Ф7mm高密齒內螺紋銅管成形工藝和熱交換性能研究

萬胤明，曾延琦，葉酈峰，章文槐，熊建輝，陳進方，朱 暉

（江西銅業加工事業部，江西 南昌 330096；2.江西省科學院 應用物理研究所，江西 南昌 330096）

1 引言

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

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

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗所用的管坯的材料牌號為TP2，其實際測試獲得的尺寸和組織性能等參數分別見表1和表2。根據旋壓成形模具先進設計理論［4-5］和生產實踐經驗優化設計了成形模具，其主要的成形模具參數見表3。

表1 試驗管坯規格尺寸參數

表2 試驗管坯組織性能參數

表3 內螺紋旋壓成形主要模具參數（單位：mm，°）

2.2 試驗方法

以旋模比為變量進行內螺紋成形工藝驗證試驗，并對試制樣品進行齒形參數（主要是螺旋角、底壁厚、齒高和齒頂角等）、線密度等參數進行測試以及成齒情況的光學顯微鏡觀察。采用興榮內螺紋成形機組（ZLCX）進行內螺紋成形工藝試驗，采用基恩士金相顯微鏡（VHX-1000C 3D）進行齒形參數測試和成齒質量放大觀察，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的試驗機上進行，具體為試驗樣品為成齒理想并經成品退火的高密齒內螺紋銅管和同規格普通內螺紋銅管，長度約各8m、進行測試并比較分析其熱交換性能，測試采用的冷媒為R22。

3 結果與討論

3.1 內螺紋旋壓成形

利用設計的內螺紋成形模具，以旋模比為變量，試制的高密齒內螺紋銅管的主要齒形參數測試情況和內螺紋成齒質量觀察圖，如表4和圖1所示?？梢钥闯?，綜合考慮齒形參數測試情況和成齒質量，當成形工藝采用的旋模比為450和500時，試制出來高密齒內螺紋銅管的成齒質量不太理想，具體表現為齒形填充欠飽滿，而且還有一定數量殘齒。當采用的旋模比為550和600時，試制的樣品其齒形填充飽滿，成齒質量均比較理想，而且齒形參數也符合內螺紋銅管國家標準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

圖1 表3中各樣管對應的齒形圖（200×）

旋模比作為滾珠旋壓成形的最關鍵工藝參數，它對旋壓產品的成形情況產生重大影響，不僅決定產品的表面質量和尺寸精度結果。還決定產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代表電機轉速，單位為r/min；v代表大盤轉速，單位為m/min［6-9］。

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

3.2 單管熱交換性能

圖2是Ф7高密齒內螺紋銅管樣品管與Ф7普通內螺紋銅管進行單管管內蒸發時測得的熱交換系數和壓力損失結果。從圖中可以看出，兩種試驗銅管的管內蒸發熱交換系數和冷媒的壓力損失均跟隨著冷媒質量流量的升高而增大。銅管管內冷媒的壓力損失和銅管的熱交換系數是正相關的，即一定程度上管內冷媒的壓力損失隨著熱交換系數的升高而增大，只是兩者的增速不同。根據空調的工作原理，管內冷媒的壓力損失越大，意味著冷媒在管內的流動時受到的阻力則越大，導致空壓機做功增加，對空調的節能不利。因此，對空調用銅管的熱交換性能的評估考量要對從單管熱交換試驗中測得的熱交換系數和管內冷媒的壓力損失這兩方面進行。

從圖2中給出的數據，可以計算得出，高密齒管的管內蒸發熱交換系數較普通管平均增加7.7%，但其管內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別關鍵在齒高的增高和齒條數的增加兩方面。因此，主要從它們的差異以及其對銅管內表面積、單管管內熱交換系數和冷媒壓力損失的影響規律進行分析。較普通管，高密齒管，一方面，齒高增高，可以使銅管內表面的螺紋潤周長增加，而銅管內表面積正比于內螺紋潤周長，同時也正比于齒條數，因此，試制樣品管的齒高增高，齒條數增多，有利于銅管的內表面積增加，即增加了管內的熱傳導面積；另一方面，齒高增高，齒條數增多，對管內冷媒的旋轉運動起到共同加劇的作用，促進冷媒在管中運動時產生與不同徑向的二次流，增大冷媒湍流強度，從而加強冷媒的對流換熱，進而導致銅管熱交換系數的增加［10］。

齒高和齒條數的不同也會對管內冷媒的壓力損失造成較大的影響：齒高越高、齒條數越多，則銅管內表面越粗糙，管內冷媒在進行流動時的阻力也越大，進而導致管內冷媒壓力損失也增加。因此，在管內蒸發過程中，高密齒管內壓力損失較普通管增大。

圖2 Ф7高密齒樣品管與Ф7普通管的管內蒸發熱交換系數和壓力損失

圖3給出的是Ф7高密齒管與Ф7普通管進行單管管內冷凝試驗測得的熱交換系數和壓力損失結果?？梢钥闯?，兩種試驗銅管的管內冷凝熱交換系數和冷媒的壓力損失均跟隨著冷媒質量流量的升高而增大。同時，從圖3給出的數據進行計算，可以得出，高密齒管的管內冷凝熱交換系數較普通管平均增加8.1%，但其管內冷媒的壓力損失在質量流量較低時（如25和30kg/h），較普通管平均增加14.1%，而在質量流量較高大時（如40和45kg/h）其管內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，內螺肋紋的存在使得冷媒在管內形成的液膜分布很不均勻，而且內螺紋齒高越高、齒條數越多，管內制冷劑形成液膜分布的不均勻程度越高，進而帶來的“gregoring”效應則更加明顯［11］。加上上述蒸發過程分析時提到熱交換系數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平均值較普通管增加8.1%，同時增大幅度也大于蒸發熱交換系數。冷凝過程中高密齒管的管內冷媒的壓力損失均較普通管增加，其原因同上述蒸發過程所分析。不同的是，當冷媒質量流量較低時，冷凝過程高密齒管的管內冷媒的壓力損失較普通管增幅較大，而當制冷劑質量流量較高時，管內冷媒的壓力損失增幅明顯較小，這是由于制冷劑質量流量較高時，冷凝的制冷劑浸潤較理想，同時也會在內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普通管的管內冷凝熱交換系數和壓力損失

4 結論

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

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