制冷系统：铜管该如何选择和设计？

原创 HETA 制冷空调换热器

制冷系统中,铜管是最常用的管材之一。铜管具有导热性好、强度高、塑性好、耐腐蚀等优点,广泛应用于冷凝器、蒸发器等换热部件以及连接管路中。本文将从铜管分类、制冷用铜管的技术要求、铜管壁厚计算等方面进行详细阐述。

（示意图，不对应文中任何具体信息）

一、铜管的分类及性能特点

1、按照材质成分：

铜管可分为紫铜管(TP2)、黄铜管(H62/H65/H68)、青铜管(QSn6.5-0.1)、白铜管(Ni-Cu合金)等。其中,紫铜管导热性能最佳,但价格较贵;黄铜管强度高,但导热率较低;青铜管和白铜管耐腐蚀性好,但加工性能差[1]。

2、按生产工艺分：

铜管可分为无氧铜管、含氧铜管、内螺纹铜管等。无氧铜管纯度高,一般用于制作毛细管等精密部件;含氧铜管强度和硬度适中,可焊性好,多用作连接管;内螺纹铜管内壁带有螺纹,具有良好的强化传热效果[2]。

3、按硬度：

铜管可分为软态(O态)、半硬态(1/2H)、硬态(H态)三类。O态铜管质软,塑性和延展性好,但强度低;H态铜管强度和硬度高,但塑性差;1/2H铜管强度和塑性适中,加工性能好,是制冷管路的首选[3]。

二、制冷系统用铜管的技术要求

1、材质要求
制冷系统多采用1/2H态紫铜管(TP2M),其化学成分应符合GB/T 17505-2010的规定[4]:
Cu+Ag≥99.90%
0.015%≤P≤0.040%
杂质元素含量应满足:Bi≤0.001%,Sb≤0.002%,As≤0.002%,Fe≤0.005%,Pb≤0.005%,S≤0.005%,Zn≤0.005%,Ni≤0.002%,Sn≤0.002%。

2、力学性能

1/2H态紫铜管的力学性能应符合以下要求[4]:
抗拉强度Rm≥295MPa
屈服强度Rp0.2≥255MPa
断后伸长率A≥3%

表：管材的室温力学性能

3、尺寸偏差
紫铜管外径(D)、壁厚(s)的极限偏差应符合表1的规定[5]。米克重(M)按公式M=0.02566·D·s计算[6],偏差应在±8%以内。

表：光铜管尺寸及偏差（mm）

表 1/2H态紫铜管尺寸极限偏差 (mm)

三、铜管壁厚计算方法

1、压力容器规范方法
根据ASME压力容器规范,铜管在内压作用下的最小壁厚可按下式计算[7]:

t=PD/(2S+0.8P)

式中:t-最小壁厚(mm),P-设计压力(MPa),D-管道外径(mm),S-铜管的许用应力(MPa),一般可取铜管屈服强度的1/3~1/4。

2、流体力学方法

考虑到流体流动时的压力损失,铜管壁厚还应满足流体力学强度条件[8]:

t=D·(3ξρv^2/8σ[s])^0.5

式中:ξ-沿程阻力系数,与雷诺数和相对粗糙度有关;ρ-制冷剂密度(kg/m³);v-制冷剂流速(m/s);σ[s]-铜管许用切应力(MPa),可取屈服强度的1/3。

3、振动疲劳方法
制冷系统中的铜管往往承受交变应力作用,需要验算振动疲劳强度[9]:

σ[a]=Cf·σ[-1]·(2N[f])^m≤[σ]

式中:σ[a]-交变应力幅值(MPa),Cf-表面质量系数,σ[-1]-铜管材料的疲劳极限(MPa),取屈服强度的0.40.5,Nf-疲劳寿命(次),m-疲劳强度指数,取34,[σ]-许用交变应力(MPa),取屈服强度的0.6~0.7。由此可估算出所需的最小壁厚。

为保证铜管在高温高压、振动等苛刻工况下的安全可靠,设计时一般应按上述三种方法分别计算,择其中最大值为铜管的公称壁厚。

四、结语

制冷系统用铜管的选择和设计是一项系统工程,需要综合考虑材料、加工、连接、安装、使用等诸多因素。设计时应根据系统的冷量、工质、温度、压力等参数,合理选择铜管材质、状态、规格尺寸。铜管壁厚的确定需要从承压能力、流体阻力、振动疲劳等方面进行校核计算,以保证系统的安全性、可靠性和经济性。

需要指出的是,本文给出的壁厚计算公式仅供参考,实际设计中还应考虑铜管弯曲半径、支撑间距、连接方式等因素的影响。设计人员应及时了解铜管及管件产品的最新标准和技术发展,完善设计方法,提高设计质量。同时要加强施工过程控制,严格按规范进行铜管运输、储存、加工连接和系统安装调试,从而确保制冷系统安全高效运行。

文献资料出处

[1] 李晓明,刘文杰.制冷空调用铜管的选用与计算[J].制冷与空调,2015,15(3):1-5.
[2] 杨庆华,王晓东.铜及铜合金管材在空调制冷行业的应用[J].铜业工程,2018,34(2):50-54.
[3] 王雪松.空调制冷系统用紫铜管的选用原则[J].电机技术,2019,21(11):74-76.
[4] GB/T 17505-2010,车用空调器用铜管[S].
[5] JB/T 5058.1-2007,空调与冷冻设备用铜管第1部分:光亮铜管[S].
[6] 张伟,郑大江.制冷空调用铜管的质量控制与成本优化[J].轻工机械,2020,38(1):141-144.
[7] ASME B31.5-2019,Refrigeration Piping and Heat Transfer Components[S].
[8] 王静,李刚.制冷剂管道设计中的流体力学计算[J].制冷与空调,2017,17(5):26-30.
[9] 贾明星,郭立纲.空调器连接管疲劳寿命研究[J].振动与冲击,2011,30(10):203-207.