管壳式换热器选材探讨

时间:2013-09-02 浏览量:3 来源:安格斯 编辑:admin

摘要
对管壳式换热器,在管材上采用奥氏体不锈钢,普通黄铜及工业纯
铜三种材质,探讨采用何种材质最佳。
关键词:管壳式换热器不锈钢黄铜纯铜选择
一、前言
管壳式换热器的壳体,封头及管板,这些 较厚的部件一般都采用碳钢制成;管材目前 已很少用碳钢,多用奥氏体不锈钢或普通黄铜,最近有的厂家采用工业纯铜。这三种材质 在物理性能、机械性能、化学性能及资源与价 格上都有差异。本文将其主要有关性能进行比较,从而对选材问题进行探讨。
这三种材料品种规格较多,以下奥氏体不锈钢以AISI306为代表;工业纯 铜以二号铜(T2)为代表;普通黄铜以三七铜 (H68)为代表。这三种牌号也是换热器上最常 用的其主要化学成分列于表-。
表-材料主要化学成分

二、导热性能的比较
三种材料的导热系数!值相差很大,
对比列于表1。纯铜最突出的特点是导电 及导热性能好,它的导电性和导热性在所有金属中仅次于银,居第二位。从表2看出,若 按-100℃来比较,H68的导热系数为不锈钢的7.4倍,而纯铜为不锈钢的21.9倍。
表!材料导热系数的对比

1、对传热效果的影响
黄铜的导热系数比不锈钢大7倍多,纯 铜则为20几倍,在对流换热中,相同的受热面积,铜管是否其传热量也比不锈钢大相同 的倍数呢?
并非如此,因为影响对流换热的传 热量和传热效率的因素是其传热系数K。K值 的大小,与高温侧换热系数ah;低温侧换热系 数ac;高温侧与低温侧的污垢系数§h和§c #9;以 及管壁热阻δ/λ(δ为管壁厚度)有关,热阻越 大,换热器的传热效率越差。
一般黄铜管壁厚为2mm ;其管壁热阻’而不 锈钢管壁厚为0.5mm或0.6mm,则其管壁热阻0.0006/17.3=3.47×10-5.℃/ w也 就是管壁热阻不锈钢仅为黄铜的2.2倍。 更重要的是,计算K值时最主要的热阻 是膜热阻1/аh及1/аe;其次是污垢热阻1/§h)及1/§c而δ/λ最小,常可略而不计。例如:水 ―水换热器,设水侧放热系数均为6000w/.℃,取污垢系数§h=§e=1000 w/.℃;不锈钢及工业纯铜管厚均为0.0006mm;而黄铜管厚为2mm。则膜热阻2*1/6000 w/.℃;污垢热阻为2*1/1000 w/.℃。而不锈钢的管壁热阻 为3.47×10-5黄铜为1.56×10-5;纯铜则为1.58×10-6 w/.℃。 从以上计算数值可以明显看出,虽然铜 的导热系数比不锈钢大的多,但由于计算K 值时管壁热阻很小,因此对对流换热的影响 极微。 此外,金属表面状态对传热速度的影响 很显著。换热器运行一定时间以后,金属表 面都会形成一层膜,不锈钢表面生成极薄的 纯化膜,它对传热的影响极微,而黄铜的表 面生成了具有一定厚度的氧化膜,它一方面 起到对腐蚀的阻抑作用,同时也对传热过程 造成了附加热阻。有的学者用304不锈钢与 含砷海军黄铜(也为三七铜,但含砷,成分为Cu 70% Zn 29%;As 0.02~0.01%),在同一 换热器中进行两年试验结果%如图)
所示:

在240天以前,海军黄铜的传热速度大 于304不锈钢,240天以后则相反,304不锈 钢优于海军黄铜。

2.对冷凝传热的影响 有些换热器是冷却汽态介质,使之冷凝, 这种换热器最常用於制冷设备。冷凝传热一 般为膜状冷凝,其冷凝
传热系数约为5000w/.℃;也有的换热器采用珠状冷凝,其 冷凝传热系数比膜状冷凝传热系数大10倍, 约为50000w/.℃左右。
珠状冷凝发生在涂有极薄助聚剂的铜表 面上,开始在表面的坑洼处汇聚直径为10-6m量级的极小液滴。当液滴表面的过冷度0. 3度时,出现大量的极小液滴,其数量可达 每2有108个液滴,此时冷凝通过微点的表面直接发生,这就是珠状冷凝传热系数很大的原因,
形成球状冷凝的金属冷凝表面必须是铜 或银等导热性极其良好的材质,也有用真空 镀层的方法,将很薄的一层金镀在冷凝表面,
也可取得良好效果。但金、银都是极贵重的金 属,故一般都用铜,当然用工业纯铜最佳。
三、机械性能的比较
三种材质,由于品种不同,其化学成分有 差异:是原材料、板材、带材、还是管材的不 同;交货方式不同,如是经热处理交货还是不经热处理交货,有色金属是软状态,还是硬状 态交货等等,其各种材质的机械强度都有差 别,一般而言如表0所示。
表0机械强度的对比

