鸟巢型多项创新的钢塑组合散热器

摘要：
本文介绍二系列新颖钢塑组合散热器：按鸟巢外形比例缩小的鸟巢型和水波浪外形的水波浪型。文中详述多项创新给该散热器带来：喷塑内防腐使其有50年使用寿命；摩擦焊仅为氩弧焊1/10能耗；相等铝量的铝柱枝翼增加16%散热面；仿热熔承插连接更严密、可靠。
关键词：散热器，鸟巢型，水波浪型，多项创新

奥运主会场“鸟巢”，形态如同孕育生命的“巢”，它更像一个摇篮，寄托着人类对未来的希望。无论从那一方位观看“鸟巢”，外观曲线是那么独特、优美，具有很强的震撼力和视觉冲击力。钢塑组合散热器铝柱翼主立面、上下二横水管断面外形，参照“鸟巢”外观曲线比例缩小(见本刊•页彩图)，钢塑组合散热器主要部件溶入了“鸟巢”元素。看到这样的散热器，见景生情，联想到“鸟巢”，仿佛感到绝无论比的奥运开募式还在演出，奥运火炬还在燃烧……，鸟巢型钢塑组合散热器向用户奥运祝福。
奥运场馆水立方，奥运健儿在水中拼搏，掀起一浪又一浪的水波浪，荡漾吉祥。水波浪型钢塑组合散热器，向用户祝福吉祥。鸟巢型、水波浪型钢塑组合散热器，不但有奥运祝愿，还有多项创新带来优良的性能。
喷塑内防腐使用寿命长
专利(ZL200620136044.8)钢塑组合散热器，能对其钢管进行内壁涂塑。在管内壁喷入环氧粉末，经高温条件发生环氧基的交联反应而固化。固化后的涂膜一般为≤0.5mm的涂层，由于环氧树脂特有的环氧基团，与管壁结合十分牢固，形成了性能优良的环氧粉末防腐层。CJ／T120-2008《给水涂塑复合钢管标准》及SY/T0042-1997《钢质管道熔结环氧粉末内涂层技术标准》，对涂膜层的附着力、阴极剥离、抗冲击能力、防腐性能等都有严格的要求，保证了涂膜层的质量。正如SY/T0042-1997标准条文说明1.0.1条所说；“环氧粉末涂料具有优良的防腐性、绝缘性和可靠的、耐久的使用寿命，是钢管内涂层的优良材料，在国内外得到了普遍应用，取得了理想的效果。”标准条文给予环氧粉末内涂层如此高评论的依据是，“熔结环氧防腐涂层近四十年，十万多公里的管道防腐应用历史使成熟的国际和国内标准得以确立。”因此完全可以信任，涂塑钢管使用寿命可达50年。
《钢质管道熔结环氧粉末内涂层技术标准》SY/T0042-1997的总则1.0.2条说，“本标准适用于以熔结环氧粉末涂料为涂覆成膜材料，工作温度为-30℃－100℃，输送各种油品、天然气的钢质管道及给排水的钢质管道内防腐工程的设计、施工及验收，给水管道熔结环氧粉末内涂层必须符合国家现行相关卫生、安全标准的规定。”民用散热器的工作温度≤95度、供暖水质多为生活饮用水、钢质管道，散热器喷塑内防腐完全符合SY/T0042-1997标准适用范围内。进一步说，散热器按SY/T0042-1997标准喷塑内防腐，定会有熔结环氧粉末内涂层技术标准所述的防腐效果，防腐使用寿命50年。
涂塑钢管既具有钢管的高强度、高刚度，又有塑料管的高光洁度和良好的防腐性能。涂膜层内壁非常光滑，不混生细菌、霉菌；壁内不结垢，有良好的防结垢能力，流体阻力小，在一般情况下比同直径的钢管输水量多15％-20％，可有效减低热源输送能耗15％以上。
省材节能
散热器是供热的终端设备，供热调节有很大的节能空间。供热调节也是供热教科书中重点内容，理论性很强，让专门从事供热调节的学者们去讨论热惰性小的散热器如何调节节能。散热器将热媒的热加热室内空气，是一个能量守恒的换热过程，这一块无节能可言。提高散热器效率、性能，以最少的材料散出最多的热是散热器最主要的节能。
散热器材料价约占生产成本的50％，其中合金铝型材占材料价55％左右。无论是从节能还是降低生产成本看，重点是节约合金铝型材。
铝柱枝翼散热器专利(ZL200520079772.5)充分利用了合金铝型材，用相同量的铝增加散热面，并提高其散热面的传热效率。
铝柱翼最小壁厚一般为0.8mm，每公斤铝型材拉出0.84M2左右散热面。铝柱枝翼散热器专利是在铝柱翼面上，设数量多、尺寸短小、翼片薄的枝翼。这样的铝柱枝翼，每公斤铝型材拉出0.98M2散热面，比一般铝柱翼节约16％合金铝型材。

