲明凱 聶源基

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

0 引言

銅管換熱器具有較高的熱傳導(dǎo)率、較強(qiáng)的耐腐蝕性以及較好的延展性和加工性能，被當(dāng)前國內(nèi)的空調(diào)行業(yè)廣泛使用。由于換熱器是空調(diào)機(jī)組的關(guān)鍵器件，其成本占整機(jī)成本的25%以上，而銅管換熱器成本構(gòu)成中，銅的占比超過70%。因此行業(yè)內(nèi)通過縮小銅管管徑的方法來降低成本[1]，但隨著當(dāng)前銅價(jià)的增高，利潤空間被進(jìn)一步壓縮，可能會使空調(diào)行業(yè)發(fā)展受到制約[2,3]。

目前歐美市場均有高能效鋁管換熱器空調(diào)產(chǎn)品，日本和韓國空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)的鋁管換熱器也處在產(chǎn)業(yè)化階段[4]。迫于成本壓力，國內(nèi)空調(diào)廠商開始通過以鋁代銅的方式來降低管路原材料的成本，從而提高產(chǎn)品的市場競爭力[5]。但由于在潮濕的戶外空氣環(huán)境中容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，為保證空調(diào)的長期運(yùn)行性能，室外側(cè)的換熱器以及易腐蝕地區(qū)不推薦使用銅鋁復(fù)合管[6]，因此本文僅針對室內(nèi)側(cè)的蒸發(fā)器進(jìn)行分析，并從物理性能、耐壓、耐腐蝕和成本四個(gè)方面來闡述空調(diào)蒸發(fā)器管路材料由鋁管替代銅管的可行性。

1 鋁代銅的可行性分析

1.1 銅、鋁材料物理性能對比

通過廠家反饋以及測試得到，銅、鋁材料物理性能對比如表1所示。鋁管米克重系數(shù)遠(yuǎn)低于銅管，因此使用鋁管蒸發(fā)器可以減小蒸發(fā)器和空調(diào)整機(jī)的重量，符合空調(diào)輕量化的開發(fā)方向。機(jī)械性能方面，鋁管抗拉強(qiáng)度雖然明顯弱于銅管，但是具有更好的屈服強(qiáng)度，而且結(jié)合蒸發(fā)器工作的實(shí)際情況，抗拉強(qiáng)度的減弱，并不影響其使用性能。鋁管的導(dǎo)熱系數(shù)不到銅的一半，然而陳劍波等[7]在空調(diào)冷凝器中以鋁管替代銅管的研究發(fā)現(xiàn)兩者的換熱量無明顯差異，因此針對蒸發(fā)器進(jìn)行測試，結(jié)果也表明相同規(guī)格的銅、鋁管蒸發(fā)器性能差值并不大，換熱效率差值在1%以內(nèi)，實(shí)際對比數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 銅、鋁材料物理性能對比

表2 出口北美窗式空調(diào)器某機(jī)型對比

因此，通過對比同管徑的銅、鋁管蒸發(fā)器，鋁管蒸發(fā)器具備空調(diào)輕量化發(fā)展的基礎(chǔ)以及換熱效率與銅管蒸發(fā)器相近，并且屈服強(qiáng)度比銅管更高，更易于加工制作。

1.2 鋁管蒸發(fā)器的耐壓性能

從換熱性能角度考慮，管壁的厚度越薄則換熱效果越好，但在實(shí)際使用中，壁厚過薄會導(dǎo)致耐壓強(qiáng)度不足，無法達(dá)到制冷系統(tǒng)的耐壓性要求，因此蒸發(fā)器管路的壁厚需要參照經(jīng)驗(yàn)值以及通過系統(tǒng)壓力、水壓壓力來進(jìn)行計(jì)算，最終設(shè)計(jì)所選取的壁厚能滿足蒸發(fā)器的耐壓性能。

目前蒸發(fā)器的壁厚主要通過靜水水壓試驗(yàn)的壓力反推出管壁中空圓柱體承受的張力從而得到壁厚值。參考GB/T 18033-2007《無縫銅水管和銅氣管》標(biāo)準(zhǔn)，靜水水壓試驗(yàn)的計(jì)算公式為：