奥氏体不锈钢的强度最好,塑性很高, 可制成薄壁波节管,由于是钢材,焊接性能最好。工业纯铜具备优良的加工成形性和可 焊性,也可制成薄壁波节管,其焊接性能不 如不锈钢。而普通黄铜一般都要具有较厚的管壁,不能制成薄壁波节管,但可以制成管 外有螺旋状的凹槽,管内有螺旋状凸出的螺 纹管。 、波节管换热器与螺纹管换热器波节管又称为波纹管换热器(见图2a), 是由管内向外顶挤管壁,使管壁向外凸起, 而压制成依次交替的直管段和弧形管段的波节型管道。流体在弧形管段中流动时,流 速降低,静压增加;在直线管段中流动时,流 速增加而静压减少。流体在弧形段进口处发生喷射效应,而在出口处则发生节流效应。 流体在直线段与弧形段周期性地变换,而产 生剧烈的旋涡而破坏边界层,强化传热的效果显著,同时有良好的阻垢和除垢能力。波 节管换热器只能由薄壁的不锈钢管或工业 纯铜制成,壁厚较厚的普通黄铜管难以成型。
螺纹管又称螺纹槽管(见图2b),
它虽然 也有使边界层减薄,也有强化传热的作用,但 不如波节管,其阻垢及除垢能力也很薄弱。因 此,在加热用的换热器上它不如波节管。但是 在用以冷凝介质的换热器中采用螺纹管,不 仅管内凸起的螺纹,使流体的边界层减薄而 强化传热外,而且管内靠近壁面处的部分流 体顺槽旋转有利于减薄流体边界层,同时螺 旋槽成为排泄凝液的通道,可使凹槽两边的 冷凝液膜减薄,减少热阻,强化传热效果显 著。一般螺纹管由厚壁黄铜管制成,而不锈钢 管难以成型。
2、翅片管的选材 为了强化传热,可在管子外表面上增加 翅片,可增加受热面,同时提高放热系数,这 种管子称为翅片管。翅片管对于空气预热器 十分有利,因为空气在管外,其对流放热系数 很小,管内流体的放热系数为管外空气侧的 &")!""倍,在管外加翅片后,不仅由于拢动 而提高了放热系数,而且使传热面积可增加 为管内表面积的&$)!$倍。纯铜管可以制成 高翅片和低翅片管,而黄铜管一般只制成低 翅片管。不锈钢管不仅只能制成低翅片管,而 且制造尺寸有限制,不如黄铜管。
四、耐腐蚀及耐蚀损能力的比较 纯铜具有很高的化学稳定性,在大气、 淡水和冷凝水中都有良好的抗蚀性,但在海 水中的抗蚀性较差,易被腐蚀。由于铜的标 准电极电位比氧高,在一般碳溶液中不能置 换出氢,故在大多数不含氧或空气的非氧化 性酸(如氢氟酸、盐酸等)溶液中几乎不被腐 蚀,但在氧化性的硝酸、浓硫酸,以及各种盐 类,如氨盐、氯化物、碳酸盐等溶液中易被
腐蚀。黄铜在大气中的耐蚀性不如纯铜,但在 含硫化氢的大气中,随着含锌量的增加,抗蚀 性也增高。对温水的耐蚀性很高。在无
机溶 液,特别是硫酸、盐酸中抗蚀性极低。 黄铜在大气中的耐蚀性不如纯铜,但在 含硫化氢的大气中,随着含锌量的增加,抗蚀
性也增高。对温水的耐蚀性很高。在无机溶 液,特别是硫酸、盐酸中抗蚀性极低。
奥氏体不锈钢一般而言,除氯离子应力 腐蚀开裂外,耐蚀损性能比铜及黄铜都好。从 表*冷凝管材相对抗蚀损对比的材料!也可以看出。表中抗蚀损能力的强弱以数码表示, 数码越小能力越弱,数码越大表示能力越 强。 所谓蚀损包括腐蚀、冲蚀、磨损和微振磨损等引起的金属消耗,表&中主要列出腐蚀 与冲蚀的形式。

