技术：制冷空调内螺纹铜管应该如何设计？

1、锯齿形螺纹      

锯齿形螺纹是一种单向倾斜的非对称型螺纹 , 其齿型轮廓为三角形 , 且一个斜面略陡 , 另一个斜面略缓。齿顶、齿根一般为尖角过渡 , 少数采用圆角过渡 [1] 。    

锯齿形螺纹对流体具有 " 正向缓流、反向急流 " 的调制作用。流体沿缓斜面向下流动时 , 流速较慢 , 压力较小 , 易形成层流 ; 而沿陡斜面向上流动时 , 流速骤增 , 压力骤减 , 层流被破坏 , 产生局部紊流和二次旋流 [2] 。这种周期性的流态转换 , 可强化近壁面区域的掺混 , 从而减薄边界层 , 改善传热。    

此外 , 锯齿形螺纹还具有一定的泵送作用。齿面切向分力会对流体产生轴向推力 , 在重力作用下形成定向流动 , 有助于提高流体利用率 , 避免死水区的产生。    

2、三角形螺纹     

三角形螺纹是一种对称型螺纹 , 其齿型轮廓为等腰三角形 , 两个斜面倾角相同。齿顶、齿根多采用圆弧过渡 , 以减小应力集中 [3] 。    

三角形螺纹对流体具有 " 扰动 - 分离 - 再附 " 的强化传热机理。当流体流经螺纹凸起时 , 会受到扰动 , 产生旋流和二次流 , 边界层变薄 ; 继而在螺纹凹谷处 , 流体会出现分离 , 形成回流区和死水区 ; 而后 , 分离的流体会再次附着于下一个螺纹表面 , 边界层重新发展 [4] 。这种周而复始的流态变化 , 大大增加了流体的湍流度和扰动强度 , 强化了近壁区的热量传递。    

三角形螺纹的对称性还有助于减小流阻。两个斜面受到的切向分力大小相等、方向相反 , 轴向合力为零 , 因此压降增幅远小于非对称型螺纹。

 

3、梯形螺纹       

梯形螺纹是一种齿型介于锯齿形和三角形之间的过渡型螺纹 , 其齿型轮廓为不等腰梯形 , 两个斜面倾角不等 , 且倾角差异小于锯齿形螺纹 [5] 。    

梯形螺纹集合了锯齿形螺纹的定向泵送作用和三角形螺纹的湍流扰动作用 , 强化传热机理更加复杂。流体在缓斜面上有一定的层流停留时间 , 而在陡斜面上则发生掺混和紊动 , 兼具层流传热和湍流传热的特点。    

此外 , 梯形螺纹的过渡型设计 , 在一定程度上平衡了热阻和压阻的矛盾。其非对称性虽然会造成一定的压降 , 但同时也避免了完全对称时的传热盲区。    

1、影响传热的关键参数        

内螺纹铜管的传热强化效果与螺纹的几何参数密切相关。主要包括 :    

(1) 螺纹高度 : 是指齿顶到齿根的径向距离。螺纹高度越大 , 强化传热效果越明显 , 但也会带来更大的流阻。    

(2) 螺纹螺距 : 是指相邻两个螺纹齿的轴向距离。螺距越小 , 单位长度内的螺纹数量越多 , 湍流掺混更充分 , 但也会引起更频繁的流态变化。    

(3) 螺纹角度 : 是指螺纹斜面与轴线的夹角。角度越大 , 螺纹越陡峭 , 对流体的扰动越强 , 但压降也会更大 [6] 。    

(4) 螺纹齿型 : 不同的齿型对应不同的强化传热机理 , 如锯齿形注重泵送作用 , 三角形注重湍流扰动 , 梯形则介于二者之间。    

(5) 铜管直径 : 内螺纹铜管的内径一般在 5~16mm 之间 , 小径管强化效果更佳 , 但工艺难度和成本也更高。    

2、传热系数与流阻系数      

传热系数 (HTC) 和流阻系数 (FFC) 是评价强化传热管性能的两个关键指标。前者反映了管壁与流体之间的热量传递能力 , 后者反映了流体在管内流动时受到的阻力大小 [7] 。理想的强化传热管应该在大幅提升 HTC 的同时 , 尽可能控制 FFC 的增加。    

