核心部件細徑薄壁換熱管生產(chǎn)線
中國空調(diào)器產(chǎn)能世界第一，但卻高度依賴于國際市場。面對來自全球的激烈競爭和嚴苛的環(huán)保要求，技術發(fā)展必須領先于《基加利修正案》等新的國際環(huán)保法規(guī)與標準的要求，才能避免產(chǎn)品出現(xiàn)斷崖式下降風險。在此背景下，新一代的環(huán)保空調(diào)器必須同時滿足零ODP（高臭氧消耗潛值）、低GWP（高溫室效應潛值）、高能效、低材料消耗的要求。
目前，采用零ODP和低GWP的可燃環(huán)保制冷劑、研發(fā)細徑薄壁管換熱器降低制冷劑充注量以保障安全，是國際公認的新一代環(huán)保空調(diào)器的發(fā)展方向。然而，開發(fā)新一代環(huán)保空調(diào)器面臨微細尺度傳熱理論不完善、能效提升困難、設計效率低、專用精密制造工藝裝備缺失等一系列基礎共性難題。對此，上海交通大學教授丁國良團隊以高校為牽頭單位，聯(lián)合空調(diào)行業(yè)多家企業(yè)及國家權威檢測機構，開展了一場跨越20年的校企聯(lián)合攻關，并取得豐碩成果。
在合作企業(yè)中，既有空調(diào)器行業(yè)龍頭企業(yè)、換熱管加工制造行業(yè)龍頭企業(yè)，又有精密加工裝備的制造企業(yè)。校企通過發(fā)揮各自優(yōu)勢，在合作中先后創(chuàng)立了包含核心部件研制、整機結構創(chuàng)新、數(shù)字化高效設計、精密制造與安全生產(chǎn)的完整技術體系，使我國企業(yè)占領了新一代環(huán)保空調(diào)器研制的技術制高點，并取得了可觀的國際市場占有率。
一系列原創(chuàng)性技術突破
在攻克新一代環(huán)保空調(diào)器基礎共性問題的過程中，丁國良團隊通過理論創(chuàng)新和技術實踐，取得了一系列原創(chuàng)性技術突破。
比如，在環(huán)保空調(diào)器傳熱結構的設計中，丁國良介紹說，換熱器中通過微細結構強化傳熱是實現(xiàn)在低材料消耗下提升能效的必然方向，但采用微細結構又會面臨制冷劑側油膜堵塞、空氣側水橋堵塞導致的結構失效問題。
針對可能出現(xiàn)的問題，丁國良團隊從制冷劑側和空氣側做了機制和技術改進。在制冷劑側，團隊創(chuàng)建了細徑管內(nèi)含油制冷劑相變發(fā)泡機制，同時開發(fā)了M形高效換熱微齒槽，可有效防止油膜堵塞，使制冷劑側性能提升30%以上；在空氣側，團隊揭示了管外翅片表面析濕機制，發(fā)現(xiàn)了可以避免水橋堵塞的翅片臨界開縫高度，并基于此開發(fā)了新型翅片結構，從而有效防止水橋堵塞，使空氣側性能提升25%以上。
據(jù)介紹，目前團隊與合作伙伴利用該技術，在全球首次實現(xiàn)了高環(huán)保強可燃R290制冷劑在空調(diào)器中安全可用。
破解新一代空調(diào)器
仿真與制造難題
在突破空調(diào)器基礎共性問題中，項目組采取了一系列機制及結構上的變革，這些變動使得新型空調(diào)器的制造成為擺在他們面前的又一難題。并且，高能效環(huán)保空調(diào)器的開發(fā)涉及眾多部件的最優(yōu)匹配，而全套空調(diào)器的模具投入達上千萬元，反復制作實體樣機的開發(fā)模式代價極高。
丁國良說，要解決這一問題，可行的方向是開發(fā)基于仿真的數(shù)字化設計技術。但該技術長期沒有得到廣泛應用，原因是難以解決“模型精準”和“計算快速”兩大難題。
其中，導致模型難以精準的關鍵原因是，生產(chǎn)工藝差異的影響難以定量描述；導致制冷系統(tǒng)仿真慢的原因是大量非線性方程求數(shù)值解，一半以上的計算時間與制冷劑物性計算相關。
通過數(shù)學模型與智能模塊的結合，丁國良帶領項目組提出了基于模型的智能仿真技術、基礎理論與樣本實驗一體化等技術，使產(chǎn)品能效預測偏差從15%降到5%以內(nèi)；提出了制冷劑物性的隱式擬合顯式求解技術，將計算速度提高了100倍以上。
丁國良告訴記者，團隊基于以上技術最終開發(fā)出了相應的數(shù)字化設計軟件，設計效率比國際同類軟件提升6倍，使單品研發(fā)費用降低60%、周期縮短約74%，總體技術達到國際領先水平。
此外，團隊針對原有工藝與裝備不能適用于采用細徑薄壁換熱管的空調(diào)器生產(chǎn)等問題，通過創(chuàng)新細徑薄壁換熱管規(guī)模化生產(chǎn)工藝、發(fā)明強制式無收縮脹管設備等，實現(xiàn)了全球最大規(guī)模的新一代環(huán)保空調(diào)器的安全生產(chǎn)，綜合制造水平優(yōu)于國外。
產(chǎn)學研用結合助力環(huán)保空調(diào)器制造
技術、工藝準備就緒后，新一代環(huán)保空調(diào)器的生產(chǎn)很快提上日程。
2016年，由上海交通大學牽頭，聯(lián)合格力、美的、海爾等我國空調(diào)龍頭企業(yè)及部件供應商，建立了全球最大的空調(diào)器產(chǎn)學研合作平臺“制冷空調(diào)換熱器技術聯(lián)盟”，共同促進創(chuàng)新技術的產(chǎn)業(yè)化應用。
丁國良告訴記者，近3年來，產(chǎn)學研平臺在聯(lián)盟合作的基礎上，開發(fā)了四大系列/62.46萬噸細徑薄壁管，在全球市場占比60%以上；研發(fā)了252臺細徑管換熱器脹管設備，在國內(nèi)市場占比80%以上；開發(fā)出157款/4962萬套新一代環(huán)保空調(diào)器，全球市場占比55%以上。同時在國內(nèi)形成了從細徑換熱管到基于細徑管的換熱翅片、換熱器和空調(diào)器的完整產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)了新一代環(huán)保空調(diào)器的大規(guī)模生產(chǎn)應用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，具有廣闊應用前景。
目前，項目成果已在眾多國際知名企業(yè)得到推廣和應用。
中國輕工業(yè)聯(lián)合會組織專家鑒定認為項目系列成果“總體技術達到國際領先水平，促進了全球空調(diào)產(chǎn)業(yè)的技術進步”；中國制冷學會則評價道，這些產(chǎn)學研項目成果的取得“改變了我國制冷行業(yè)長期以‘跟隨’為主的發(fā)展模式”。
報道鏈接：
【科學網(wǎng)】：http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2020/9/357805.shtm
【中國科技網(wǎng)】：http://www.stdaily.com/02/shanghai/2020-09/16/content_1019015.shtml
【上觀新聞】：https://web.shobserver.com/journal/article/share?id=300208
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