其中：P為最大工作壓力，單位為MPa；S為材料的允許應(yīng)力，單位為MPa；t為管材壁厚，單位為mm；D為管材外徑，單位為mm；Pt為試驗(yàn)壓力，單位為MPa；n為安全系數(shù)。

對3003合金鋁管進(jìn)行計(jì)算，Pt取19 MPa，S取46 MPa，D取φ7 mm，n取2.7，可得合金鋁管的壁厚t應(yīng)大于0.5 mm。因此，目前市場上的成熟產(chǎn)品中，3003合金鋁光管的規(guī)格常選用φ7×0.6 mm或者φ7×1 mm，以滿足管壁厚以及耐壓性能要求。

1.3 鋁管蒸發(fā)器的耐腐蝕性能

鋁和氧的親和力很強(qiáng)，因此鋁在空氣中極易氧化，氧化后的鋁表面會生成極薄、致密的氧化膜，從而保護(hù)鋁材內(nèi)部免受腐蝕，因此鋁在空氣和淡水中的耐腐蝕性是比較強(qiáng)的。通過圖1所示的純鋁電位-pH表可知，在水溶液中，當(dāng)電極電位在-1.66 V以下時(shí)，鋁位于免蝕區(qū)，不發(fā)生腐蝕。在免蝕區(qū)以上，有腐蝕區(qū)和鈍化區(qū)，這與介質(zhì)的pH有關(guān)。當(dāng)pH位于4.5～8.5之間時(shí)，鋁處于鈍化區(qū)，此時(shí)鋁的表面會生成鈍化膜，使鋁具有很好的耐蝕性；而當(dāng)pH＜4.5時(shí)，為酸性腐蝕區(qū)，當(dāng)pH＞8.5時(shí)，為堿性腐蝕區(qū)。因此，鋁蒸發(fā)器在使用過程中，需要避免暴露在強(qiáng)酸或者強(qiáng)堿性環(huán)境中。

圖1 純鋁電位-pH表

1.3.1 自然放置的耐腐蝕性能

為對比銅、鋁管蒸發(fā)器的防腐能力，進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。圖2所示為自然條件下（干球溫度35℃，濕球溫度24℃）放置60天后鋁管與銅管蒸發(fā)器的差異。

圖2 自然放置60天外觀差異對比

圖3所示為焊點(diǎn)差異對比，鋁管焊接處有輕微白粉，無明顯腐蝕痕跡；銅管焊點(diǎn)位置輕微均勻腐蝕異常，各焊點(diǎn)飽滿無泄漏。

圖3 焊點(diǎn)差異對比

1.3.2 保壓鹽霧試驗(yàn)

通過進(jìn)行保壓鹽霧試驗(yàn)，以模擬鹽霧環(huán)境條件來進(jìn)一步對比銅、鋁管蒸發(fā)器的防腐能力，其試驗(yàn)條件如表3所示。

表3 蒸發(fā)器保壓鹽霧試驗(yàn)條件

通過對蒸發(fā)器進(jìn)行噴霧試驗(yàn)，得到表4所示的銅、鋁蒸發(fā)器保壓鹽霧試驗(yàn)相關(guān)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在600 h的試驗(yàn)條件中，銅、鋁管均沒有產(chǎn)生泄漏，滿足耐腐性能。圖4所示為鋁管蒸發(fā)器保壓鹽霧試驗(yàn)的實(shí)物現(xiàn)象。

表4 銅、鋁蒸發(fā)器保壓鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

圖4 鋁管蒸發(fā)器保壓鹽霧試驗(yàn)的實(shí)物現(xiàn)象

1.3.3 鋁管蒸發(fā)器增加防腐漆后的防腐性能

為驗(yàn)證鋁管蒸發(fā)器在酸性條件下增加防腐漆后對其防腐能力的影響，進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)處理如表5所示。