增加散热器散热量另一方法是提高铝柱枝翼散热片的表面温度。靠热媒越近，铝柱枝翼散热片的表面温度越高，散热量越大。铝柱枝翼散热片可以把枝翼设置在靠热媒最近处。若把枝翼从离热媒60mm处靠近至25mm，铝枝翼表面温度提高10％，相应散热量提高10％。
先进焊接工艺节能
散热器行业权人士指出，散热器生产过程有很大的节能空间。焊接是散热器生产耗能的重点。
阻焊焊制钢制柱式散热器，一般焊接片头闪光对焊机每台电源容量为300KVA，双头对管机每台电源容量500KVA，组片机为500KVA，这三套设备所需电源容量总和约为1300—1500KVA，阻焊电源容量大得惊人。
氩弧焊单机容量约12Kw，焊接速度慢，单班产量上千柱的厂家约需氩弧焊机20-30台，焊接所需电源容量总和约250KVA。另外需较多的高水平的焊接技能工，焊接质量不稳定，生产效率低。氩弧焊制造成本不会低。
钢塑组合散热器的承插组合连接件要焊接，当然亦可用电阻焊、氩弧焊，但更适合摩擦焊。摩擦焊的优势为：
⑴接头质量好且稳定。焊接过程由机器自动控制，参数设定后容易监控，重复性好，不依赖于操作人员的技术水平和工作态度。不需考级焊工操作。焊接过程不发生熔化，属固相热压焊，接头为锻造组织，因此焊缝不会出现气孔、偏析和夹杂，裂纹等铸造组织的结晶缺陷，焊接接头强度远大于熔焊、钎焊的强度，达到甚至超过母材的强度。
⑵效率高。对焊件准备通常要求不高，焊接设备自动化程度高，可在流水线上生产，每件焊接时间以秒计，一般只需零点几秒至几十秒。询问摩擦焊焊机生产厂，磨擦焊接该散热器的连接件，每分钟自动焊5个头。效率高是其它焊接方法如熔焊、钎焊不能相比的。
⑶节能、节材、低耗。不需焊条、焊剂、钎料、保护气体，不需填加金属，也不需消耗电极。磨擦焊接该散热器的连接件，据摩擦焊机生产厂提供资料，每台摩擦焊机仅需11KW。单班产量上千柱的焊接，有二台摩擦焊机就够了，焊接所需电源总容量22Kw，是氩弧焊≈1/10，能耗极低。
⑷环保，无污染。焊接过程不产生烟尘或有害气体，不产生飞溅，没有弧光和火花，没有放射线。
⑸焊件尺寸精度较高。由于摩擦焊接为固态连接，其加热过程具有能量密度高、热输入速度快以及沿整个摩擦焊接表面同步均匀加热等特点，故焊接变形较小。在保证焊接设备具有足够大的刚性、焊件装配定位精确以及严格控制焊接参数的条件下，焊件尺寸精度较高。焊接接头的长度公差和同轴度可控制在±0.1mm左右。
摩擦焊技术被誉为未来的绿色焊接技术。但摩擦焊技术亦有缺点，磨擦焊机价格较贵，用于该散热器的摩擦焊机每台30万左右，包含焊接的工装设备，而且只能专业性、流水线工作，局限性大。
虽摩擦焊首次被引入散热器行业，但国内摩擦技术已有50多年，摩擦焊技术相当成熟，何况钢塑组合散热器的连接件仅需用最基本的摩擦焊机，焊机的规格较小。散热器用摩擦焊无任何疑点，问题是经济上是否有利。生产规模越大采用摩擦焊越经济。有规模的散热器厂不妨算一算经济帐，您厂的规模上钢塑组合散热器、摩擦焊是否有好的经济效益。
仿热熔承插连接
一般认为，承插连接总是不太牢靠。其实不然，有文说，“管件可采用热熔连接或电熔连接，　　　　管材、管件连接部位的强度不低于管材本身的强度”。
管道在内压作用下，管壁任意一点将产生应力，其中环向应力为最大。管道的力学特性，即管壁厚、管径、可承受压力与许应力之间的关系，无论是金属管材还是塑料类管材，都可用下式表示：
σ＝P×D/2e 　　　　 （1）
上式中：　
σ－管道环向应力（MPa）
P－管内压力（MPa）
D－管径（mm）
e－管壁厚（mm）
管道的许用设计应力[σ]应大于管材环向应力，即：
[σ]≥σ
(1)式表明，当管材、管径一定，提高管道的强度只有加厚管壁厚度e值。在承插连接部位，主要作用力是使承和插管分离的拉拔力。其作用力的关系用下式表示：
τ=KxF/A 　　　　　　 (2)
上式中：
 τ－承和插管道连接面的剪切应力 （MPa）
K-应力集中系数
F-使承和插管道分离的拉拔力 　　　 (N)
A-承和插管道间连接面的面积 （mm2）

