空調制冷行業鋁制換熱器發展存在的問題及對策

趙新雨，劉澤勤

（天津商業大學 天 津市制冷技術重點實驗室，天津300134）

1 引言

隨著人類社會的不斷發展，人們的生活水平逐步提高，對環境舒適度的要求也相應隨之的提高，因此空調及其他制冷設備的使用和普及程度在快速地增長。然而伴隨著以金屬材料制造為主的空調及其他制冷設備的大幅生產，資源匱乏的問題也逐漸顯現出來，尤其是銅作為當前空調領域內換熱器的主要生產材料，其消耗量甚為巨大。早在2001年國土資源部資料就顯示，我國的銅金屬資源儲量只有1 670萬t，人均儲量不到世界平均水平的1/2。20世紀90年代以來，我國國民經濟的飛速發展，銅金屬消費也保持著較快的增長速度，自1999年開始，年平均增長在15%以上，至2002年中國的精銅消費量已經超過美國而成為世界精銅消費第一大國，并且仍然保持快速增長[1]。鋁金屬在物理性質及化學性質方面與銅金屬有很多相似之處，我國的鋁資源豐富、市場價格相對便宜，將作為制造空調制冷設備換熱器用的銅金屬材料改用鋁金屬材料來替代，是一項有著十分意義的研究，既可以降低空調制冷設備生產成本，同時也能夠節約我國的銅材料資源，將寶貴的銅材料用到國家最需要的行業和產業之中。但是，當前在空調換熱器制造中用鋁質材料完全取代銅質材料還存在著各種技術難題，為使其能夠在空調產業得到充分的發展，生產鋁制換熱器過程中所存在的技術問題亟待解決。

2 鋁制換熱器的發展歷程

雖然我國家用空調行業中的“鋁代銅”技術尚處于開發研制階段，但在汽車空調等其他領域，其技術已經相對成熟，并已得到廣泛的應用。早在20世紀50年代，國際上就開展了對全鋁熱交換器的研究，1959年國際汽車展覽會上曾展出裝車行駛了10萬km的全鋁水箱。到60年代，已開始了大規模的研究，用傳統的浸焊法，至少生產了幾十萬只全鋁水箱，并且投入了使用實驗。雖然由于各方面原因導致這些研究沒有能夠最終完成，但是卻使人們對全鋁熱交換器有了新的認識，積累了豐富的經驗，包括工藝、腐蝕和維修等許多方面，為以后的研究打下了基礎[2]。

1967年美國發明了鋁的無釬劑釬焊技術，即在不以水為介質的熱交換器上推廣應用，開創了汽車全鋁熱交換器的研制，美國的通用、福特、以及克萊斯勒等汽車公司都采用了全鋁蒸發器。制造這種全鋁蒸發器用的連續或半連續式真空釬焊爐技術也相繼誕生。與此同時，法國索菲卡公司研究出了鋁制機械裝配式水箱和暖風散熱器，并大量投入市場。這種結構的水箱占據了當時歐洲水箱市場的15%、暖氣散熱器市場的50%。近年來，國外對全鋁熱交換器的防蝕問題研究，取得了一定的進展[2]。

我國從20世紀60年代開始進行全鋁水箱研究，20世紀70年代后期開始真空釬焊研究。90年代初開始在業界生產全鋁換熱器。近年來我國引進了數條轎車生產線，建立了多家全鋁換熱器生產廠，許多全鋁換熱器生產線是成套引進，達到90年代的先進水平，顯示出我國全鋁換熱器制造業起步雖晚，但起點較高[3]。

較早在空調設備上替代全銅材料的是銅鋁連接管，具有代表性的是山東海青的產品。目前這種銅鋁連接管已經在海信、海爾、格力、志高、奧克斯、新科等多數空調企業的產品上批量選用，主要集中在1～1.5P的小機型上[4]。

2007年江蘇一家公司曾自主研發一種銅鋁復合管，該管換熱效率極高，且成功地實現了銅鋁之間的冶金結合，單管“能效比”要比原銅管高出39.2%，實際應用中“能效比”也提高5%以上，同時減少銅消耗80%。該項目技術水平均達到國際先進和領先水平，產品規模化生產后可替代進口并擴大出口[5]。而相對于全鋁空調熱交換器，目前缺少該類產品的研究資料和技術成熟產品報道。

陳利曾在2008年利用北京奧泰華制冷設備有限公司生產的鋁管鋁片式換熱器做理論換熱分析計算，認為當銅管被換為相同外徑的鋁管時，盡管兩種換熱管的管壁導熱率相差很大，但通過對比計算，得到兩種材料的換熱器在傳熱系數及換熱量上鋁管較之銅管僅減少3.9%。理論分析的結果顯示，只要在換熱器生產中嚴格控制生產工藝，保證產品質量，以鋁代替銅生產換熱器在空調行業具有可行性[6]。