表5 銅、鋁管蒸發(fā)器在酸性條件防腐的試驗(yàn)處理

圖5所示為銅、鋁管蒸發(fā)器酸性鹽霧條件下對比有無防腐漆的實(shí)物現(xiàn)象。其中樣品1中鋁管涂防腐漆，試驗(yàn)結(jié)果為彎頭處、U管底部、喇叭口處、翅片包裹處表面均無腐蝕痕跡，如圖5 a)所示。樣品2中鋁管未涂防腐漆，在鋁管蒸發(fā)器部件進(jìn)行酸性煙霧試驗(yàn)后，對其彎頭處、翅片包裹處進(jìn)行金相分析，分析結(jié)果為其表面已產(chǎn)生較深的點(diǎn)蝕坑，腐蝕深度分別為129 μm和125 μm。對其漏點(diǎn)處進(jìn)行金相分析，鋁管表面發(fā)生“皮下型”點(diǎn)蝕繼而穿孔引發(fā)泄漏，如圖5 b)所示。樣品3中銅管未涂防腐漆，未經(jīng)防腐處理的銅器樣件的彎頭表面及U管表面僅發(fā)生輕微腐蝕，翅片包裹處銅管未見腐蝕痕跡，如圖5 c)所示。

圖5 銅、鋁管蒸發(fā)器保壓鹽霧試驗(yàn)的實(shí)物現(xiàn)象

因此，在酸性條件下，鋁管蒸發(fā)器可通過噴涂防腐漆增強(qiáng)其防腐能力。

1.4 銅、鋁蒸發(fā)器成本對比

以出口北美的某款窗式空調(diào)器為例，表6為原銅管蒸發(fā)器和替換為鋁管蒸發(fā)器后長U管的成本差異。可見在滿足同等性能的條件下，長U管的成本降低78%。但由于使用鋁管蒸發(fā)器，蒸發(fā)器進(jìn)出管需采用銅、鋁連接管，配管有所提升，因此經(jīng)過核算，銅、鋁蒸發(fā)器最終成本差異在11.86元，蒸發(fā)器成本降低約30%。

表6 銅、鋁蒸發(fā)器中長U管的成本差異

2 鋁管蒸發(fā)器設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 鋁管蒸發(fā)器邊板選型及設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)銅管蒸發(fā)器的邊板主要使用熱鍍鋅板，其主要材質(zhì)為鐵。而在鋁管蒸發(fā)器上，由于鐵與鋁接觸時(shí)，因鋁鐵電位差發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，會造成鋁管腐蝕，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生制冷劑泄漏的情況，因此鋁管蒸發(fā)器邊板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使用與鋁屬性相同的材料。

空調(diào)行業(yè)中管翅式鋁管換熱器中鋁管材質(zhì)一般選用3系A(chǔ)l-Mn合金[8]，因此為防止鋁管腐蝕，鋁邊板的材料通常選用1060純鋁或者3003合金鋁，表7所示為GB/T 3190-2008中的1060純鋁和3003合金鋁的化學(xué)成分對比，其中3003鋁合金由于其化學(xué)成分中Mn含量較高，且具有更強(qiáng)的耐腐蝕性，以及更優(yōu)的機(jī)械性能，使得在實(shí)際使用中，鋁管蒸發(fā)器的邊板材質(zhì)通常選用3003鋁合金。

表7 1060純鋁和3003合金鋁的化學(xué)成分對比

但是鋁材熔點(diǎn)約630°C，鋁釬焊料熔點(diǎn)約560°C～580°C，兩者差值小，在焊接彎頭時(shí)容易燒壞邊板，因此鋁邊板的折邊需設(shè)計(jì)成朝向翅片，以此避免過火，同時(shí)也降低生產(chǎn)焊接的難度，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，鋁管蒸發(fā)器如圖6所示。

圖6 鋁管蒸發(fā)器

2.2 鋁管蒸發(fā)器流路設(shè)計(jì)

由于鋁管熔點(diǎn)較低的特性，鋁管蒸發(fā)器設(shè)計(jì)時(shí)不能照搬銅管蒸發(fā)器，需要注意如下幾點(diǎn)：

（1）排數(shù)：鋁管蒸發(fā)器彎頭焊接時(shí)采用自動焊接線生產(chǎn)，設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量保證彎頭受熱均勻，這樣焊接質(zhì)量才能統(tǒng)一，因此蒸發(fā)器的排數(shù)推薦兩排，最多三排。超過三排時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)外側(cè)彎頭受熱嚴(yán)重不均，容易發(fā)生外側(cè)彎頭燒毀而內(nèi)側(cè)彎頭焊料還未熔化或者外側(cè)彎頭已焊接牢固而內(nèi)側(cè)彎頭焊料仍未熔化的焊接缺陷。