承插管道为热熔连接，连接面的许用剪切强度[τ]应为该塑料的许用剪切强度[τ]。若为胶接面，则为胶的许用剪切强度[τ]。无论是热熔连接还是胶接，该材质的许用剪切强度[τ]，应大于承和插管道连接面的剪切应力τ，即：
[τ]≥τ
不论是金属管材还是塑料类管材，上式均成立，但相关的K、[τ]值，依据材质决定。当胶接材质、管径一定，提高承插连接部位的强度，是通过加长插入深度，增加A值来达到。因加长插入管对成本影响不大，插入管长要比计算的长度长得多，连接部位的强度要富余得多。现列举聚乙烯(PE)热熔承插管来进一步说明。
按《建筑给水聚乙烯类管道工程现规程》CJJ/T98-2003，聚乙烯(PE)管管径dn=40mm，壁厚3.7mm，20℃长期承压1.0Mpa，热熔插入管件的管道插入长度平均18.25mm。若工作压力升至1.5Mpa，管道的环向应力σ=12.16Mpa，大于管道的许用设计应力[σ]=9.0Mpa，管道本身强度不允许工作压力升高。长期承压1.0Mpa时，热熔连接部位剪切应力τ=3.87Mpa；承压1.5Mpa时，剪切应力τ=5.8Mpa，仍然小于热熔连接部位的许用剪切强度[τ]=8.5Mpa，即使工作压力升高，管件连接部位仍然安全工作。以上数据清楚的说明，“管材、管件连接部位的强度不低于管材本身的强度”的论点是正确的。这一论点适用金属管材及塑料类管材，也适用承插管的连接为热熔或胶接。铝塑复合管就是一个实例。
铝塑复合管是承和插管相同长度的双重承插连接，内外两层塑料，中间夹铝管。塑料和金属铝管之间涂热熔胶。铝塑复合管充份发挥各材料的特长，用铝管承受管道环向应力，用热熔胶承受使铝塑分离拉拔力产生的剪切应力。塑料和金属的粘接比较困难，粘接能力远远低于塑料同质相熔和金属与金属粘接，就是这样承插复合的铝塑复合管已用得很好，使用寿命50年。塑料热熔承插连接也是50年使用寿命，有理由相信，金属与金属粘接的承插连接能长期可靠工作。
热熔承插连接是通过同质相熔获得承插连接处的强度及严密性。承插粘接是在管道的承和插面上涂粘接胶得到的强度及严密性，虽与前者方法不同，但目的相同。管道承插粘接一般指冷胶粘接，如PVC雨水低压管道的连接。钢塑组合散热器内喷塑防腐，外喷塑装饰均要热固化，散热器的承插连接必然经受高温烘烤。冷胶是不允许的，应用高温胶，在喷塑热固化的同时承插粘接也热固化。钢塑组合散热器的承插连接称为胶粘接是不合适的，但也不同于热熔承插连接。热熔是加热熔化，而钢塑组合散热器是加热固化。只因两者都需有加热过程，故暂称钢塑组合散热器的承插连接为仿热熔承插连接。
承插连接的名称是否合适并不重要，重要的是其内容。钢塑组合散热器承插粘接，用性能更高的胶替代塑料同质相熔，有足够富余的插入管长，仿热熔承插连接要比热熔承插连接更严密、可靠。

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