内螺纹铜管的 HTC 一般是光管的 2~5 倍。齿型参数的优化匹配 , 可使 HTC 提高 40% 以上。但与此同时 , 内螺纹铜管的 FFC 也要高出光管 50%~150%[8] 。因此 , 设计时需要在传热和流阻之间寻求平衡 , 避免片面追求强化倍数而带来过大的压降代价。

 

3、性能评价准则      

为了综合评判内螺纹铜管的强化传热效果 , 需要引入一些性能评价准则 , 将 HTC 和 FFC 关联起来考虑。

常用的准则有 :    

(1) 性能评价系数 (PEC): 定义为强化管与光管之间的努塞尔数 (Nu) 与流阻系数之比 ,PEC 越大 , 表明在相同流阻下 , 强化管的传热系数越高 [9] 。    

PEC=\frac{Nu_e/Nu_0}{(f_e/f_0)^{1/3}}    

其中 ,Nu_e 、 f_e 分别为强化管的努塞尔数和流阻系数 ,Nu_0 、 f_0 分别为光管的努塞尔数和流阻系数。    

(2) 热阻系数比 (RR): 定义为光管与强化管之间的总热阻之比 ,RR 越大 , 表明强化管的传热性能越优于光管 [10] 。    

RR=\frac{R_0}{R_e}=\frac{1/U_0}{1/U_e}    

其中 ,R_0 、 U_0 分别为光管的总热阻和总传热系数 ,R_e 、 U_e 分别为强化管的总热阻和总传热系数。    

(3) 等压降传热系数比 (HE): 定义为强化管与光管在相等压降时的对流传热系数之比 ,HE 越大 , 表明强化管的减阻效果越明显 [11] 。    

HE=\frac{h_e}{h_0}|_{\Delta p=const}    

其中 ,h_e 、 h_0 分别为强化管和光管的对流传热系数 ,\Delta p 为两者之间的压降差。    

内螺纹铜管的 PEC 一般在 2.5 之间 ,RR 在 1.5 之间 ,HE 在 1.3~2.0 之间。不同齿型和参数组合下 , 这些准则值会有所不同 , 需要具体问题具体分析。    

1、冷凝器中的应用设计       

冷凝器是制冷空调系统中的关键换热部件 , 其传热性能直接影响系统的能效水平。采用内螺纹铜管可有效强化冷凝传热 , 提高冷凝压力 , 减小压缩比功耗。    

冷凝器中的内螺纹铜管设计应重点考虑以下因素 :    

(1) 制冷工况 : 不同的冷凝温度对应不同的最佳齿型参数。如低温冷凝时 , 宜选择高度较小、角度较缓的锯齿形或梯形螺纹 , 避免过度的流动阻力 ; 而高温冷凝时 , 则宜选择高度较大、角度较陡的三角形螺纹 , 以获得更强的湍流扰动 [12] 。    

(2) 制冷剂种类 : 不同的制冷剂对螺纹齿型的适应性不同。如 R22 、 R134a 等传统制冷剂 , 与锯齿形、梯形螺纹匹配较好 ; 而 R410A 、 R32 等新型制冷剂 , 则与三角形螺纹更为契合 [13] 。    

(3) 冷凝器型式 : 不同的冷凝器对内螺纹铜管的布置方式有不同要求。如竖直式冷凝器 , 宜采用锯齿形螺纹 , 利用重力效应形成定向流动 ; 而卧式冷凝器 , 则宜采用三角形螺纹 , 减小流体的分层化倾向 [14] 。    

