新一代环保空调器高效设计与精密制造技术亮相第22届工博会

2020-09-16 17:51:40 来源: 科技日报 作者: 王春

詹飞龙 郭芙宝  科技日报记者王春

9月15日-19日,第22届中国国际工业博览会期间,上海交通大学多项技术成果得到展示,来自上海交大丁国良教授团队自主研发的新一代环保空调高效设计与精密制造技术也在工博会上亮相。
空调器通过换热管内制冷剂的流动传热提供冷热量,创造生活和工作需要的舒适环境。然而空调器的制造与使用也带来严重的环境问题:制冷剂破坏大气臭氧层、产生严重的温室效应,空调器运行耗能可达城市峰值用电40%以上,空调器制造材料的大量消耗产生巨量碳排放。
中国空调器产能世界第一,高度依赖于国际市场,面临来自全球的激烈竞争和严苛的环保要求,技术发展必须领先于《基加利修正案》等新的国际环保法规与标准的要求,以避免断崖式下降的风险。为此必须开发新一代的环保空调器,同时满足零ODP、低GWP、高能效、低材料消耗的要求。采用零ODP和低GWP的可燃环保制冷剂、研发细径薄壁管换热器降低制冷剂充注量以保障安全,是国际公认的新一代环保空调器的发展方向。

核心部件细径薄壁换热管生产线  图/上海交大供图

瞄准国际性基础共性难题攻艰克难
开发新一代环保空调器面临微细尺度传热理论不完善、能效提升困难、设计效率低、专用精密制造工艺装备缺失等一系列国际性的基础共性难题。上海交通大学丁国良教授团队在国家973、自然科学基金和环保部等课题支持下,以高校为牵头单位,联合空调器行业的龙头企业、换热管加工制造行业的龙头企业、精密加工装备的制造企业、以及国家权威检测机构,历经二十年,针对上述共性难题展开合作攻关,创立了包含核心部件研制、整机结构创新、数字化高效设计、精密制造与安全生产的完整技术体系,使我国企业占领了新一代环保空调器研制的技术制高点,实现了世界最大规模的生产和国际市场占有率。
研发团队为实现高环保强可燃制冷剂安全可用,研发新型微细传热结构。

据介绍,换热器中通过微细结构强化传热是实现在低材料消耗下提升能效的必然方向。但采用微细结构又会面临制冷剂侧油膜堵塞、空气侧水桥堵塞导致的结构失效问题。对于制冷剂侧,丁国良教授团队揭示了细径管内含油制冷剂相变发泡机制,开发了M型高效换热微齿槽,有效防止油膜堵塞,使制冷剂侧性能提升30%以上。对于空气侧,揭示了管外翅片表面析湿机制,发现了可以避免水桥堵塞的翅片临界开缝高度,开发了新型翅片结构,有效防止水桥堵塞,使空气侧性能提升25%以上。利用该技术在全球首次实现了高环保强可燃R290制冷剂在空调器中安全可用。
为大幅提升空调系统能效,研发团队还创新整机结构型式。据了解,项目组揭示了吸气过热和大绝热指数引发压缩机高温故障的机制,提出了吸气带液和膨胀阀-压缩机协同调节策略,降低压缩机温度的同时避免了吸气带液引发的液击损坏。揭示了气泡随机运动导致制冷剂流量分配不均的机制,提出基于流型重整的解决方案,将不稳定流型整型成稳定的环状流,实现了多分路时的流量均匀分配。利用该技术,使开发的新一代环保空调器能效大幅领先欧洲最高等级A+++及美国能源之星指标。
基于仿真的空调器数字化设计技术,研发团队还实现了多部件的最优匹配。
研发团队介绍说,要开发高能效的环保空调器,需要实现众多部件的最优匹配;而全套空调器的模具投入达上千万,反复制作实体样机的开发模式代价极大。发展方向是开发基于仿真的数字化设计技术,该技术长期没有得到广泛应用的原因是难以解决“模型精准”和“计算快速”二大难题。导致模型难以精准的关键原因是,生产工艺差异的影响难以定量描述;导致制冷系统仿真慢的原因是大量非线性方程求数值解,一半以上的计算时间与制冷剂物性计算相关。项目组提出了基于模型的智能仿真技术,通过数学模型与智能模块的结合,基础理论与样本实验一体化等技术,充分反映生产工艺的影响,使产品能效预测偏差从15%降到5%以内;提出了制冷剂物性的隐式拟合显式求解技术,通过相区划分等手段,得到低次多项的物性方程,可求分析解,提高计算速度100倍以上。开发的数字化设计软件,总体技术达到国际领先水平,设计效率比国际同类软件提升6倍,使单品研发费用降低60%、周期缩短约74%。
此外,研发团队聚焦高质量安全生产的新工艺与装备。新一代环保空调器在制造过程中面临的问题是,原有工艺与装备不能适用于采用细径薄壁换热管的空调器生产,会产生换热管断裂、换热器胀管破损的直接质量事故,增加可燃制冷剂泄漏燃爆的风险。项目组揭示了铜管硬度与盘拉过程中管材擦伤损坏的作用关系,提出了二联拉工艺,提高管材硬度,避免擦伤和断管,实现了管径可低至3.5mm、管壁可薄至0.2mm的细径薄壁换热管规模化生产;揭示了铜管自由收缩导致胀管破损的机制,发明了强制式无收缩胀管设备,避免铜管自由收缩,使胀管破损率降低至原来的1%以下。综合制造水平优于国外,实现了全球最大规模的新一代环保空调器的安全生产。

“产、学、研、用”相结合,助力环保空调器制造强国
由上海交通大学牵头,联合格力、美的、海尔等我国空调龙头企业及部件供应商,建立了全球最大的空调器产学研合作平台“制冷空调换热器技术联盟”,促进了创新技术的产业化应用。近三年,全新开发了4大系列/62.46万吨细径薄壁管,全球市场占比60%以上;开发了252台细径管换热器胀管设备,国内市场占比80%以上;开发了157款/4962万套新一代环保空调器,全球市场占比55%以上。形成了从细径换热管到基于细径管的换热翅片、换热器和空调器的完整产业链,实现了新一代环保空调器的大规模生产应用,产生了巨大的经济效益和社会效益,具有广阔的应用前景。项目成果还在众多国际知名企业得到推广和应用。
项目成果被中国轻工业联合会组织专家鉴定认为“总体技术达到国际领先水平,促进了全球空调产业的技术进步”;中国制冷学会评价认为“改变了我国制冷行业长期以‘跟随’为主的发展模式,使我国在制冷系统设计开发技术上处于世界领先地位”。获2019年上海市科技进步一等奖、2014年中国机械工业科技进步一等奖、2013年中国轻工业联合会科技进步一等奖。

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责任编辑:冷媚

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