管殼式換熱器選材

1、管殼式換熱器選材探討更多0來源：宏信公司關(guān)鍵字：換熱器不銹鋼純銅打?。貉蹖?duì)管殼式換熱器，在管材上采用奧氏體不銹鋼，普通黃銅及工業(yè)純銅三種材質(zhì)，探討采用何種材質(zhì)最佳。關(guān)鍵詞：管殼式換熱器不銹鋼黃銅純銅選擇一、前言管殼式換熱器的殼體，封頭及管板，這些較厚的部件一般都采用碳鋼制成；管材目前已很少用碳鋼，多用奧氏體不銹鋼或普通黃銅，最近有的廠家采用工業(yè)純銅。這三種材質(zhì)在物理性能、機(jī)械性能、化學(xué)性能及資源與價(jià)格上都有差異。本文將其主要有關(guān)性能進(jìn)行比較，從而對(duì)選材問題進(jìn)行探討。這三種材料品種規(guī)格較多，以下奧氏體不銹鋼以AISI306為代表；工業(yè)純銅以二號(hào)銅（T2）為代表；普通黃銅以三七銅（H68）為代表。

2、這三種牌號(hào)也是換熱器上最常用的其主要化學(xué)成分列于表-o表-材料主要化學(xué)成分/1'口代與主要化學(xué)成分（%）Cr用CCuZu30417-1981£0.07T299,900.005H斗607032.7-29.7三種材料的導(dǎo)熱系數(shù)！值相差很大,對(duì)比列于表1。純銅最突出的特點(diǎn)是導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能好，它的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性在所有金屬中僅次于銀，居第二位。從表2看出，若按-100C來比較，H68的導(dǎo)熱系數(shù)為不銹鋼的7.4倍，而純銅為不銹鋼的21.9倍。表!材料導(dǎo)熱系數(shù)的對(duì)比導(dǎo)熱系數(shù)X(w/m)材質(zhì)20霓100%：300七1、對(duì)傳熱效果的影響黃銅的導(dǎo)熱系數(shù)比不銹鋼大7倍多，純銅則為20幾倍，在對(duì)流換

3、熱中，相同的受熱面積，銅管是否其傳熱量也比不銹鋼大相同的倍數(shù)呢？并非如此，因?yàn)橛绊憣?duì)流換熱的傳熱量和傳熱效率的因素是其傳熱系數(shù)KoK值的大小，與高溫側(cè)換熱系數(shù)ah;低溫側(cè)換熱系數(shù)ac；高溫側(cè)與低溫側(cè)的污垢系數(shù)§h和q#9;以及管壁熱阻6/XS為管壁厚度)有關(guān)，熱阻越大，換熱器的傳熱效率越差。一般黃銅管壁厚為2mm；其管壁熱阻'而不銹鋼管壁厚為0.5mm或0.6mm,則其管壁熱阻0.0006/17.3=3.4710-5m2.C/w也就是管壁熱阻不銹鋼僅為黃銅的2.2倍。更重要的是，計(jì)算K值時(shí)最主要的熱阻是膜熱阻1/ah及1/ae;其次是污垢熱阻1/辦)及1/§c而S/

4、最小，?？陕远挥?jì)。例如：水一水換熱器，設(shè)水側(cè)放熱系數(shù)均為6000w/irf.C,取污垢系數(shù)斫=§e=1000w/nf.C；不銹鋼及工業(yè)純銅管厚均為0.0006mm;而黃銅管厚為2mm。則膜熱阻2*1/6000w/nf.C；污垢熱阻為2*1/1000w/nf.C。而不銹鋼的管壁熱阻為3.47X10-5黃銅為1.56X10-5;純銅則為1.58X10-6w/nf.C。從以上計(jì)算數(shù)值可以明顯看出，雖然銅的導(dǎo)熱系數(shù)比不銹鋼大的多，但由于計(jì)算K值時(shí)管壁熱阻很小，因此對(duì)對(duì)流換熱的影響極微。此外，金屬表面狀態(tài)對(duì)傳熱速度的影響很顯著。換熱器運(yùn)行一定時(shí)間以后，金屬表面都會(huì)形成一層膜，不銹鋼表面生成極

