制冷系统铜管选择与设计：从分类到壁厚计算的全面解析

制冷系统铜管选择与设计：从分类到壁厚计算的全面解析

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

铜管的分类及性能特点

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]。

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]。

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]。

制冷系统用铜管的技术要求

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%。

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%

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。

铜管壁厚计算方法

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)
  其中：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。

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
  其中：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。

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]
  其中：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。

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。

参考文献

[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.