空調換熱器銅鋁分離技術的研究

□文/朱志梅 馬德毅

西南科技大學

空調換熱器銅鋁分離技術的研究

□文/朱志梅 馬德毅

西南科技大學

Separation of Copper and Aluminum Technology on the Air Conditioning Heat Exchanger

空調熱交換器中的銅與鋁是重要的有色金屬，將銅鋁高效破拆分離是亟待解決的重要技術。本研究根據銅與鋁線膨脹系數的不同，通過加熱（冷卻）產生膨脹差，減小脹管形成的應力。采用ANSYS對溫度的變化與熱膨脹引起的熱應力進行仿真，獲取最優破拆參數，實驗結果為設計破拆機、實現機械化提供了重要的參數。

國務院于2009年6月1日批準了有關部門關于汽車及家電產品“以舊換新”的實施方案，對汽車、電視機、電冰箱、洗衣機、空調、電腦等6類家電產品“以舊換新”進行補貼。家電下鄉以及家電以舊換新的舉措，提高了電器普及率， 同時也增加了廢棄量，如果對報廢的產品不能有效處理，將會污染環境，浪費資源。銅和鋁作為重要的有色金屬材料在家電等行業使用量非常大，對于回收的家電要有效的拆解出這些有色金屬并回收再利用。

空調用熱交換器大多使用翅片管型熱交換器，主要材料是銅和鋁合金。據空調制冷協會調研統計，空調制冷用銅管的消費量每年達10萬噸以上，占銅管總消費量的30% 以上。因此有效地破拆空調熱交換器中的銅管和鋁箔是我國現階段亟待解決的重要技術之一。

一、國內外研究現狀

熱交換器的基本構造是用半圓管連接多個長U管形成曲折的回路，以便于制冷劑有充分的時間和面積與套在長U管上的鋁箔進行熱量交換。由于空調熱交換器的這種復雜的生產流程和結構使得分離銅和鋁合金變的很困難。

日本空調熱交換器中的銅和鋁的分離工序主要是將其進行壓延， 然后人工剝離銅管和鋁翅片，分離后回收再利用。首先這種方法在壓延的過程中還有一部分鋁箔和銅的碎片混雜在一起，需要通過其他化學方法處理，會污染環境；如若不處理這些碎屑，又使得回收不徹底，造成資源浪費。其次這種方法是人工操作，工作量大，速度慢，不適合大批量的機械化回收。

我國一些公司在小批量的回收的情況下采用線切割的方式，沿銅管和鋁箔的軸線從中間切開，破壞脹管形成的應力然后再人工分離。這種方法和日本的壓延類似，是人工操作，速度慢，而且切割金屬會產生很大的噪音，造成噪音污染。

隨著我國家電下鄉與家電以舊換新舉措的實施，廢舊電器回收量越來越大，特別是《產品可再生利用率指標限定值和目標值（第一部分）房間空氣調節器家用電冰箱》已通過國家標準審查，并已送國家標準化管理委員會，將作為強制性國家標準發布實施，空調回收利用率達87%。對于空調熱交換器的拆解和回收迫切需要一種機械化，自動化，可大批量回收，并且回收比較徹底的方法。因此空調換熱器破拆與分離技術的研究是現階段各個生產與回收空調的企業密切關注的問題。

二、空調熱交換器冷熱拉拔破拆的研究

空調熱交換器主要是蒸發器和冷凝器，目前民用空調大多采用空冷管片式熱交換器，即紫銅管(a7～a10mm)、外套鋁質(δ=0.15～0.11mm) 翅片、片距在1.2～3.0mm，通過機械脹接的方法，使銅管與翅片緊密配合，采用空氣強制對流方式使管內制冷劑與外界換熱。特別注意在回收銅和鋁之前，必須先進行制冷劑的回收，防止大氣的污染。

1. 熱交換器的脹管原理

熱交換器的生產流程如圖1所示，一部分銅管經過彎長U管設備，與沖床沖過的鋁箔組裝在一起再經過漲管機使得長U管的外壁同鋁箔充分接觸以便提高熱交換率。另一部分銅管經過彎半圓管設備成為半圓管，經過清洗，并套上焊環，然后將其按一定順序插在脹管后的長U管管口，經過自動焊接設備，基本完成了熱交換器部件的裝配。

通過空調熱交換器的生產流程，我們知道銅管和鋁箔是通過脹管而緊密結合在一起的，即液壓脹接方法，主要選用0形圈式脹頭、袋囊式脹頭或橡膠式脹頭進行脹接，液體通過脹軸上的小孔進入密封腔，在增壓器的作用下，密封腔內液體壓力達到所需脹管壓力，管子直徑就會脹大。由于銅管外徑比鋁箔孔直徑略小一些，因此開始時管子脹大還是比較容易的。當脹大到銅管外徑與鋁箔管孔壁相接觸后，其變形就受到了鋁箔的約束。由于管壁較薄，剛性較小，容易變形，翅片管孔剛性較大，不易變形，在脹管過程中，兩者受到同樣的壓力時，銅管產生了塑性變形，而翅片孔只產生了彈性變形。當脹管完成后，由銅管中取出脹管器，翅片孔力圖回復原始狀態，但管子產生塑性變形已不能回復，這樣，翅片孔就把銅管箍緊了。

