萬胤明，曾延琦，葉酈峰，章文槐，熊建輝，陳進(jìn)方，朱 暉

（江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西 南昌 330096；2.江西省科學(xué)院 應(yīng)用物理研究所，江西 南昌 330096）

1 引言

中國是世界上最大的空調(diào)制冷設(shè)備生產(chǎn)和消費(fèi)主體，空調(diào)制冷設(shè)備用銅管量大約每年80余萬t，約占我國銅加工管材年產(chǎn)量的三分之一。近年來，隨著我國把建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會放在突出位置，用戶對制冷空調(diào)設(shè)備提出了更苛刻的節(jié)能、節(jié)材和高效要求。作為空調(diào)冷凝器及蒸發(fā)器的主要傳熱元件，內(nèi)螺紋銅管則向著薄壁化、細(xì)徑化、高齒化、小齒頂角化、大螺旋角化和高密齒化的方向發(fā)展以滿足制冷空調(diào)行業(yè)的需求［1-3］。高密齒內(nèi)螺紋銅管的研究與開發(fā)就是在這一背景下進(jìn)行的。較現(xiàn)有相同外徑的普通內(nèi)螺紋銅管，高密齒內(nèi)螺紋銅管顯著特點(diǎn)是由于齒條數(shù)增多、螺旋角增大、齒頂角減小帶來的優(yōu)異的熱交換性能。但是，根據(jù)以往的研究和和生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，這種高密齒內(nèi)螺紋銅管旋壓成形加工時金屬流動阻力將明顯增大，易使內(nèi)螺紋成齒質(zhì)量差，另外，冷媒在高密齒內(nèi)螺紋銅管流動過程中的阻力會增大，可能不利于空調(diào)節(jié)能。因此，研究高密齒內(nèi)螺紋銅管成形工藝以及熱交換性能（含冷媒在高密齒內(nèi)螺紋銅管中流動時的壓力損失情況），是此類高效、節(jié)能型內(nèi)螺紋銅管進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化和市場推廣前必不可少的基礎(chǔ)工作。

本研究基于現(xiàn)有主流內(nèi)螺紋銅管加工設(shè)備和工藝的特點(diǎn)（如旋壓加工率、原始管坯的性能等），參考積累的研究和生產(chǎn)實(shí)踐，以試制Ф7×0.24×0.18，齒頂角12°，螺旋角30°，70條齒的高密齒內(nèi)螺紋銅管為研究開發(fā)對象，通過內(nèi)螺紋旋壓成形模具設(shè)計、工藝驗(yàn)證試驗(yàn)、齒形參數(shù)測量和單管熱交換性能對比測試等手段，研究了Ф7mm高密齒內(nèi)螺紋銅管加工成形工藝和熱交熱交換性能，為高密齒內(nèi)螺紋銅管生產(chǎn)制造和市場推廣應(yīng)用提供可參考的數(shù)據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的管坯的材料牌號為TP2，其實(shí)際測試獲得的尺寸和組織性能等參數(shù)分別見表1和表2。根據(jù)旋壓成形模具先進(jìn)設(shè)計理論［4-5］和生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計了成形模具，其主要的成形模具參數(shù)見表3。

表1 試驗(yàn)管坯規(guī)格尺寸參數(shù)

表2 試驗(yàn)管坯組織性能參數(shù)

表3 內(nèi)螺紋旋壓成形主要模具參數(shù)（單位：mm，°）

2.2 試驗(yàn)方法

以旋模比為變量進(jìn)行內(nèi)螺紋成形工藝驗(yàn)證試驗(yàn)，并對試制樣品進(jìn)行齒形參數(shù)（主要是螺旋角、底壁厚、齒高和齒頂角等）、線密度等參數(shù)進(jìn)行測試以及成齒情況的光學(xué)顯微鏡觀察。采用興榮內(nèi)螺紋成形機(jī)組（ZLCX）進(jìn)行內(nèi)螺紋成形工藝試驗(yàn)，采用基恩士金相顯微鏡（VHX-1000C 3D）進(jìn)行齒形參數(shù)測試和成齒質(zhì)量放大觀察，采用賽多利斯電子天平（BSA224S-CW）稱量樣管的線密度。單管熱交換性能測試在某企業(yè)的試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，具體為試驗(yàn)樣品為成齒理想并經(jīng)成品退火的高密齒內(nèi)螺紋銅管和同規(guī)格普通內(nèi)螺紋銅管，長度約各8m、進(jìn)行測試并比較分析其熱交換性能，測試采用的冷媒為R22。

