關於住宅銅鋁散熱器評析管理論文
關於住宅銅鋁散熱器評析管理論文
摘要：本文主要介紹和評析幾種以銅管為通水部件、抗蝕能力強、能適應我國一般供暖水質使用要求的新型銅鋁散熱器，適合於在住宅供暖中使用，可供同行在工程設計和產品開發時參考。
關鍵詞：住宅銅鋁、散熱器評析
1概述
我國的住宅建設，在近幾十年內每年的建設量約為5.0億m2，其中較大部分在採暖區，年需散熱器約為1.5億片（摺合鑄鐵四柱--600型散熱器）。加上舊房改建及老供暖系統更換散熱器，數量會更多一些。由於建設部已明令自2000年10月1日起實施按戶計熱與控制，並且城市供熱方式還是以城市集中供熱為主，所以適合熱水供暖使用的散熱器仍然是我們研究的重點。已於2001年4月1日實施的國家採暖通風與空氣調節設計規範採暖部分，對鋁製散熱器的內防腐及鑄鐵散熱器內腔不含粘砂等問題提出了明確的要求。在現有的各種散熱器中，鑄鐵散熱器要推廣和採用內腔無粘砂新工藝；鋼（板）制散熱器沿需解決人防腐技術；鋁製散熱器按即將實施的建工行業標準要求，必須採用人防腐措施，以能適用於水的pH≤12,氯離子含量≤120ppm的供暖系統。而新型銅鋁散熱器是以銅管為通水部件、充分發揮銅材耐腐蝕的優點；以鋁材做成散熱部件，充分發揮鋁材密度小、易成型等優點，可以生產在型式、尺寸、重量等方面都能適合住宅使用要求的產品。本文將重點介紹我國目前興起的幾種新型銅鋁散熱器，以供同行選用或開發產品時參考。
2住宅對散熱器的要求
一般說來，住宅用散熱器的要求為"安全可靠、輕薄美新"。"安全可靠"包括熱工效能及製造質量兩大方面。要求在規定的壓力條件下不漏水、在與普通鋼管近似的有效使用年限內安全工作且散熱量無大的衰減、以及不會對人體造成損傷等方面；"輕"指採用鋼、鋁、銅、塑等薄壁輕型材料生產散熱器，以減輕散熱器自重，以及在熱工效能提高的基礎上減少金屬用量；"薄"指散熱器的厚度（寬度）儘量小一些，以少佔平面面積，希望厚度在40～100mm範圍內；"美"指散熱器的外形、尺度、比例、色彩能與建築裝修協調且有良好的表面處理；"新"造型新穎及新材料、新工藝、新技術的採用。
我國是發展中國這，住宅有高、中、低檔的判別，所使用的散熱器也應當有不同的檔次以滿足不同標準住宅的要求。但上述的一般要求則是一致的。對此要求，新型銅鋁散熱器有極大的適應性。面對我國的現實情況，將散熱器的通水部件和散熱部件區別對待，各用其材分而治之，可能是發展我國散熱器生產、保證安全使用的新出路。
3新型銅鋁散熱器的主要優點
本產品的突出特點就是將散熱器中通風部件與散熱部件分別處理、發揮銅材耐蝕特長及鋁材重量輕、導熱好、易成型的特點，具體優點分述於後：
3．1以銅管作通水部件，耐蝕能力強，可以保證使用壽命高於供暖系統所用普通鋼管的使用壽命。按國家標準《工業迴圈冷卻水處理規範要求》（GB50050-95），碳鋼管壁的年腐蝕率應小於0.125mm/a；銅、銅合金及不鏽鋼管管壁的年腐蝕率應小於0.005mm/a。亦即銅管的耐蝕能力約為碳鋼管的25倍。即是用壁厚0.5mm的銅管也相當於壁厚12.5mm碳鋼管的耐蝕年限。
3．2以銅管為通水部件，可以達到較高的承壓能力，提高散熱器的工作壓力。
按照國家標準《銅及銅合金拉制管》（GB/T1527-1997）的`規定，對T2、T3牌號的銅管，產品的壁厚範圍為0.5～10mm，出廠液壓試驗壓力的計算公式為：
P=2·S·t/(D-0.8t)(MPa)
式中，t為壁厚（mm）；D為管外徑（mm）;S為允許應力（純銅為41.2MPa）。按此公式計算求得不同管徑及壁厚銅管的出廠試壓值見表1，據此可以根據散熱器工作壓力的要求選用不同壁厚的銅管。
常用銅管出廠試驗壓力計算值（MPa）表1
外徑壁厚（mm）
0.50.60.70.80.91.01.1
152.823.403.99
162.643.193.74
192.222.672.13
202.102.532.97
221.912.302.69
