螺纹铜管的齿形特点,分析锯齿形、三角形等典型齿形的几何结构和强化传热机理空调铜管 。在此基础上,系统阐述内螺纹铜管的设计要素,如螺纹高度、螺距、螺纹角度等参数对传热强化效果的影响规律。结合具体工程案例,总结内螺纹铜管在冷凝器、蒸发器等设备中的设计要点和选型策略。探讨内螺纹铜管的加工工艺,提出了切削、滚压、挤压等成型方法的工艺参数和质量控制措施。
一、内螺纹铜管的齿形特点
1、锯齿形螺纹
锯齿形螺纹通过非对称三角牙型的创新设计，展现出独特的流体调制能力空调铜管 。
其承载面（工作侧）采用3°缓坡结构，非承载面（非工作侧）则形成30°陡坡，这种牙型角差异使螺纹在流体通过时产生动态流态转换效应：当流体沿缓坡向下流动时，受层流特性影响形成稳定轴向运动，压力梯度较小；而反向流动时，陡坡结构引发流速突变（实验测得流速增幅可达200%），导致层流边界层破裂并诱发马蹄涡等二次流结构空调铜管 。这种周期性流态变化使近壁面剪切应力提高3-5倍，有效减薄边界层厚度达40%，显著增强传热效率。
更值得关注的是，螺纹切向分力产生的轴向推力（理论推力系数Ct≈0.85）与重力协同作用，形成定向流动模式，在垂直管路中可使流体输送效率提升15%-20%，同时抑制直径＞50mm管道中的层流死区空调铜管 。该特性在石油管道密封连接中已实现泄漏率＜10^-5 Pa·m³/s的优异表现。
2、三角形螺纹
三角形螺纹是一种对称型螺纹,其齿型轮廓为等腰三角形,两个斜面倾角相同空调铜管 。齿顶、齿根多采用圆弧过渡,以减小应力集中。
三角形螺纹通过独特的"扰动-分离-再附"动态循环机制显著提升传热效率空调铜管 。当流体流经螺纹凸起时，非对称牙型结构引发流动分离，产生马蹄涡等二次流结构（实验测得涡核速度可达主流速度的1.8倍），导致边界层厚度从初始值δ₀缩减至δ=0.35δ₀，同时雷诺应力增强3-5倍 。在螺纹凹谷区域，流动因曲率效应发生分离，形成直径约3-5倍螺距的环形回流区，该区域涡旋强度随螺距比(P/D=1.2-1.5)呈指数增长，涡量峰值可达主流区5倍以上。随后分离流体在后续螺纹的切向力作用下重新附着壁面，触发新一轮边界层发展-破坏循环。这种周期性流动结构使近壁区湍流脉动强度提高200%-300%，努塞尔数（Nu）较光管提升2.8-4.2倍，同时压降系数（f）增幅控制在1.8倍以内，实现高效传热与低能耗的优化平衡。
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三角形螺纹的对称性还有助于减小流阻空调铜管 。两个斜面受到的切向分力大小相等、方向相反,轴向合力为零,因此压降增幅远小于非对称型螺纹。
3、梯形螺纹
梯形螺纹是一种齿型介于锯齿形和三角形之间的过渡型螺纹,其齿型轮廓为不等腰梯形,两个斜面倾角不等,且倾角差异小于锯齿形螺纹空调铜管 。
梯形螺纹集合了锯齿形螺纹的定向泵送作用和三角形螺纹的湍流扰动作用,强化传热机理更加复杂空调铜管 。流体在缓斜面上有一定的层流停留时间,而在陡斜面上则发生掺混和紊动,兼具层流传热和湍流传热的特点。
此外,梯形螺纹的过渡型设计,在一定程度上平衡了热阻和压阻的矛盾空调铜管 。其非对称性虽然会造成一定的压降,但同时也避免了完全对称时的传热盲区。
二、内螺纹铜管的传热
1、影响传热的关键参数
(1) 螺纹高度
螺纹高度（Hf）指齿顶至齿根的径向尺寸，直接影响传热强化效果与流动阻力空调铜管 。实验数据表明，当Hf从0.1mm增至0.25mm时，努塞尔数（Nu）提升1.8-2.3倍，但摩擦系数（f）同步增加1.5-2.0倍 。工程应用中需权衡传热增益与压降代价，推荐Hf取值0.15-0.20mm以平衡效率与能耗。
(2) 螺纹螺距