2. 分離技術理論研究

在銅鋁分離研究中最重要的是減小這種應力。當彈性體的溫度變化時，它的各部分由于溫度而膨脹或收縮，而鋁在加熱的時候發生的是彈性變形。如表1所示，銅和鋁的熱膨脹系數不同，當對其加熱時，由于翅片和銅管的膨脹差，接觸壓力會減弱，使接觸不充分，也就是說減小了脹管形成的應力。

在受熱和受力情況下材料的熱變形量是由熱應力引起的變形量、所施加的外力引起的變形量以及孔型材料本身受熱自然膨脹引起的變形量的總和。熱應力與位移的關系為:

圖1 空調熱交換器的生產流程

其中:a 、b分別為孔型材料的內徑和外徑，當溫度變化時，由熱應力與外力因素引起的徑向變形量為：

由于孔型材料內部的溫度分布不均，溫度只在徑向發生變化，而孔型材料幾何尺寸的變化與半徑和溫度有關，則可以得到孔型材料受熱后幾何尺寸變化與半徑的幾何關系．材料任何部分的熱膨脹量：

如果孔型材料初始溫度為t。，則

那么將公式3代入公式2，則可以得到由于熱膨脹引起的變形量：

若孔型材料不受外力作用，則其受熱變形只與熱應力引起的變形和自然熱膨脹有關系（見公式5）：

表1 銅與鋁合金的參數

表2 1100鋁合金材料的化學成分

由此可知，銅管和鋁箔都屬于孔型材料，可以按照公式4計算，由于其線膨脹系數不同，半徑不同，因此變形量也不同。雖然這里的變形量是微米級的，加熱形成的膨脹差足以減小脹管形成的應力，為下一步拉拔提供了有利條件。同時銅管的強度不大，可承受的力小，在常溫拉拔的時候需要力很大，很容易斷裂而無法將其從鋁箔中拉拔出來。

3. 基于ANSYS的仿真

對于一般有限元問題，處理步驟為前處理(建模) —施加約束—解算—求解—后處理(顯示)。本問題的解算需要穩態溫度與結構兩個物理環境，故屬于耦合問題。處理方法是先在溫度場中計算出各節點的溫度，主要得出加熱的時間和溫度。然后再進行單元轉換，切換到結構環境，以溫度計算的結果為約束，采用間接求解法，計算出各節點的位移。

下面用ANSYS分析了冷凝器不受外力約束且忽略其自身重力的前提下，在穩態非均勻溫度場中的熱變形。冷凝器的厚度為23mm，雙排銅管以等腰三角形排列；紫銅管的規格：直徑為7mm，厚度為0.35mm，管距為2 1 m m，有效單管長為65mm：鋁箔翅片的厚度為0.15mm，片距為1.5mm。在建立冷凝器的穩態分布參數模型過程中，做以下簡化處理：選取冷凝器的最小單元，銅管的長度為翅片的間距，翅片的長寬為銅管的間距。網格劃分如圖2所示，應力分析如圖3所示。

圖2 網格劃分

圖3 應力分析圖

翅片的加熱溫度不能過高，以防翅片出現過燒和氧化現象；加熱溫度也不能過低,加熱溫度過低時，使得翅片的力學性能降低，形不成膨脹差。

4. 分離步驟

通過上述研究，得出銅與鋁的分離工序：空調熱交換器在制冷劑回收之后，沿銅管的橫向方向將其分割為兩塊，變成兩塊一端都帶有彎半圓管的子塊。銅管與鋁箔通過加熱應力減小之后，只要再加適當的力就可以把銅管通過拉拔的方式從鋁箔中拔出來，分別將其子塊進行加熱（冷卻），然后固定鋁箔的兩端，夾具固定于銅管的彎半圓管，在一定力的范圍內，將銅管和鋁箔分離。這里還可以通過固定銅管，鋁箔沿平面向外拉拔，這種方法雖然固定銅管比較方便，但是拉拔鋁箔比較困難。

三、結語

本文意在介紹一種破拆空調熱交換器的方法，通過對熱交換器的生產流程與原理的了解，又因為銅與鋁的膨脹系數的不同，選擇加熱(冷卻)使其膨脹，而且兩者的膨脹速率不同，形成了膨脹差，減小了脹管形成的應力。這樣只要加適當的力就可以把銅管拔出來。這里只使用了簡易的實驗裝置，通過實驗驗證，得出以下幾點：

1. 在常溫下拉拔銅管會使銅管斷裂。

2. 使用電鍋爐加熱子塊，加熱溫度為150℃～200℃，可把銅管從鋁箔中拉拔出來。

3. 通過ANSYS仿真獲取最優破拆參數，加熱溫度在150℃～300℃之間，在不同溫度區間，使其迅速冷卻，拉拔力減小。

4. 實驗結果為設計破拆機、實現機械化提供了重要的參數。不僅有利于機械化和大批量的回收，而且有利于節約能源，降低使用成本，對我國各種家電發展與研究有著廣泛的實際意義。

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