251.672.022.362.71
271.551.862.182.50
411.431.631.842.052.26
451.31.471.671.862.05
注：本表根據GB/T1527-1997所列計算公式求得。
3．3以鋁材作散熱部件，密度小、易成形。可按熱工及使用要求做成不同形狀及尺寸，減輕散熱器自重，提高產品的金屬熱強度。
鋁材的導熱效能好，其密度為2.7g/cm3。而鋼為7.8g/cm3。顯然用鋁材作散熱部件，在達到同樣散熱面積時的材料重將大大低於碳鋼及鑄鐵。銅鋁散熱器的金屬熱強度，一般可達2.2W/(kg·℃)以上，約為鑄鐵散熱器的五倍，鋼製散熱器的3倍以上。
至於銅鋁散熱器雖然使用了一些銅管，但因壁厚很薄，重量也會相應減少。
3．4採用脹管工藝可保證水道與散熱部件的緊密結合。脹管工藝有液壓脹管和機械脹管兩種，都能滿足散熱器傳熱的基本要求。而銅管所需的脹管壓力大大低於鋼管，便於工藝實施。
3.5生產過程中無汙染，可以避免鑄鐵散熱器生產時對環境的極度汙染，或其他型別散熱器防腐處理等工藝過程中的汙
染。
4幾種新型銅鋁散熱器簡介
目前我國已出現的銅鋁散熱器，大致有以下四種形式：
（a）罩式銅鋁對流散熱器：特點是有鋼製外罩，罩寬有90、100、120、140mm幾種規格；罩高有多種規格。外罩有單體式和連續兩種；罩內散熱元件為較大尺寸的銅管（Φ27）串鋁片.其金屬熱強度約為2.0～2.3W/(kg·℃)。
（b）閉式銅管鋁片對流散熱器：特點是省去了鋼外罩，利用鋁翅片折邊後造成閉孔氣流通道（與閉式鋼串片近似）。因而極大的減輕了散熱器自身的重量，其金屬熱強度一般在2.8W/(kg·℃)以上。
（c）銅鋁複合柱翼型散熱器：特點是外鋁內銅，通水部件為薄壁銅管，採用脹管及銅焊技術生產，形式為立管柱翼型。熱工效能取決於鋁製翼片的構造形式及厚度，一般可達2.0～2.5W/(kg·℃)。
（d）壓鑄複合銅鋁柱翼型散熱器：特點是先以銅管焊成骨架，透過壓鑄工藝做成散熱器，然後用絲對連線組合成整組散熱器（與鑄鐵散熱器的組合方式相同）。其金屬熱強度約為1.4W/(kg·℃)上下。
4．1罩式銅鋁對流散熱器
目前的產品多為兩根銅管分別串鋁片成為散熱元件，外用薄鋼板作成對流罩，罩寬多在90～140mm範圍內。由於目前尚未制定國家行業標準，所以產品尺寸尚無統一規定，一般是鋼製翅片管散熱器的尺寸選定。並根據住宅用散熱器要求的減少厚度的需要，增加薄型產品。根據目前的產品情況及研究成果，對於罩厚為1200mm的產品，鋁片的片距約為6.5～7.1mm；鋁板厚度0.4～0.5mm。脹管工藝可用液脹或機械脹。
這種散熱器。其散熱元件由於是銅、鋁結合構件，可以滿足耐蝕及散熱的不同要求。但外罩為薄鋼板製作，這是散熱器的外表，對加工質量及造型就有較高的要求。目前的產品所用鋼板厚度多數較小，難以在加工後保持規正挺直，這是今後應注意研究改進的問題。罩厚120m的產品，罩高為600mm，罩長為1000mm(聯箱包在罩內)的標準散熱量（Δt=64.5℃）可達1715W，金屬熱強度可達2.3W/(kg·℃)。對照國家建工行業標準JG/T3012.12-1998，罩高500mm，罩寬120mm的鋼製翅片管對流散熱器的標準散熱量要求為1650W。為4根散熱管。可見本產品用兩根銅鋁散熱元件大致可達到四條鋼製散熱元件的標準散熱量，而其使用壽命卻可提高几倍。
4．2閉式銅管鋁串片對流散熱器
從瑞典引進技術並結合我國國情進行技術改進後生產的溫控式銅鋁對流散熱器，實際是在閉式銅鋁對流散熱器的基礎上按訂貨要求再加裝溫控閥。主體部分是新式的銅管鋁串片（閉式）散熱器。這個產品研製中的多項技術改進，提高了閉式串片對流散熱器的檔次，成為一種新的、裝飾性好的超薄型散熱器，極適合我國目前住宅的需要。
其構造特點為：
（1）散熱器厚度（寬度）為60mm，高度為300、400mm。器內為多根Φ16銅和串整片的鋁製翼片。散熱器內的水道為多管並聯單回程環路，器外設同側進出水口。