螺距（P）为相邻螺纹齿的轴向间距，其倒数（1/P）表征单位长度螺纹密度空调铜管 。当P从1.2mm减小至0.8mm时，湍流脉动强度提升40%-60%，但流态变化频率增加导致压降波动幅度扩大30% 。对于R32制冷剂系统，推荐螺距与管径比（P/D）控制在0.08-0.12区间，以实现最优传热-流阻比。
(3) 螺纹角度
螺纹角度（β）定义为螺纹斜面与管轴的夹角，决定流体扰动强度空调铜管 。β=15°时，二次流涡旋强度达到峰值（涡量值较β=25°时提升2.5倍），但压降系数（f）增幅达1.8倍；β=20°时，综合性能最优，传热系数提升1.5倍而压降仅增加1.3倍 。需结合制冷剂物性（如R410A的高黏度特性）调整角度选择。
(4) 螺纹齿型
锯齿形齿：非对称牙型（承载面3°/非承载面30°）通过泵送效应增强定向流动，适用于重力辅助系统，传热效率较光管提升2.8倍，但加工精度要求达IT6级空调铜管 。
三角形齿：对称等腰牙型（顶角60°）通过"扰动-分离-再附"机制强化湍流，压降较锯齿形低30%，适合高雷诺数（Re10⁴）工况空调铜管 。
梯形齿：过渡型牙型（顶角45°-60°）平衡泵送与湍流效应，综合性能因子（PEC=2.2-2.5）优于单一齿型，适用于宽工况范围系统空调铜管 。
(5) 铜管直径
内径（d）范围5-16mm，遵循"小径强化"原则：当d从16mm减至5mm时，传热系数提升2.5倍，但加工难度指数（DHI）从1.2增至3.8（以光管为基准1.0） 空调铜管 。需结合胀管工艺优化，推荐d=7-12mm时采用R32制冷剂，d=5-7mm适配CO₂跨临界系统 。
2、传热系数与流阻系数
传热系数(HTC)和流阻系数(FFC)是评价强化传热管性能的两个关键指标空调铜管 。前者反映了管壁与流体之间的热量传递能力,后者反映了流体在管内流动时受到的阻力大小[7]。理想的强化传热管应该在大幅提升HTC的同时,尽可能控制FFC的增加。
内螺纹铜管的HTC一般是光管的2~5倍空调铜管 。齿型参数的优化匹配,可使HTC提高40%以上。但与此同时,内螺纹铜管的FFC也要高出光管50%~150%[8]。因此,设计时需要在传热和流阻之间寻求平衡,避免片面追求强化倍数而带来过大的压降代价。
3、性能评价准则
为了综合评判内螺纹铜管的强化传热效果,需要引入一些性能评价准则,将HTC和FFC关联起来考虑空调铜管 。
常用的准则有:
(1)性能评价系数(PEC):定义为强化管与光管之间的努塞尔数(Nu)与流阻系数之比,PEC越大,表明在相同流阻下,强化管的传热系数越高空调铜管 。
PEC=\frac{Nu_e/Nu_0}{(f_e/f_0)^{1/3}}
其中,Nu_e、f_e分别为强化管的努塞尔数和流阻系数,Nu_0、f_0分别为光管的努塞尔数和流阻系数空调铜管 。
(2)热阻系数比(RR):定义为光管与强化管之间的总热阻之比,RR越大,表明强化管的传热性能越优于光管]空调铜管 。
RR=\frac{R_0}{R_e}=\frac{1/U_0}{1/U_e}
其中,R_0、U_0分别为光管的总热阻和总传热系数,R_e、U_e分别为强化管的总热阻和总传热系数空调铜管 。
(3)等压降传热系数比(HE):定义为强化管与光管在相等压降时的对流传热系数之比,HE越大,表明强化管的减阻效果越明显空调铜管 。
HE=\frac{h_e}{h_0}|_{\Delta p=const}
其中,h_e、h_0分别为强化管和光管的对流传热系数,\Delta p为两者之间的压降差空调铜管 。
内螺纹铜管的PEC一般在2.5之间,RR在1.5之间,HE在1.3~2.0之间空调铜管 。不同齿型和参数组合下,这些准则值会有所不同,需要具体问题具体分析。
三、内螺纹铜管的设计要点
1、冷凝器中的应用设计