3 結(jié)果與討論

3.1 內(nèi)螺紋旋壓成形

利用設(shè)計的內(nèi)螺紋成形模具，以旋模比為變量，試制的高密齒內(nèi)螺紋銅管的主要齒形參數(shù)測試情況和內(nèi)螺紋成齒質(zhì)量觀察圖，如表4和圖1所示?？梢钥闯?，綜合考慮齒形參數(shù)測試情況和成齒質(zhì)量，當(dāng)成形工藝采用的旋模比為450和500時，試制出來高密齒內(nèi)螺紋銅管的成齒質(zhì)量不太理想，具體表現(xiàn)為齒形填充欠飽滿，而且還有一定數(shù)量殘齒。當(dāng)采用的旋模比為550和600時，試制的樣品其齒形填充飽滿，成齒質(zhì)量均比較理想，而且齒形參數(shù)也符合內(nèi)螺紋銅管國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20928-2007的具體要求。

表4 5球旋壓成形工藝下樣管齒形參數(shù)

圖1 表3中各樣管對應(yīng)的齒形圖（200×）

旋模比作為滾珠旋壓成形的最關(guān)鍵工藝參數(shù)，它對旋壓產(chǎn)品的成形情況產(chǎn)生重大影響，不僅決定產(chǎn)品的表面質(zhì)量和尺寸精度結(jié)果。還決定產(chǎn)品的成形效率和旋壓加工力的大小。公式（1）給出的是旋模比定義和表示方法：

其中K代表旋模比；ω代表電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min；v代表大盤轉(zhuǎn)速，單位為m/min［6-9］。

考慮當(dāng)前內(nèi)螺紋成形機(jī)的高速電機(jī)其實(shí)際工作時，旋轉(zhuǎn)速度一般在15000-25000r/min時，高速電機(jī)的性能和工況穩(wěn)定性好，內(nèi)螺紋銅管成齒質(zhì)量也更穩(wěn)定。因此，旋模比為550，拉速為45m/min時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為24750r/min，此時，不僅高效地利用了電機(jī)的工作能力，也能確保電機(jī)的工作性能的穩(wěn)定性，同時，也能使內(nèi)螺紋銅管成齒質(zhì)量保持穩(wěn)定。

3.2 單管熱交換性能

圖2是Ф7高密齒內(nèi)螺紋銅管樣品管與Ф7普通內(nèi)螺紋銅管進(jìn)行單管管內(nèi)蒸發(fā)時測得的熱交換系數(shù)和壓力損失結(jié)果。從圖中可以看出，兩種試驗(yàn)銅管的管內(nèi)蒸發(fā)熱交換系數(shù)和冷媒的壓力損失均跟隨著冷媒質(zhì)量流量的升高而增大。銅管管內(nèi)冷媒的壓力損失和銅管的熱交換系數(shù)是正相關(guān)的，即一定程度上管內(nèi)冷媒的壓力損失隨著熱交換系數(shù)的升高而增大，只是兩者的增速不同。根據(jù)空調(diào)的工作原理，管內(nèi)冷媒的壓力損失越大，意味著冷媒在管內(nèi)的流動時受到的阻力則越大，導(dǎo)致空壓機(jī)做功增加，對空調(diào)的節(jié)能不利。因此，對空調(diào)用銅管的熱交換性能的評估考量要對從單管熱交換試驗(yàn)中測得的熱交換系數(shù)和管內(nèi)冷媒的壓力損失這兩方面進(jìn)行。

從圖2中給出的數(shù)據(jù)，可以計算得出，高密齒管的管內(nèi)蒸發(fā)熱交換系數(shù)較普通管平均增加7.7%，但其管內(nèi)冷媒的壓力損失也較普通管平均增加6.2%。由于高密齒管與普通管的區(qū)別關(guān)鍵在齒高的增高和齒條數(shù)的增加兩方面。因此，主要從它們的差異以及其對銅管內(nèi)表面積、單管管內(nèi)熱交換系數(shù)和冷媒壓力損失的影響規(guī)律進(jìn)行分析。較普通管，高密齒管，一方面，齒高增高，可以使銅管內(nèi)表面的螺紋潤周長增加，而銅管內(nèi)表面積正比于內(nèi)螺紋潤周長，同時也正比于齒條數(shù)，因此，試制樣品管的齒高增高，齒條數(shù)增多，有利于銅管的內(nèi)表面積增加，即增加了管內(nèi)的熱傳導(dǎo)面積；另一方面，齒高增高，齒條數(shù)增多，對管內(nèi)冷媒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動起到共同加劇的作用，促進(jìn)冷媒在管中運(yùn)動時產(chǎn)生與不同徑向的二次流，增大冷媒湍流強(qiáng)度，從而加強(qiáng)冷媒的對流換熱，進(jìn)而導(dǎo)致銅管熱交換系數(shù)的增加［10］。