(4) 系统匹配性 : 内螺纹铜管改变了冷凝器的流阻特性 , 因此在系统设计时 , 需要重新匹配压缩机、节流装置等部件的选型和控制策略 , 确保系统的协调运行。

 

2、蒸发器中的应用设计         

蒸发器是制冷空调系统中的另一关键换热部件 , 其传热性能影响系统的制冷量和供冷品质。内螺纹铜管在蒸发器中的应用 , 可强化气液两相流动传热 , 提高蒸发温度 , 改善蒸发压力和比冷量。

蒸发器中的内螺纹铜管设计应把握以下要点 :    

(1) 蒸发工况 : 蒸发温度越低 , 气液密度差异越大 , 流态分层化越严重。因此低温蒸发时 , 宜选用锯齿形或梯形螺纹 , 利用其非对称性诱导气液掺混 ; 而高温蒸发时 , 则宜选用对称性较好的三角形螺纹 , 减小压降损失 [15] 。    

(2) 含油状况 : 蒸发器内往往残留一定量的润滑油 , 其在螺纹表面的吸附会恶化传热。因此含油量高时 , 宜选用高度较大、夹角较小的螺纹 , 以减少润滑油积聚 ; 含油量低时 , 则对螺纹形状的要求相对宽松 [16] 。    

(3) 分配器匹配 : 蒸发器常采用分配器将气液两相制冷剂均匀分配到多根并联盘管中。内螺纹铜管会影响盘管的压降特性 , 因此需要重新设计分配器的结构尺寸 , 优化其分配性能。    

(4) 系统调控 : 蒸发器出口过热度是制冷系统调控的重要参数。采用内螺纹铜管后 , 可适当降低过热度设定值 , 减少蒸发器的 " 过冷段 ", 提高制冷剂的蒸发利用率。    

1、切削加工        
切削加工是应用最早、最成熟的内螺纹铜管成型方法。其原理是利用螺纹切削刀具 , 在铜管内表面切出连续的螺旋槽 , 从而形成螺纹。具体工艺流程为 : 铣削倒角 - 退火 - 酸洗 - 涂油 - 单向拉伸 - 切削成型 - 清洗 - 检验 - 包装入库 [17] 。    

切削加工可形成锐利规则的螺纹轮廓 , 齿型精度高 , 强化效果好。但切削过程会产生大量切屑 , 增加清理难度 ; 且切削力和切削热较大 , 刀具易磨损 , 生产效率较低。因此 , 切削加工多用于小批量、高精度的螺纹制造。    

切削加工的关键工艺参数包括 : 刀具角度、切削速度、背吃刀量、切削液浓度等。

优化设计时应遵循以下原则 :    

(1) 刀具角度 : 前角越大 , 切削力越小 , 但前刀面易崩刃 ; 后角越大 , 摩擦力越小 , 但刀尖强度不足 [18] 。二者均以 40°~50° 为宜。    

(2) 切削速度 : 速度越快 , 加工效率越高 , 但振动噪声越大 ; 速度越慢 , 表面光洁度越好 , 但切屑易堵塞 [19] 。低碳钢和合金钢分别控制在 10 30m/min 和 30 50m/min 。    

(3) 背吃刀量 : 吃刀量越大 , 螺纹越深 , 但表面粗糙度越差 ; 吃刀量越小 , 刀具寿命越长 , 但加工周期延长 [20] 。背吃刀量一般为 0.1~0.3mm 。    

(4) 切削液浓度 : 浓度越高 , 冷却润滑效果越好 , 但泡沫量大 , 净化困难 ; 浓度越低 , 清洗方便 , 但易引起刀具烧伤 [21] 。水基切削液的体积浓度控制在 5%~10% 。    

2、滚压成型        
滚压成型是一种近年来发展较快的内螺纹铜管加工方法。其原理是利用滚轮与模具配合 , 在铜管内表面连续挤压出螺纹形貌 , 属于一种典型的塑性成型工艺。具体包括轧制、挤压、拔拉、整形等多个步骤 [22] 。    