铜材及不锈钢材都有应力腐蚀开裂问 题,但其环境不同,奥氏体不锈钢是氯离子的 应力腐蚀开裂;而铜及铜合金主要是铵离子的应力腐蚀开裂。 特殊黄铜的采用 普通黄铜是以铜锌为主的二元合金,若 为了改善其性能,再加入少量其他元素的黄 铜,称为特殊黄铜,也称复杂黄铜。在换热器 的材质中有时也采用特殊黄铜。 为了提高黄铜的抗蚀损能力,於黄铜中 加少量的镍,就成为镍黄铜,例如牌号为HNi65-5的镍黄铜,其成分为Cu 64 ~ 67% Ni 5 ~ 6.5%。从表&可以看出镍 黄铜的抗蚀损能力,每项都强于普通黄铜。在 三七黄铜中加砷后可耐海水腐蚀如:70/30 砷黄铜(三七铜加0. 002~0. 006%砷)或海军 黄铜(Cu 71 Zn 28 Sn 1 As 0.04)。
2.氨对铜材的腐蚀问题 防止氨对铜材的腐蚀,是铜材最突出的问题,一般在氨的气氛中应尽量避免用铜材, 例如在氨制冷的冷凝设备中。这是由于有氨 存在,特别是有氧同时存在时,Cu变成,Cu2+与氨形成四氨合铜铬离子[Cu(NH3)2+4]。一般来说供热系统不存在氨,但在特殊 情况下,也有存在的可能。例如,有些地区地 下水中碱度很高,低压锅炉有时采用铵―钠离子交换软化,经铵离子交换的水,其暂硬成 为重碳酸铵 (NH4HCO3)受热后重碳酸铵分 解:起到部分除碱和脱盐的作用,这时锅炉 的汽或水中有可能有氨存在。
3、奥氏体不锈钢的氯离子应力腐蚀开裂 问题 防止氯离子应力腐蚀开裂,是奥氏体钢最突出的问题。产生氯离子应力腐蚀开裂,必 须是有拉应力及氯离子同时存在,并且与温 度有关。在换热器中虽然拉应力不太大,但一 般都有拉应力存在,因此,是否可以防止这种 开裂的产生,主要就看温度与氯离子含量。 在奥氏体不锈钢中加钼就成为316,316比304有更强的耐氯离子应力腐蚀 开裂的能力。
丹麦对区域供热系统中水质的要求比较 严格,其在不同温度下对水中氯化 物含量的要求!。当采用304不锈钢,而水温≤95度时;当
采用316不锈钢,而水温≤130度时,不论氯化物含量高低都无应力腐蚀。
五、关于流速的限制问题 冲蚀是指由于高速流体,特别是含有固 体细粒的高速流体冲刷传热表面而引起的磨 损,防止冲蚀常采用限制流速的方法,材质耐 冲蚀的性能不同,其允许最大流速也不相 同。表5所示为三类材质最大水流速的限制 数值


一般换热器在压降允许的条件下,希望 流速大些,因为可以提高传热系数,而降低造 价。当管内、外换热系数相差较大时,增加换
热系数小的一侧的流速,可以有效地提高传热效率。水流速越慢,结垢而使热阻增加的可 能性也较大。当然流速也不易过高,不仅流速 过高,压降过大,而且有时还会对换热器的结构上带来不利,例如,为了获取高流速,需要 管子数目较少,为达到所需要的传热面积,就 不得不采用长管或增加管程。若流入的水是 含有溶解氧的,则水流速度高时,溶解氧容易 得到补充,可能产生冲刷腐蚀和入口管端的 腐蚀。对管壳式换热器一般要求管程水流速 达1~2.5m/S,壳程达0.5~1.5m/S。显然 采用黄铜,特别是纯铜,难以达到较高流速, 而限制了在板式换热器和汽水换热器上使 用。
六、资源及价格的比较 从资源的角度来看,铜在地壳中的储量 毕竟有限,因此,其使用范围受到一定的限 制,但是还有价格这个经济因素。以上所述的 各种管材,钛最贵这是可以肯定的;为了降低 其价格,多采用焊接管,焊接管比无缝管便 宜。铜材及不锈钢材的价格难以比较,因为除 了材质而外,加工方式不同,加工费用也不 同;材料价格都是以重量吨为单位,管材厚度 不同,费用也不相同;管理机制及方法不同, 成本也不相同。更重要的是市场还存在供需 关系。一般而言316L不锈钢及铜材略贵于304不锈钢。
七、结论
不锈钢、普通黄铜及工业纯铜都是制 造换热器的良好材料,选用何种材料应进行 全面的技术经济比较确定。加热用的换热器 应优先采用不锈钢;冷凝用的换热器应优先 使用黄铜螺纹管;球状冷凝的换热器应采用 工业纯铜。不锈钢的强度、耐蚀损性能都比铜材 好,允许最大流速远大于铜材,因此最多采 用。但应注意防止产生氯离子应力腐蚀开 裂。一般水温≤95度时可采用304不锈钢;水 温95≤130时可采用316,或316L不锈 钢;水温95≤130且Cl -=50ppm时亦 可采用304不锈钢。 铜材的导热系数比不锈钢大得多,但管壁热阻在热阻总值中所占分额很小,因而 对传热系数的影响很不显著。有氨的环境中 不得用铜材。为了改善性能可采用特殊黄铜,防止海水腐蚀,推荐用加砷黄铜;提高耐蚀损 能力建议采用镍黄铜。工业纯铜机械性能不 高,耐蚀损能力低,但制翅片管或弹簧状盘管有其有利之处,此外非特殊要求不宜多采用。



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