（2）流路：受限于鋁管焊接工藝，鋁管蒸發(fā)器流路設(shè)計(jì)盡量避免抽管設(shè)計(jì)，確保彎頭焊接時(shí)受熱均勻，否則抽管位置的彎頭容易過熱。同時(shí)流路設(shè)計(jì)盡量減少進(jìn)出掛管數(shù)（推薦一進(jìn)一出），以免手工焊點(diǎn)過多影響生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

（3）管徑：由于受鋁管耐壓性能的影響，相同規(guī)格的鋁管的壁厚要大于銅管的壁厚，使得其內(nèi)部容積也小于銅管，因此為保證制冷劑的流通順暢，鋁管管徑推薦使用φ7及以上管徑，不推薦φ5管徑兩器。

2.3 鋁管蒸發(fā)器防腐

鋁管在酸度和堿度較高環(huán)境下容易被腐蝕，因此在設(shè)計(jì)上要避免鋁管接觸到這兩類物料。結(jié)合售后數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)室研究測試，空調(diào)常用的海綿在水中會釋放酸根離子，在鋁管、海綿、水三者長期接觸后，鋁管容易發(fā)生腐蝕，因此在空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)需要將鋁管與海綿隔離。

2.4 鋁管蒸發(fā)器銅、鋁連接管設(shè)計(jì)

銅、鋁管連接一般采用電阻焊、熔接焊、摩擦焊、釬焊等連接方法。但熔接焊、摩擦焊、釬焊由于焊接工藝的特性，焊接時(shí)容易產(chǎn)生氣孔等缺陷且同時(shí)焊接難度較大。而電阻焊成本低且可靠性較高，因此考慮綜合成本、可靠性等因素，優(yōu)先選用電阻焊工藝。設(shè)計(jì)銅、鋁連接管時(shí)，需要考慮如下要點(diǎn)：

（1）銅、鋁管需使用管徑相同或者銅管管徑略小于鋁管的規(guī)格，以便于銅管插入鋁管中實(shí)施焊接；

（2）為進(jìn)一步防漏，銅、鋁連接部分需增加熱縮套管進(jìn)行防護(hù)，熱縮套管距離管口焊點(diǎn)尺寸推薦≥55 mm，以防止二次受熱，影響密封效果。

3 結(jié)論

本文通過對銅管蒸發(fā)器和鋁管蒸發(fā)器在物理性能、耐壓、耐腐蝕和成本等方面進(jìn)行了綜合試驗(yàn)評估。經(jīng)過試驗(yàn)測試，結(jié)果表明：

（1）對比同管徑的銅、鋁管蒸發(fā)器，鋁管蒸發(fā)器具備空調(diào)輕量化發(fā)展的基礎(chǔ)以及換熱效率與銅管蒸發(fā)器相近；

（2）從耐壓要求上，鋁管的壁厚應(yīng)大于0.5 mm，以滿足管壁厚和耐壓性能要求；

（3）在使用過程中為減少腐蝕需要避免暴露在強(qiáng)酸或者強(qiáng)堿性環(huán)境中，但可通過在蒸發(fā)器兩端噴涂防腐漆增強(qiáng)其在酸性環(huán)境下的防腐能力；

（4）以某出口北美窗機(jī)為例驗(yàn)證鋁管蒸發(fā)器成本相對銅管蒸發(fā)器可降低約30%；

（5）通過對鋁管蒸發(fā)器的邊板材料、流路和管路等進(jìn)行了分析表明，邊板材料需避免采用鐵，且應(yīng)采用與鋁屬性相同的材料，以防止鋁鐵發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)；同時(shí)由于鋁管熔點(diǎn)低的特性以及需滿足耐壓性能要求，鋁管蒸發(fā)器排數(shù)推薦使用兩排、流路則使用一進(jìn)一出的方式以及管徑優(yōu)選φ7及以上管徑。

但國內(nèi)目前對于鋁管蒸發(fā)器的相關(guān)工藝尚未完全成熟，需在生產(chǎn)中嚴(yán)格控制生產(chǎn)工藝，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，因此后續(xù)仍需提升鋁管蒸發(fā)器制造工藝以提高鋁管蒸發(fā)器的使用壽命和性能等。