与切削加工相比 , 滚压成型具有以下优势 : 无切屑产生 , 废料少 ; 加工力小 , 模具寿命长 ; 生产效率高 , 适合大规模生产 ; 螺纹根部呈光滑的圆弧过渡 , 应力集中小 , 疲劳强度高 [23] 。但滚压成型也存在一定局限 : 螺纹轮廓钝化 , 强化效果略逊 ; 内应力残留 , 回弹变形大 ; 模具制造精度要求高 , 成本较高。    

滚压成型的关键工艺参数包括 : 模具倾角、滚轮直径、推进率、道次压下量等。

 

优化要点如下 :    

(1) 模具倾角 : 是指模具螺纹面与轴线的夹角。角度越大 , 轴向推力越大 , 但螺纹越陡 ; 角度越小 , 周向挤压力越大 , 但填充不易 [24] 。倾角一般选为 15°~30° 。    

(2) 滚轮直径 : 直径越大 , 接触面积越大 , 成型力越小 , 但螺距越粗 ; 直径越小 , 轮廓光滑 , 但应力集中严重 [25] 。直径多为管外径的 1.1~2 倍。    

(3) 推进率 : 是指每转进给的轴向距离。推进越快 , 加工效率越高 , 但充填不足 ; 推进越慢 , 成型质量越好 , 但加工周期长 [26] 。推进率控制在 0.1~2mm/r 。    

(4) 道次压下量 : 即每道次螺纹高度的增量。压下量越大 , 螺纹越深 , 但模具磨损加剧 ; 压下量越小 , 表面光洁 , 但加工道次增多 [27] 。总压下量的 20% 30%, 分 3 5 道进行。    

3、胀形加工          
胀形加工是利用液压胀形原理 , 在铜管内部充填高压液体 , 使其在模具型腔的约束下塑性变形 , 从而获得内螺纹的加工方法。具体工艺为 : 将带有螺纹型腔的芯模插入铜管内 , 在两端用密封块固定 ; 通过高压泵向芯模内注入液体 , 使铜管在螺纹型腔处充分变形 ; 保压一定时间后卸载 , 取出铜管 , 即可得到内螺纹结构 [28] 。    

胀形加工充分利用了液体的各向等压性 , 使铜管在型腔内受到均匀的挤压力 , 成型质量高 , 应力分布均匀。且由于采用液压传递变形力 , 没有模具与工件的直接接触 , 加工表面光洁 , 尺寸稳定性好 [29] 。此外 , 胀形芯模可多次重复使用 , 大大降低了模具成本。但胀形加工对密封性要求高 , 易发生高压液体泄漏 ; 且胀形压力大 , 设备投资成本高。    

胀形加工的主要工艺参数包括 : 胀形压力、保压时间、胀形液体、芯模间隙等。

具体设计要点为 :    

(1) 胀形压力 : 压力越高 , 铜管塑性变形越充分 , 螺纹轮廓越饱满 ; 但压力过高会导致铜管强度下降 , 甚至爆破 [30] 。胀形压力一般为铜管屈服强度的 1.5~2.5 倍。    

(2) 保压时间 : 时间越长 , 铜管回弹越小 , 螺纹尺寸越稳定 ; 但时间过长 , 会降低生产效率 , 且胀形液体容易渗透 [31] 。保压时间根据管壁厚度 , 控制在 2~20s 。    

(3) 胀形液体 : 液体粘度越低 , 流动性越好 , 胀形速度越快 ; 但粘度过低 , 则密封性变差 , 高压下易泄漏 [32] 。常用的胀形液体有水、油、乳化液等。    

(4) 芯模间隙 : 间隙越小 , 胀形压力越集中 , 铜管变形越充分 ; 但间隙过小 , 易造成液体囚阱 , 胀形不均 [33] 。间隙一般为铜管壁厚的 10%~20% 。