（2）散熱器兩頭加設裝飾性封頭，把水管連線件包裝起來。
（3）散熱器上加裝橫向條式出風口。
（4）由翼片折邊270°，連續組合後形成閉式氣流通道（不需另外加罩）。同時由於兩翼片在折邊後為凹凸槽對裝，可保證組合後的板面平整及嚴密。
（5）銅管與翼片為脹管連線（液脹或機械脹）。
按照本產品測試情況，外形全長為1300mm，其內的有效散熱管長度為1100mm（兩端各加有100mm的裝飾罩），片高為310mm，片寬為60mm，其標準散熱量為1388W。對照我國建工行業標準《鋼製閉式串片散熱器》（JG/T3012·1-1994），中片寬80mm，片高300mm的閉式鋼串片散熱器，其最小散熱量為1188W/m，標準中規定片長計算時不包括聯箱在內。而本產品的有效散熱管長度為1100mm，折算為1000mm時的散熱量即為1261W/m，超過鋼製閉式串片散熱器的散熱量要求，有利於工程中選用或轉換。其金屬熱強度達2.88W/(kg·℃)。
本產品的突出特點，除前已闡明的銅鋁散熱器共有的優點外，主要是利用鋁片折邊形成氣流通道，減去了鋼製對流罩，簡化工藝，節省材料；其二是散熱器厚度僅為60mm，可稱為超薄型。這就使對流型散熱器的厚度達到了目前鋁製散熱器及其他薄型散熱器的厚度，減少佔地面積。其三是透過兩端加裝飾罩使聯箱（管）內藏、上頂加裝橫條出風口、鋁片間採用凹凸拼拼裝以提高表面平整度，使散熱器的外觀質量大大提高。
我國自20世紀70年代開始引進生產各種鋼製散熱器以來，閉式鋼串片散熱器是在引進的基礎上經我國創新、改進的一種散熱器，適合我國國情、取得了很大的的發展。但對於管式翼片間要求的緊密連線，在工藝保證方面尚有些困難。而閉式銅鋁對流散熱器，則既有閉式鋼串片散熱器的優點，同時在型式改進後，外觀質量及耐蝕能力均提高了很大的檔次；由於銅和脹管所需壓力較小，工藝較為簡單，脹接工藝可以保證管、片的緊密結合，所以壽命長而傳熱穩定，是一種非常適合我國國情和住宅使用的中、高檔散熱器。
4．3銅鋁複合柱翼型散熱器
鋁製散熱器在無內防府處理的情況下，只能在熱媒水的pH=5～8.5的供暖系統中使用，否則會產生極強的鹼性腐蝕。但鋁製散熱量體輕貌美，極受人們歡迎。解決的辦法只有兩條，一條是研究和搞好內防腐；二是開發銅鋁或鋼鋁複合型散熱器。本文所述的銅鋁複合柱翼型散熱器就是一種銅骨鋁貌的新產品。通風部件全部為銅管、散熱部件為鋁製翼型管，兩者透過脹管進行復合，保證傳熱良好。
由於其外貌及外部散熱部件與鋁製柱翼型散熱器雷同，所以其尺寸及散熱量也大致相同。金屬熱強度會略低於對應鋁製產品（因這銅的密度8.9g/cm3）。但不會有很大的影響。銅鋁複合柱翼型散熱器的行業標準尚未制定，尺寸及散熱量要求，可參照我國建工行業標準"鋁製柱翼型散熱器"的相關條文。值得說明的是：由於柱翼型散熱器每柱的長度（立柱本身及組裝間隙）變化很大，標準中難以一一按單柱尺寸列出。標準中的散熱量要求是按不同的同側接管中心距及散熱器厚度（寬度），折算為組合長度L=1000mm時的名義散熱量（見表2）。而送檢標準樣片的組合長度規定為1000+100mm，其內柱數不限。但生產廠家應根據送檢樣片的真實柱數求出每柱的平均散熱量並依此編制產品樣本，以便於工程選用。工程中只能按柱數選用，不可能按名義散熱量選用。因為多柱組合時，由於每柱長度的不同，不太可能使各廠的產品都正好達到L=1000mm。（銅鋁複合柱翼型散熱器單柱的長度一般為60～100mm）。
鋁製柱翼型散熱器的散熱量要求
（國家建工行業標準JG143-2002）表2專案符號單位引數值
同側進出口中心距H1mm300400500600700
散熱器高度Hmm340440540640740
散熱器寬度（亦稱厚度）Bmm50/60
組合長度Lmm400～2000
名義散熱量（L=1000mmΔt=64.5℃）QmW/m800/8501070/11401280/13601450/15201600/1680