3 存在的問題

按照換熱器所用的材料類型不同，目前國內家用空調鋁換熱器的研究主要集中純鋁圓管、合金鋁圓管、合金鋁扁管、純鋁口琴管和內螺紋銅鋁復合管等[7]。因鋁金屬和銅金屬在物理性質及化學性質上的不同，鋁材料與材料銅相比，在抗腐蝕性、焊接性、導熱性及抗壓性性方面上尚有差距。

3.1 腐蝕性

對于純鋁換熱器而言，由于純鋁具有較強的氧化性，因此其在空氣中能夠快速反應而形成致密的氧化膜，從而保護鋁不被進一步氧化腐蝕。但在環境條件比較惡劣的情況下，特別是在空氣常年潮濕且富含氯離子的環境中，氧化膜極易被穿透，最終引起小孔腐蝕或其它類型腐蝕，且腐蝕速度很快[8]。而對于采用銅鋁復合管的換熱器，由于鋁的活性很強、電位很低，而銅的氧化較差、電位較高，當兩者混合使用即采用銅鋁復合管時極易產生電化學腐蝕。這種腐蝕所產生的危害主要表現在換熱器本身的使用壽命縮短，鋁材宜腐蝕泄漏且腐蝕產物附著于換熱表面引起污垢熱阻，在一定程度上降低了換熱器的效率，同時腐蝕產物脫落引起管路堵塞和流道變窄，造成泵的功耗增加和運動部件的磨損[9]。

3.2 焊接性

焊接性能、技術水平成為推廣鋁制換熱器的最大難點之一。目前換熱器管焊接大都采用手動火焰釬焊，由于鋁管的焊接性能較銅管差，焊點泄漏嚴重，大批量生產的可行性及長期使用可靠性有待進一步驗證。而對于銅鋁復合管，應采用熔點很低的釬料，焊接過程中如溫度控制不好，在管內極易形成焊瘤，對系統的可靠性具有較大的隱患[7]。

3.3 導熱性

相比于銅材料，鋁材料本身的導熱率就低，且鋁制換熱器在使用一段時間后，灰塵、油污、水垢、工作介質等很容易在其表面形成污垢，這些污垢除了對鋁材具有腐蝕性以外，同時還會形成較大的熱阻，嚴重影響了換熱器的傳熱效果[10]，因此如何清洗鋁制換熱器中所沉積的污垢，是提高鋁制換熱器耐腐蝕性及導熱性的重要措施之一。

4 對策與建議

鋁制換熱器與銅換熱器相比，存在著耐腐蝕性弱、導熱性能差、受環境變化影響大等缺點，在一定程度上制約了其在空調行業中的發展，根據鋁制換熱器的特點，在前人研究的基礎上，提出相應的技術措施建議，推進鋁制換熱器的在暖通制冷行業中的應用。

（1）由于純鋁管耐腐蝕性不很理想，一旦發生局部點蝕，點蝕的擴展速度很快，從而引起較大面積的腐蝕，而合金鋁管在這方面卻有著獨特的優點，通過實驗研究在制造散熱器的鋁材料中加入少量鎂和錳等元素，改善散熱器的耐蝕性，提高其強度及抗壓性。當換熱器采用銅鋁復合管時，為防止其發生電化學腐蝕，需要優化換熱器所處的環境，保持換熱器周圍空氣的干燥；對于換熱器中的冷卻水盡量選用純凈水，以避免水中豐富的離子加速銅鋁換熱器的腐蝕。

（2）脈沖半自動MIG焊具有焊接位置適應性強，焊接熱量輸入控制準確的特點[11]，因此在換熱器制作過程中所用的焊接，采用脈沖半自動MIG焊，能解決在手動焊接過程中因控制不穩而引起的焊接問題。

（3）針對鋁制換熱器易于結垢的特點，選用的清洗劑也需要具有除污垢反應快，清洗時間短，且不需加熱的特點，以選用無機酸為宜。無機酸能溶解碳酸鈣、氧化鐵等垢層，但由于酸對鋁具有一定的腐蝕性，因此在配置的清洗劑中應添加緩飾劑，同時為了加快其溶解污垢的速度，還應添加適量的助劑[12]。

4 結語

鋁制換熱器是一種體積小、重量輕、性能高、造價低的裝置，雖然與銅管換熱器相比在性能及使用壽命上存在少許的差距，但隨著技術的進步及制造工藝的不斷提高，鋁制換熱器取代銅在空調行業已是社會發展的必然趨勢，針對鋁制散熱器本身的特殊性和缺陷性，提出若干改進措施，為鋁制散熱器在暖通制冷空調行業中的推廣應用提供有益的建議。

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