铜铝(或钢铝)复合柱翼型散热器技术研究

1、铜铝(或钢铝)复合柱翼型散热器技术研究摘要 铜铝(或钢铝)复合柱翼型散热器是内铜(或钢)外铝的新型散热器，其容水部件为铜(或钢)管，管外的散热部件为铝合金翼型管。它充分发挥不同金属材料各自在搞腐蚀或易加工成形等方面的优点，能满足我国现代建筑对散热器的要求。本文将对该型散热器的相关技术问题作一探讨，对产品的基本构造和技术特点作必要的分析，并工程选用要点作必要的阐述，为这一产品的工程设计选用和产品开发提供一些参考。关键词 铜铝 复合 柱翼 散热器1 概述我国是一个幅员辽阔人口众多的发展中国家，建设任务巨大，年需采暖散热器约为3.0亿片，具有世界上得天独厚的巨大市场。几十年来，我国的散热器生产取得了

2、很大的进展，改变了铸铁散热器一统天下的局面。但是，由于我国发展过程中一些自身条件的局限性，虽然在采暖热媒方面推行了集中热水供暖，但热媒本身的水质、含氧量及失水（补水）量却难以有效地控制，热媒水的含氧量过高是导致钢制散热器腐蚀的主要因素，当然还有材料、加工、维护等方面的原因。以薄钢板为原料制造的散热器腐蚀问题最为严重。其后出现的铝合金散热器，虽有较强的搞氧腐蚀能力，但抗感性腐蚀能力差，适于Ph=58.5的供暖水质中使用。但供暖水质多是取决于钢制锅炉的水质标准，Ph=1012（换热器系统水的Ph=8.5）。所以在前些年中铝制散热器的碱性腐蚀问题也严重地暴露出来，致使散热器市场又回到以铸铁为主的状况

3、。便是，时代是前进的，随着建筑标准和水平的提高，相应要求有适应配套的建筑设备，以及供热由福利制进入市场而成为商品，而计量和控制水平的提高领带于较精密的设备和仪表，这些都是目前生产的内腔粘砂过多的铸铁散热器难以适应的。基于上述情况，铜铝（或钢铝）散热器应运而生，其基本构造形式，一是横管结构的铜管铝片对流散热器，有条形、箱形及无外罩的闭式折边三种形式；另一是竖式柱翼型结构，以铜管（或钢管）为容水部件、而以铝合金翼型管为散热部件组合而成的铜铝（或钢铝）复合柱翼型散热器。后者以其安全可靠、轻薄美新的姿态问世后非常引人注目，并且以其自身的潜质，预计将成为新世纪我国在量发展的新品种，成为有中国特色的代表性

4、产品。2 铜铝（或钢铝）复合柱翼型散热器的基本构造及技术分析21 基本构造如图1所示：1、2分别为上、下联箱，为较大口径的薄壁铜管或标准钢管（按水口焊接要求尺寸选定，G3/4水口时联箱直径可选用DN40），两端分别焊进、出水管口（5、6）（水口内管螺纹一般用G3/4，也有G1）及排气阀座（7）；。为通水立管，为较小口径的薄壁铜管或标准钢管（一般DN1525），其上、下两端分别下上、下联箱（1、2）焊接；4为铝制散热翼管，与立管（3）套装后胀接，达到两者紧密结合，保证传热良好。一组散热器的柱数按订货要求决定。组焊完毕后经试压、表面处理（喷漆或喷塑）和包装后出厂。图1构造示意图从图1可以看出，本产

5、品的容积水部件为1、2、3（主件）及5、6、7（配件），当为铜铝结构时这些部件均为铜质；当为钢铝结构时，这些部件相应为钢质（碳钢或不锈钢）22 技术分析221 耐腐蚀能力：目前，对散热器使用寿命的基本要求是等同于采暖系统所用焊接钢管的使用寿命。对于铜铝结构的散热器而言，由于容水部件全为铜材，其耐腐蚀能力大大高于钢材，可以适应常见的各类供暖水质的要求，按GB50050-95工业循环冷却水处理设计规范的要求，碳钢管壁的年腐蚀率应小于0.125mm/a，铜、铜合金及不锈钢管壁的年腐蚀率应小于0.005 mm/a,可以看出，铜管的耐蚀率为碳钢管的25倍，亦即壁厚为0.5mm的铜管其耐腐蚀年限即相当于1

6、2.5mm壁厚的钢管，显然能满足前述的散热器使用年限的要求。不锈钢结构的散热器也能达到这样的效果（参见本文4.1节）。对于钢铝结构的散热器，其所用钢管有标准的普通焊接钢管及普通无缝钢管两种。前者最小壁厚为2.7mm，管材本身就是采暖系统所用的管材；后者在选用时可选用壁厚2.5mm以上的管材，基本等同于普通焊接钢管的壁厚，也可以保证散热器的使用年限要求。222 承压能力：由于该型产品的容水部件（即承压部件）均为标准的铜管或钢管，按相应国家标准的规定，生产散热器所用的管材，其出厂试验压力增可达到2.0MPa以上（详见本文第4.1节），而散热器的工作压力一般定为1.0 MPa，试验压力1.5 MPa