5、薄的純化膜，它對(duì)傳熱的影響極微，而黃銅的表面生成了具有一定厚度的氧化膜，它一方面起到對(duì)腐蝕的阻抑作用，同時(shí)也對(duì)傳熱過程造成了附加熱阻。有的學(xué)者用304不銹鋼與含碑海軍黃銅（也為三七銅，但含碑，成分為Cu70%Zn29%;As0.020.01%）,在同一換熱器中進(jìn)行兩年試驗(yàn)結(jié)果如圖）所示：01002003004。0500600暴露時(shí)同，天2.對(duì)冷凝傳熱的影響有些換熱器是冷卻汽態(tài)介質(zhì)，使之冷凝，這種換熱器最常用於制冷設(shè)備。冷凝傳熱一般為膜狀冷凝，其冷凝傳熱系數(shù)約為5000w/nf.C；也有的換熱器采用珠狀冷凝，其冷凝傳熱系數(shù)比膜狀冷凝傳熱系數(shù)大10倍，約為50000w/nf.C左右。珠狀冷凝發(fā)生在

6、涂有極薄助聚劑的銅表面上，開始在表面的坑洼處匯聚直徑為10-6m量級(jí)的極小液滴當(dāng)液滴表面的過冷度0.3度時(shí)，出現(xiàn)大量的極小液滴，其數(shù)量可達(dá)每cm2有108個(gè)液滴，此時(shí)冷凝通過微點(diǎn)的表面直接發(fā)生，這就是珠狀冷凝傳熱系數(shù)很大的原因形成球狀冷凝的金屬冷凝表面必須是銅或銀等導(dǎo)熱性極其良好的材質(zhì)，也有用真空鍍層的方法，將很薄的一層金鍍?cè)诶淠砻妫部扇〉昧己眯Ч?。但金、銀都是極貴重的金屬，故一般都用銅，當(dāng)然用工業(yè)純銅最佳。三、機(jī)械性能的比較三種材質(zhì)，由于品種不同，其化學(xué)成分有差異：是原材料、板材、帶材、還是管材的不同；交貨方式不同，如是經(jīng)熱處理交貨還是不經(jīng)熱處理交貨，有色金屬是軟狀態(tài)，還是硬狀態(tài)交貨等等

7、，其各種材質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度都有差別，一般而言如表0所示。表0機(jī)械強(qiáng)度的對(duì)比表3機(jī)械強(qiáng)度的對(duì)比0100200300400500600暴露時(shí)同，天奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度最好，塑性很高，可制成薄壁波節(jié)管，由于是鋼材，焊接性能最好。工業(yè)純銅具備優(yōu)良的加工成形性和可焊性，也可制成薄壁波節(jié)管，其焊接性能不如不銹鋼。而普通黃銅一般都要具有較厚的管壁，不能制成薄壁波節(jié)管，但可以制成管外有螺旋狀的凹槽，管內(nèi)有螺旋狀凸出的螺紋管。、波節(jié)管換熱器與螺紋管換熱器波節(jié)管又稱為波紋管換熱器（見圖2a）,是由管內(nèi)向外頂擠管壁，使管壁向外凸起，而壓制成依次交替的直管段和弧形管段的波節(jié)型管道。流體在弧形管段中流動(dòng)時(shí)，流速降低，靜壓增加

8、；在直線管段中流動(dòng)時(shí)，流速增加而靜壓減少。流體在弧形段進(jìn)口處發(fā)生噴射效應(yīng)，而在出口處則發(fā)生節(jié)流效應(yīng)。流體在直線段與弧形段周期性地變換，而產(chǎn)生劇烈的旋渦而破壞邊界層，強(qiáng)化傳熱的效果顯著，同時(shí)有良好的阻垢和除垢能力。波節(jié)管換熱器只能由薄壁的不銹鋼管或工業(yè)純銅制成，壁厚較厚的普通黃銅管難以成型。螺紋管又稱螺紋槽管(見圖2吧)材質(zhì)抗拉強(qiáng)度、(Kgf/innr)伸長率6(%)工業(yè)純銅20-25約30普通黃銅30-40約25奧氏體不銹鋼50-60約45它雖然也有使邊界層減薄，也有強(qiáng)化傳熱的作用，但不如波節(jié)管，其阻垢及除垢能力也很薄弱。因止匕,在加熱用的換熱器上它不如波節(jié)管。但是在用以冷凝介質(zhì)的換熱器中采用

