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关于冷媒和空调制冷用铜管工作压力的详细描述

[ 关键词:空调制冷用铜管工作压力 发表日期:2020-03-27 10:37:11 ]

  本文对冷媒和空调制冷用铜管的工作压力进行了描述,对常用规格铜管的爆破压力的计算值和实测值,以及铜管制成热交换器后的试验压力和爆破压力进行了试验测试和分析讨论。空调制冷铜管在制成热交换器后,装在空调机中,冷媒在其中循环,这就要求铜管在冷媒的工作压力下长期工作不泄漏、不变形、更不能爆破。因此铜管和热交换器能否长期安全工作和冷媒的工作压力有直接关系。

一、几种常用冷媒的工作压力

  目前常用空调冷媒 R22的工作压力为 1.5MPa 稍高些,我们且按 1.6MPa 计算这个工作压力比较低,以前空调管路和热交换器多数是按此工作压力设计的。由于环保的要求,近几年多数空调生产厂家采用新型环保冷媒,它们的工作压力也各不相同。

现将我们所知的几种常用冷媒的工作压力介绍如下,见表1 :

表1 常用冷媒标准工况下的工作压力最高工作压力( MPa)

R12 1.35
R22 1.6
R134a 1.1
R407C 1.8
R410A 2.4

二、铜管的工作压力和爆破压力

1 铜管的工作压力

  由于空调制冷装置的工作压力比较低,所以在中国的 GB、美国的 ASTM 、日本的 JIS 和欧洲标准 EN中,空调制冷用铜管专用标准都未对水压试验做强制性规定,而是在无损检测一条中规定从涡流检测、水压试验、气压试验三种检测方法中由铜管制造厂任选一种,一般都是选用涡流检测。如果做水压试验,中外标准中的规定几乎是相同的。具体做法如下:静水压试验的压力,按薄壁中空圆柱体承受张力的公式来计算, 试验压力不超过 6.9MPa( 1000Psi )。

在此压力下持续时间 10~15 秒钟,铜管应无泄漏、无变形。

计算公式为:P=2× S× t/( D- 0.8t )

式中:

P——试验用水的静压力,MPa

t ——管材壁厚,mm

D——管材外径,mm

S——材料的允许应力,MPa

TP2铜管的允许应力规定 S=41.2MPa( 6000Psi )。

按照这一世界各国基本统一的规定计算出几种空调制冷用铜管的水压试验压力值如表2:

表2 常用规格铜管的水压试验压力(最高工作压力)

序号 TP2铜管规格:光管:外径×壁厚
内螺纹管:外径×底壁厚×齿高(mm)
水压试验压力(MPa)
1 φ 9.52 × 0.7 6.44
2 φ 9.52 × 0.5 4.52
3 φ 9.52 × 0.35 3.12
4 φ 9.52 × 0.30 × 0.20 2.66
5 φ 9.52 × 0.28 × 0.12 2.48
6 φ 9.52 × 0.27 × 0.16 2.39
7 φ 7 × 0.27 × 0.15 3.28
8 φ 7 × 0.25 × 0.18 3.03

  按照这一计算值,如果使用 R410A冷媒,采用外径 φ 9.52mm 壁厚或底壁厚为 0.28mm 的铜管还是比较安全的。另外在 GB18033 —2000 《无缝铜水管和铜气管》标准中规定,按上式计算的压力(即表 2中的水压试验压力)为最高工作压力 ,而试验压力为最高工作压力的 1~1.5 倍,持续 10~15 秒铜管应无泄漏、无变形——这是无缝铜水管和铜气管标准中的规定。

2 铜管的爆破压力

  爆破压力是指铜管内液体压力平稳升至铜管爆破时的压力值。这一数值除了和铜管的外径与壁厚有关外,还和铜管的抗拉强度有直接关系。将前述压力计算公式中 S值按铜管的抗拉强度计算就可得出铜管的理论爆破压力,其数值比较接近铜管的实测爆破压力。我们最近对常用的几种空调制冷铜管所做的水压爆破试验数值就和计算值很接近,详见表3:

表3 几种空调制冷铜管爆破压力的计算值和实测值

编号 TP2铜管规格(mm)光管:外径×壁厚
内螺纹管:外径×底壁厚×齿高
水压爆破压力(MPa) 爆破后外径(mm)
计算值 实测值
1 φ 9.52 × 0.7 32.03 31.00 φ11.6
2 φ 9.52 × 0.5 22.48 22.50 φ12.0
3 φ 9.52 × 0.35 15.53 16.50 φ11.6
4 φ 9.52 × 0.30 × 0.20 13.25 14.00 φ12.2
5 φ 9.52 × 0.28 ×0.12 12.34 12.50 φ12.3
6 φ 9.52 × 0.27 ×0.16 11.90 12.50 φ11.9
7 φ 7 × 0.27 × 0.15 16.32 16.50 φ8.5
8 φ 7 × 0.25 × 0.18 15.07 15.00 φ9.0