工作壓力PaMPa≥0.8
注：1.寬度B為散熱器外形最大寬度
2．名義散熱量是根據送栓樣片實測數值按長度折算為L=1000mm的相應散熱量。
3．送檢樣片的組合長度為1000±100mm。
4．散熱器高度H為推薦值。
銅鋁複合柱翼型散熱器中的鋁翼管，完全可以採用已有的鋁製柱翼型散熱器的研究成果，但翼管中圓管的內徑必須與所用銅管相配合，並要求一定的橢圓度，以便於串管及控制脹管量。本產品的脹管量一般為0.40～0.60mm，並要達到使鋁翼管的圓管也有微脹，確保結合緊密。所用銅管的牌號為T2、T3，但由於銅管出廠狀態有硬（符號為Y）、半硬（Y2）、軟（M）三種，出於加工的需要，本產品立柱部分與鋁翼管串裝的銅管應用半硬銅管，而上下聯箱因鑽孔的需要需採用硬銅管。兩者的壁厚可按表一選定。
本產品的金屬熱強度略低於全鋁產品，但亦可達2.0～2.6W/(kg·℃)。市場銷售的熱價格亦有內防腐的鋁製柱翼型散熱器相差不多，約為0.3元/W（按標準散熱量計算）。
銅鋁複合柱翼型散熱器的優點，除前述的銅鋁散熱器共有的優點處，主要有以下幾點：一是內銅外鋁，鋁貌銅骨，可以達到"安全可靠、輕薄美新"的綜合要求，基本屬於輻射散熱器，外表面溫度較高，易於被使用者接受（相對於對流型散熱器而言）。二是充分發揮了銅管耐蝕及鋁材質輕並易成開拓的特點，外形變化較多，不僅為熱工效能的提高留有餘地，並且千姿百態的產品也可滿足不同使用者的需求。
單就不同金屬複合柱翼型散熱器而言，自然尚有鋼鋁（碳鋼）、不鏽鋼鋁複合等不同產品，各有優點，但不在本文敘述範圍之內。僅就脹管工藝而言，銅管是最易脹管的。
4．4壓鑄複合銅鋁柱翼型散熱器：該產品的主要優點是原料可以使用廢鋁（加收廢），不僅成本可降低，併為廢鋁回收開闊出路。並且鑄鋁產品的整體剛性好。由於生產工藝的限制，在多片組裝時介面較多（鑄鐵散熱器亦有此缺點），增加了可能漏水的因素。但這一問題，只要組對及運輸（或現場組對）時多加註意，是能夠保證不漏水的。
5設計選用注意問題
5．1對橫管式對流散熱器而言，由於散熱器的管內水流速較高，且不同的採暖系統，該水流差別也較大。而散熱量卻與管內水流速有直接而明顯的關係。目前標準測試是按進、出水溫差10℃進行測試，其管內水流速極低。對於較高流速時散熱量隨水流速變化的計算公式或修正係數卻沒有給出，所以工程設計人員要特別注意這一問題。也有的產品樣本列出了高水流速（0.9m/s）的數值，然後又提供低水流速的衰減係數，但這一方式不符合我國現行測試標準規定，此外就是提供的衰減係數也不一定可靠。如果與實際工程條件有差異，容易導致散熱器數量不準。除此而外，管式對流散熱器內的小環路有單流程和雙流程（或多流程）之分，其阻力也有差異，應當注意。
5．2銅鋁（或鋼鋁）複合柱翼型散熱器的選用，要特別注意熱工測試報告中的散熱量、名義散熱量與產品樣本所列散熱量是否一致，以及頂部裝飾罩的加設是否對散熱量產生影響等問題。
5．3銅鋁散熱器是輕型、薄型散熱器，外形美觀，無需暗裝。運輸及安裝、使用時要仔細對待。
以上重點介紹了我國目前興起的三種銅鋁散熱器。時代的發展不僅對散熱器提出了新的要求，也為散熱器使用少量的銅材提供了可能。其實在空調產品、給水管道等方面早就使用銅材。當然，我國幅員廣大，散熱器需量極大，事實上不可能是一種產品一統天下。但針對我國目前情況，熱媒水的管理及水質控制尚難滿足鋼製散熱器的要求，而銅鋁散熱器可以保證使用要求，能做到設計選用者放心、承包商安心、使用者稱心。只要生產廠把住焊接質量關就不會出現嚴重的漏水事故。我國目前對該產品的研究和開發，已與歐洲等地達到了同步狀態，而不像其他散熱器那樣滯後，這就有可能形成有中國特色新一代散熱器，為開闢國際市場創造條件。
以上所談，僅供同行參考。不當之處望指正。
參考文獻
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