9、螺紋管，不僅管內(nèi)凸起的螺紋，使流體的邊界層減薄而強(qiáng)化傳熱外，而且管內(nèi)靠近壁面處的部分流體順槽旋轉(zhuǎn)有利于減薄流體邊界層，同時(shí)螺旋槽成為排泄凝液的通道，可使凹槽兩邊的冷凝液膜減薄，減少熱阻，強(qiáng)化傳熱效果顯著。一般螺紋管由厚壁黃銅管制成，而不銹鋼管難以成型。翅片管的選材為了強(qiáng)化傳熱，可在管子外表面上增加翅片，可增加受熱面，同時(shí)提高放熱系數(shù)，這種管子稱為翅片管。翅片管對(duì)于空氣預(yù)熱器十分有利，因?yàn)榭諝庠诠芡?，其?duì)流放熱系數(shù)很小，管內(nèi)流體的放熱系數(shù)為管外空氣側(cè)的&")!""倍，在管外加翅片后，不僅由于攏動(dòng)而提高了放熱系數(shù)，而且使傳熱面積可增加為管內(nèi)表面積的&$

10、)!$倍。純銅管可以制成高翅片和低翅片管，而黃銅管一般只制成低翅片管。不銹鋼管不僅只能制成低翅片管，而且制造尺寸有限制，不如黃銅管。純銅具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，在大氣、淡水和冷凝水中都有良好的抗蝕性，但在海水中的抗蝕性較差，易被腐蝕。由于銅的標(biāo)準(zhǔn)電極電位比氧高，在一般碳溶液中不能置換出氫，故在大多數(shù)不含氧或空氣的非氧化性酸(如氫氟酸、鹽酸等)溶液中幾乎不被腐蝕，但在氧化性的硝酸、濃硫酸，以及各種鹽類,如氨鹽、氯化物、碳酸鹽等溶液中易被腐蝕。黃銅在大氣中的耐蝕性不如純銅，但在含硫化氫的大氣中，隨著含鋅量的增加，抗蝕性也增高。對(duì)溫水的耐蝕性很高。在無機(jī)溶液，特別是硫酸、鹽酸中抗蝕性極低。黃銅在大氣中

11、的耐蝕性不如純銅，但在含硫化氫的大氣中，隨著含鋅量的增加，抗蝕性也增高。對(duì)溫水的耐蝕性很高。在無機(jī)溶液，特別是硫酸、鹽酸中抗蝕性極低。奧氏體不銹鋼一般而言，除氯離子應(yīng)力腐蝕開裂外，耐蝕損性能比銅及黃銅都好。從表*冷凝管材相對(duì)抗蝕損對(duì)比的材料！也可以看出。表中抗蝕損能力的強(qiáng)弱以數(shù)碼表示，數(shù)碼越小能力越弱，數(shù)碼越大表示能力越強(qiáng)。所謂蝕損包括腐蝕、沖蝕、磨損和微振磨損等引起的金屬消耗，表&中主要列出腐蝕與沖蝕的形式?？估瑥?qiáng).度&；(Kgf/ninf)伸長率6(%)工業(yè)純銅20-25約30普逋黃銅3040約25奧氏體不銹鋼5060約45銅材及不銹鋼材都有應(yīng)力腐蝕開裂問題，但其環(huán)境不同，

12、奧氏體不銹鋼是氯離子的應(yīng)力腐蝕開裂；而銅及銅合金主要是鏤離子的應(yīng)力腐蝕開裂。特殊黃銅的采用普通黃銅是以銅鋅為主的二元合金，若為了改善其性能，再加入少量其他元素的黃銅，稱為特殊黃銅，也稱復(fù)雜黃銅。在換熱器的材質(zhì)中有時(shí)也采用特殊黃銅。為了提高黃銅的抗蝕損能力，於黃銅中加少量的銀，就成為銀黃銅，例如牌號(hào)為HNi65-5的銀黃銅，其成分為Cu6467%Ni56.5%。從表&可以看出銀黃銅的抗蝕損能力，每項(xiàng)都強(qiáng)于普通黃銅。在三七黃銅中加碎后可耐海水腐蝕如：70/30碎黃銅(三七銅加0.0020.006%碑)或海軍黃銅(Cu71Zn28Sn1As0.04)。1.氨對(duì)銅材的腐蝕問題防止氨對(duì)銅材的腐蝕