注:水压爆破压力按 P=2× σ b× t/( D- 0.8t )计算

式中:

P ——爆破压力, MPa

σ b——管材抗拉强度(按软态铜管 σ b=205MPa 计算)

t ——管材壁厚或内螺纹铜管之底壁厚 ,mm

D——管材外径 ,mm

三、热交换器的工作压力和爆破压力

  空调热交换器的工作压力比较低,一般空调厂检漏压力为 2.4MPa。做成热交换器后,铜管经弯管胀管(冷变形)加工对铜管的抗拉强度有一定提高,并且铜管外包裹有铝翅片,都会小幅度增加铜管的爆破压力。但由于弯管后 U形弯曲外侧壁厚减薄和胀管后整体壁厚减薄,又使爆破压力有所下降,做成热交换器后,再测试爆破压力要比单做铜管的爆破压力略有提高,国内某厂对热交换器的耐压要求是 10MPa 保持 5分钟不变形不渗漏。

  最近美国一家客户对制成的热交换器中铜管提出爆破压力要求,规定在 2100psi ( 14.5MPa )压力下保持 30秒不泄漏不爆破,为此我们用该客户订货的TP2 φ 9.52 × 0.30 × 0.20 内螺纹铜管,在空调器厂制做一台热交换器,对U型管逐根做耐压爆破试验,结果如表4:

表4 热交换器耐压爆破试验数据

编号 加压过程保压30秒时的压力 (MPa) 铜管爆破时的压力(MPa) 爆破位置
1 2 3  
1 14.6 15.5 16.5 17.00 靠近钎焊处的挡板下 40mn处
2 14.6 15.5 16.5 17.20 靠近钎焊处的挡板下 5mn处
3 14.6 15.5 16.5 16.90 U形弯曲部外侧
4 14.6 16.0 16.5 17.00 U形弯曲部外侧
5 15.0 16.0 16.5 17.20 铝翅片边缘处
6 14.6 16.0 16.5 16.80 铝翅片边缘处
7 14.6 16.0 / 17.10 U形弯曲部外侧
8 14.6 16.0 / 17.30 靠近钎焊处的挡板下13mm
9 14.6 16.5 / 17.40 U形弯曲部外侧
10 14.6 16.5 / 16.70 靠近钎焊处的挡板下2mn处
平均爆破压力 17.06  

从这一件十根U型管的热交换器,对U型管逐根做爆破试验的数据可以看出:

(1)每一根U型管的爆破压力都超过美国某公司要求的 2100psi(14.5MPa) 。

(2)爆破口发生在靠近钎焊处的挡板下 2mm处,受钎焊热影响较大的一根U型管,是爆破压力最低的,为 16.7MPa 。

(3)爆破口发生在热交换器侧面的 2根铜管在铝翅片的边缘,铜管距铝翅片边缘仅 1mm ,其爆破口远离钎焊处挡板 100mm 和430mm,其爆破压力为 17.2和16.8MPa。这说明远离钎焊热影响区受 1mm 宽的铝翅片的包裹也会使爆破压力提高。

(4)由于受钎焊热影响较小,并且铜管在铝翅片的中间,受铝翅片的加强,因此有 4根铜管爆破裂口发生在U形弯曲处外侧。此处虽然受弯管影响,底壁厚减薄,但是铜管受到弯管加工 , 硬化的影响,使铜管的抗拉强度提高很多,所以此处爆破压力仍然高出软态铜管的爆破压力,其爆破压力最低为 16.9MPa 。

(5)我们在另外的热交换器爆破试验中,曾发生过因钎焊的热影响较严重或钎焊小弯头时套接长度不够,从而爆破口发生在靠近钎焊处挡板的上面,这时,爆破压力就较低。

四、影响热交换器爆破压力的因素

归纳起来有两方面:

1 使爆破压力提高的因素

⑴ 铜管经弯管、胀管等冷加工,使铜管冷作硬化,提高了铜管的强度。

⑵ 做成热交换器后铜管外包裹了铝翅片,提高了铜管承受张力的能力。

2 使爆破压力降低的因素

⑴钎焊加热会使靠近焊缝附近的铜管被退火,严重时甚至产生过热和过烧。这样就会使铜管的强度降低。

⑵钎焊小弯头或其他管件时,如果套接长度不够或装配不正,会使杯形口处,由原设计的双层套接钎焊铜管,变成单层退火铜管,使此处承受张力的能力降低。对此热交换器做爆破试验时,爆破口会在此薄弱处发生,其爆破压力会较低。

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