齒高和齒條數(shù)的不同也會對管內(nèi)冷媒的壓力損失造成較大的影響：齒高越高、齒條數(shù)越多，則銅管內(nèi)表面越粗糙，管內(nèi)冷媒在進(jìn)行流動時的阻力也越大，進(jìn)而導(dǎo)致管內(nèi)冷媒壓力損失也增加。因此，在管內(nèi)蒸發(fā)過程中，高密齒管內(nèi)壓力損失較普通管增大。

圖2 Ф7高密齒樣品管與Ф7普通管的管內(nèi)蒸發(fā)熱交換系數(shù)和壓力損失

圖3給出的是Ф7高密齒管與Ф7普通管進(jìn)行單管管內(nèi)冷凝試驗(yàn)測得的熱交換系數(shù)和壓力損失結(jié)果?？梢钥闯?，兩種試驗(yàn)銅管的管內(nèi)冷凝熱交換系數(shù)和冷媒的壓力損失均跟隨著冷媒質(zhì)量流量的升高而增大。同時，從圖3給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，可以得出，高密齒管的管內(nèi)冷凝熱交換系數(shù)較普通管平均增加8.1%，但其管內(nèi)冷媒的壓力損失在質(zhì)量流量較低時（如25和30kg/h），較普通管平均增加14.1%，而在質(zhì)量流量較高大時（如40和45kg/h）其管內(nèi)冷媒的壓力損失較普通管平均僅增加1.3%。

由于冷媒在冷凝時，內(nèi)螺肋紋的存在使得冷媒在管內(nèi)形成的液膜分布很不均勻，而且內(nèi)螺紋齒高越高、齒條數(shù)越多，管內(nèi)制冷劑形成液膜分布的不均勻程度越高，進(jìn)而帶來的“gregoring”效應(yīng)則更加明顯［11］。加上上述蒸發(fā)過程分析時提到熱交換系數(shù)增加的兩個有利因素，這三個有利因素共同作用，使得高密齒管的冷凝熱交換系數(shù)平均值較普通管增加8.1%，同時增大幅度也大于蒸發(fā)熱交換系數(shù)。冷凝過程中高密齒管的管內(nèi)冷媒的壓力損失均較普通管增加，其原因同上述蒸發(fā)過程所分析。不同的是，當(dāng)冷媒質(zhì)量流量較低時，冷凝過程高密齒管的管內(nèi)冷媒的壓力損失較普通管增幅較大，而當(dāng)制冷劑質(zhì)量流量較高時，管內(nèi)冷媒的壓力損失增幅明顯較小，這是由于制冷劑質(zhì)量流量較高時，冷凝的制冷劑浸潤較理想，同時也會在內(nèi)螺紋槽底形成一定的滯流，對制冷劑流動阻力可以帶來一定程度的緩解［12］。

圖3 Ф7高密齒樣品管與Ф7普通管的管內(nèi)冷凝熱交換系數(shù)和壓力損失

4 結(jié)論

（1）采用旋模比550，進(jìn)行Ф7×0.24×0.18，70條齒，齒頂角12°，螺旋角30°的高密齒內(nèi)螺紋銅管旋壓加工成形，可以同時兼顧內(nèi)螺紋成齒質(zhì)量、高速電機(jī)能力和生產(chǎn)效率。

（2）Ф7×0.24×0.18，70條齒，齒頂角12°，螺旋角30°的高密齒內(nèi)螺紋銅管熱交換能力均較現(xiàn)有同規(guī)格普通內(nèi)螺紋銅管有顯著的提升，尤其是其冷凝熱交換系數(shù)平均提高8.1%，而且在制冷劑質(zhì)量流速較大時，其壓力損失僅增加1.3%。