13、，是銅材最突出的問題，一般在氨的氣氛中應(yīng)盡量避免用銅材，例如在氨制冷的冷凝設(shè)備中。這是由于有氨存在，特別是有氧同時(shí)存在時(shí)，Cu變成,Cu2+與氨形成四氨合銅銘離子Cu(NH3)2+4o一般來說供熱系統(tǒng)不存在氨，但在特殊情況下，也有存在的可能。例如，有些地區(qū)地下水中堿度很高，低壓鍋爐有時(shí)采用鏤一鈉離子交換軟化，經(jīng)鏤離子交換的水，其暫硬成為重碳酸鏤(NH4HCO3)受熱后重碳酸鏤分解：起到部分除堿和脫鹽的作用，這時(shí)鍋爐的汽或水中有可能有氨存在。2、奧氏體不銹鋼的氯離子應(yīng)力腐蝕開裂問題防止氯離子應(yīng)力腐蝕開裂，是奧氏體鋼最突出的問題。產(chǎn)生氯離子應(yīng)力腐蝕開裂，必須是有拉應(yīng)力及氯離子同時(shí)存在，并且與溫度有

14、關(guān)。在換熱器中雖然拉應(yīng)力不太大，但一般都有拉應(yīng)力存在，因此，是否可以防止這種開裂的產(chǎn)生，主要就看溫度與氯離子含量。在奧氏體不銹鋼中加鋁就成為316,316比304有更強(qiáng)的耐氯離子應(yīng)力腐蝕開裂的能力。丹麥對(duì)區(qū)域供熱系統(tǒng)中水質(zhì)的要求比較嚴(yán)格，其在不同溫度下對(duì)水中氯化物含量的要求！。當(dāng)采用304不銹鋼，而水溫095度時(shí)；當(dāng)采用316不銹鋼，而水溫0130度時(shí)，不論氯化物含量高低都無應(yīng)力腐蝕。五、關(guān)于流速的限制問題沖蝕是指由于高速流體，特別是含有固體細(xì)粒的高速流體沖刷傳熱表面而引起的磨損，防止沖蝕常采用限制流速的方法，材質(zhì)耐沖蝕的性能不同，其允許最大流速也不相同。表5所示為三類材質(zhì)最大水流速的限制數(shù)值

15、一般換熱器在壓降允許的條件下，希望流速大些，因?yàn)榭梢蕴岣邆鳠嵯禂?shù)，而降低造價(jià)。當(dāng)管內(nèi)、外換熱系數(shù)相差較大時(shí)，增加換熱系數(shù)小的一側(cè)的流速，可以有效地提高傳熱效率。水流速越慢，結(jié)垢而使熱阻增加的可能性也較大。當(dāng)然流速也不易過高，不僅流速過高，壓降過大，而且有時(shí)還會(huì)對(duì)換熱器的結(jié)構(gòu)上帶來不利，例如，為了獲取高流速，需要管子數(shù)目較少，為達(dá)到所需要的傳熱面積，就不得不采用長管或增加管程。若流入的水是含有溶解氧的，則水流速度高時(shí)，溶解氧容易得到補(bǔ)充，可能產(chǎn)生沖刷腐蝕和入口管端的腐蝕。對(duì)管殼式換熱器一般要求管程水流速達(dá)12.5m/S，殼程達(dá)0.51.5m/S顯然采用黃銅，特別是純銅，難以達(dá)到較高流速,而限制了

16、在板式換熱器和汽水換熱器上使用六、資源及價(jià)格的比較從資源的角度來看，銅在地殼中的儲(chǔ)量畢竟有限，因此，其使用范圍受到一定的限制，但是還有價(jià)格這個(gè)經(jīng)濟(jì)因素。以上所述的各種管材，鈦?zhàn)钯F這是可以肯定的；為了降低其價(jià)格，多采用焊接管，焊接管比無縫管便宜。銅材及不銹鋼材的價(jià)格難以比較，因?yàn)槌瞬馁|(zhì)而外，加工方式不同，加工費(fèi)用也不同;材料價(jià)格都是以重量噸為單位，管材厚度不同，費(fèi)用也不相同；管理機(jī)制及方法不同，成本也不相同。更重要的是市場還存在供需關(guān)系。一般而言316L不銹鋼及銅材略貴于304不銹鋼。七、結(jié)論不銹鋼、普通黃銅及工業(yè)純銅都是制造換熱器的良好材料，選用何種材料應(yīng)進(jìn)行全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。加熱用的換熱器應(yīng)優(yōu)先采用不銹鋼；冷凝用的換熱器應(yīng)優(yōu)先使用黃銅螺紋管；球狀冷凝的換熱器應(yīng)采用工業(yè)純銅。不銹鋼的強(qiáng)度、耐蝕損性能都比銅材好，允許最大流速遠(yuǎn)大