7、。所以只要能保证焊接质量，就能保证整个散热器的承压要求，能够安全使用。223 热工性能：本型散热器的散热功能基本由铝制翼型管承担，上下联箱占较少部分。可以充分发挥铝合金易挤压成形的优点，根据热工及美观造型要求，加工成各种开头及尺寸，然后通过与铜（或钢）立管的胀接，达到紧密结合，减小热阻，保证传热良好。224 使用情况：该型产品的内、外表面光洁，对内不会造成热媒水的污染或含砂，有利于精密度较高的设备和仪表的正常工作；对外可提高产品的美观程度和档次。且其散热器宽度可大大减小。综合说业，可以达到安全可靠、轻薄美新的基本要求。3 铝制翼形散热管的管形分析31 基本要求：该散热器所用铝合金翼形管的管型，

8、与已有的铝制散热器基本相同。但由于内衬铜管（或钢管）及胀管的需要，翼型管的内孔（立柱）只能采用圆形，不宜用矩形，形成圆形管柱外设翅片的形式。圆管柱内径必须与内衬管管材有合理的配合公差，既能保证串管时没有困难，又要保证内衬管的胀管量不是太大。一般的胀管量在0.40.6mm的范围内，且能使铝翼管微胀，达到紧密结合。铝翼形管的断面形状及翅片设置，要符合下述基本要求。311 圆形管柱内孔直径须与所用衬管（铜管或钢管）配合。312 断面尺寸的宽度决定了整个散热器的厚度，应与上下联箱的尺寸结合考虑，保证散热器存放、运输、使用时翼片不受操作。翼管断面的长度决定了组成散热器时的柱距（片长），应考虑到工程选用的

9、方便及散热器选用时散热量配片级差的要求。313 翼管外设翅片的高度（具体翅片外沿到中心管壁的距离）不要太大，以不超过60mm为宜，保证合理的传热温差（具有最佳数值需要深入研究）。多个翅片的设置要充分满足强化传热的要求，保证热气流畅通以及清扫的可能。翅片外端不能尖锐，最好作成T形，以防人体碰伤。314 翅片及中心圆形管柱的壁厚应尽可能薄，以节省材料。希望翅片的厚度为0.50.6mm，以使散热器的金属热强度达到较高水平，这对今后的发展是有利的。32 断面形状：铝制翼管的管形，大致分开式、闭式、混合式三种。图2列出了几种管形的示意图。a为闭式结构，优点是以翅片形成自然对流的空气通道，利用烟囱效应增强

10、换热效果。b为开式结构，优点是通过加大换热面积增加单柱散热器的散热量，同时也可取得较高的金属热强度、节省材料。c为混合式结构。它综合闭式与开式的某些特点，形成在造型、热工及安装使用各方面有自己特点的翼管断面形状。对于翼管断面尺寸的控制，翼形管断面尺寸中的B亦即为散热器的厚度，参照已有铝制散热器标准的要求，一般为5060mm；片长L（亦等于两片散热器的中心距）的取值要考虑两片组合间隙，并且为了选用及安装的方面，凡是取整数（cm）。如图2所示：L=L1+C，L1为铝翼管横断面的长度；C为组合间隙，一般为510mm。基于翼管加工、热工及已有各种散热器的尺寸情况，片长L多在60100mm的范围。铝翼形

11、管的设置高度，主考虑立管（3）与上、下联箱（1、2）焊接的方便及空气流通的畅顺。铝翼管上、下两端面分别与上、下联箱外沿的距离，一般为1015mm。对于顶部设装饰罩的产品，装饰罩的设计要保证热工要求，使气流通顺、不降低散热效果。图2铝制翼形管管形示意图（a）闭式；（b）形式；（c）混合式4 铜铝（或钢铝）柱翼型散热器的承压能力及热工性能4.1 强度：由于该型散热器的容水部件主要是标准铜管或钢管，对应本类散热器制造时常用的管材规格，按标准规定的出厂试验压力均可超过散热器的承压要求。所以，只要严格按标准选定管材，就能保证散热器的承压能力，只要把焊接质量搞好即可。钢铝结构的散热器所用的变通焊接钢管、冷

12、轧无缝风管及不锈钢出厂试验压力见表1；对于铜铝结构的产品，其所用的紫铜管，代号为T2，T3。上、下联箱由于钻孔的需要，须用硬质铜管（以Y表示）：立水道用半硬质铜管（以Y2表示），一般可由铜管厂定尺供货。壁厚根据预定的管子直径及工作压力按表2及表3选定。几种标准钢管的技术参数表1 普通焊接钢管冷却无缝钢管冷却不锈钢无缝管DN外径（mm）壁厚（mm）单重（kg/m）外径壁厚单重外径壁厚范围散热器用壁厚范围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出厂水压试验2.0MPa 出厂试验压力 P=20St/E(MPa) D为外径，mm, t壁厚，mm，s为屈服点强度的60%如为10号钢则R=0.63.4=2.04(MPa) 出厂试验压力P=20St/E(MPa

14、) S为允许应力，取钢号搞拉强度的40%。T为壁厚，mm 散热器常用铜管的技术标准（摘自GB/T1527-1997，铜及铜合金拉制管）表2 牌号状态外径（mm）壁厚（mm）液压试验压力（MPa）T2、T3TP2、TP2硬（Y）33600510D为外径（mm），t为壁厚（mm），S为允许应力（纯铜为41.2MPa）半硬（Y2）31000510软（M）33600510常用铜管出厂试验压力计算值（MPa）（按表2所列公式计算得出）表3外径（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.