冷凝器作为制冷空调系统的核心热交换部件，其传热效能直接决定了系统能效比（COP）与运行经济性空调铜管 。内螺纹铜管通过创新的螺纹结构设计，在冷凝过程中构建了复杂的气液两相流动场，显著提升了传热性能。其非对称螺纹轮廓（如承载面3°/非承载面30°的锯齿形结构）通过离心力作用使制冷剂液膜呈现螺旋状分布，有效减薄冷凝液膜厚度达40%-60%，同时增加汽化核心数量2-3倍。
这种结构特性在R410A等制冷剂系统中表现尤为突出：当采用螺距P=0.8mm、齿顶角18°的梯形螺纹时，冷凝换热系数（h_c）较光管提升1.8-2.2倍，且冷凝压力可提高15%-20%空调铜管 。更关键的是，螺纹切向分力产生的二次流扰动（雷诺应力增幅达3-5倍）能延缓液膜破裂进程，使沸腾传热恶化点推迟至干度x=0.85以上，相比传统螺纹提升15%-20%的临界热流密度。工程实践表明，采用Φ5mm细径内螺纹铜管的冷凝器，在R32制冷剂系统中可使压缩比降低12%-15%，同时维持压降在ΔP50Pa的合理区间，为高能效空调系统设计提供了关键技术支撑。
冷凝器中的内螺纹铜管设计应重点考虑以下因素:
(1)制冷工况:不同的冷凝温度对应不同的最佳齿型参数空调铜管 。如低温冷凝时,宜选择高度较小、角度较缓的锯齿形或梯形螺纹,避免过度的流动阻力;而高温冷凝时,则宜选择高度较大、角度较陡的三角形螺纹,以获得更强的湍流扰动。
(2)制冷剂种类:不同的制冷剂对螺纹齿型的适应性不同空调铜管 。如R22、R134a等传统制冷剂,与锯齿形、梯形螺纹匹配较好;而R410A、R32等制冷剂,则与三角形螺纹更为契合。
(3)冷凝器型式:不同的冷凝器对内螺纹铜管的布置方式有不同要求空调铜管 。如竖直式冷凝器,宜采用锯齿形螺纹,利用重力效应形成定向流动;而卧式冷凝器,则宜采用三角形螺纹,减小流体的分层化倾向。
(4)系统匹配性:内螺纹铜管改变了冷凝器的流阻特性,因此在系统设计时,需要重新匹配压缩机、节流装置等部件的选型和控制策略,确保系统的协调运行空调铜管 。
2、蒸发器中的应用设计
蒸发器作为制冷空调系统的核心换热部件，其传热效能直接决定了系统制冷量与供冷品质空调铜管 。内螺纹铜管通过创新性的螺纹结构设计，在蒸发器中构建了复杂的气液两相流动场，显著提升了传热性能。其非对称螺纹轮廓（如瘦高齿、交叉齿等）通过离心力作用使制冷剂液膜呈现螺旋状分布，有效减薄冷凝液膜厚度达40%-60%，同时增加汽化核心数量2-3倍。
这种结构特性在R410A等制冷剂系统中表现尤为突出：当采用螺距P=0.8mm、齿顶角18°的梯形螺纹时，蒸发换热系数较光管提升1.8-2.2倍，且蒸发温度可提高2-3℃空调铜管 。更关键的是，螺纹切向分力产生的二次流扰动（雷诺应力增幅达3-5倍）能延缓液膜破裂进程，使沸腾传热恶化点推迟至干度x=0.85以上，相比传统螺纹提升15%-20%的临界热流密度。工程实践表明，采用Φ5mm细径内螺纹铜管的蒸发器，在R32制冷剂系统中可使比冷量提升18%-25%，同时压降控制在ΔP50Pa的合理区间，为高能效空调系统设计提供了关键技术支撑。
蒸发器中的内螺纹铜管设计应把握以下要点:
(1)蒸发工况:蒸发温度越低,气液密度差异越大,流态分层化越严重空调铜管 。因此低温蒸发时,宜选用锯齿形或梯形螺纹,利用其非对称性诱导气液掺混;而高温蒸发时,则宜选用对称性较好的三角形螺纹,减小压降损失。
(2)含油状况:蒸发器内往往残留一定量的润滑油,其在螺纹表面的吸附会恶化传热空调铜管 。因此含油量高时,宜选用高度较大、夹角较小的螺纹,以减少润滑油积聚;含油量低时,则对螺纹形状的要求相对宽松。
(3)分配器匹配:蒸发器常采用分配器将气液两相制冷剂均匀分配到多根并联盘管中空调铜管 。内螺纹铜管会影响盘管的压降特性,因此需要重新设计分配器的结构尺寸,优化其分配性能。
(4)系统调控:蒸发器出口过热度是制冷系统调控的重要参数空调铜管 。采用内螺纹铜管后,可适当降低过热度设定值,减少蒸发器的"过冷段",提高制冷剂的蒸发利用率。