Войти
Теплообменники - это устройства, передающие тепло для достижения желаемого нагрева или охлаждения. Важным аспектом конструкции теплообменников является выбор подходящих материалов для быстрого и эффективного проведения и передачи тепла.
Медь обладает многими желательными свойствами для термически эффективных и долговечных теплообменников. В первую очередь, медь - отличный проводник тепла. Это означает, что высокая теплопроводность меди позволяет теплу быстро проходить через нее. Другие желательные свойства меди в теплообменниках включают ее коррозионную стойкость, сопротивление биологическому обрастанию, максимально допустимые напряжения и внутреннее давление, сопротивление ползучести, усталостную прочность., твердость, тепловое расширение, удельная теплоемкость, антимикробные свойства, предел прочности, предел текучести, высокая точка плавления, легируемость, простота изготовления и легкость соединения.
Сочетание этих свойств позволяет использовать медь для теплообменников на промышленных объектах, систем отопления, вентиляции и кондиционирования, автомобильных охладителей и радиаторов, а также в качестве радиаторов для охлаждения компьютеров, дисководов., телевизоры, компьютерные мониторы и другое электронное оборудование. Медь также входит в состав дна высококачественной посуды, потому что металл быстро проводит тепло и равномерно распределяет его.
Также доступны немедные теплообменники. Некоторые альтернативные материалы включают алюминий, углеродистую сталь, нержавеющую сталь, никелевые сплавы и титан.
. В этой статье рассматриваются полезные свойства и общие области применения. меди в теплообменниках. Также представлены новые технологии медных теплообменников для конкретных применений.
Теплообменники с использованием меди и ее сплавов развивались вместе с технологиями теплопередачи за последние несколько сотен лет. Медные конденсаторные трубы были впервые применены в 1769 году для паровых машин. Изначально трубки были из нелегированной меди. К 1870 году металл Muntz, сплав 60% Cu-40% Zn латуни, использовался для конденсаторов при охлаждении морской водой. Металл Admiralty, желтый латунный сплав 70% Cu-30% Zn с добавлением 1% олова для улучшения коррозионной стойкости, был введен в 1890 году для работы с морской водой. К 1920-м годам для морских конденсаторов был разработан сплав 70% Cu-30% Ni. Вскоре после этого был введен сплав 2% марганца и 2% железа и меди для лучшей устойчивости к эрозии. Сплав 90% Cu-10% Ni впервые стал доступен в 1950-х годах, первоначально для трубопроводов с морской водой. Этот сплав в настоящее время является наиболее широко используемым медно-никелевым сплавом в морских теплообменниках.
Сегодня змеевики пара, испарителя и конденсатора изготавливаются из меди и медных сплавов. Эти теплообменники используются в системах кондиционирования воздуха и холодоснабжения, промышленных и центральных системах отопления и охлаждения, радиаторах, резервуарах для горячей воды, и системы теплых полов.
Теплообменники на основе меди могут изготавливаться с конструкциями из медных трубок / алюминиевых пластин, купроникелевых или полностью медных конструкций. Для повышения коррозионной стойкости труб и ребер могут применяться различные покрытия.
Теплопроводность (k, также обозначается как λ или κ) является мерой способности материала проводить тепло. Передача тепла через материалы с высокой теплопроводностью происходит с большей скоростью, чем через материалы с низкой теплопроводностью. В Международной системе единиц (СИ) теплопроводность измеряется в ваттах на метр по Кельвину (Вт / (м • К)). В имперской системе измерения (британские имперские единицы или имперские единицы ) теплопроводность измеряется в британских тепловых единицах / (час • фут⋅F).
Медь имеет теплопроводность 231 БТЕ / (ч-фут-фут). Это выше, чем у всех других металлов, кроме серебра, драгоценного металла. Медь на 60% лучше, чем алюминий, и на 3000% лучше, чем нержавеющая сталь.
| Металл | Теплопроводность | |
|---|---|---|
| (БТЕ / (час -ft-F)) | (Вт / (м • K)) | |
| Серебро | 247,87 | 429 |
| Медь | 231 | 399 |
| Золото | 183 | 316 |
| Алюминий | 136 | 235 |
| Желтая латунь | 69,33 | 120 |
| Чугун | 46,33 | 80,1 |
| Нержавеющая сталь | 8,1 | 14,0 |
Доступна дополнительная информация о теплопроводности некоторых металлов.
Коррозионная стойкость важна в системах теплопередачи, где используются жидкости, например, в резервуарах с горячей водой, радиаторах и т. д. Единственный доступный по цене материал, который по коррозионной стойкости аналогичен меди, - нержавеющая сталь. Однако теплопроводность нержавеющей стали составляет 1/30 теплопроводности меди. Алюминиевые трубки не подходят для питьевой или неочищенной воды, потому что они корродируют при pH <7.0 and releases hydrogen gas.
. На внутреннюю поверхность трубок из медного сплава можно нанести защитные пленки для повышения коррозионной стойкости. Для некоторых приложений пленка состоит из железа. В конденсаторах электростанций используются дуплексные трубы, состоящие из внутреннего слоя титана с внешним медно-никелевым сплавами. Это позволяет использовать полезные механические и химические свойства меди (например, коррозионное растрескивание под напряжением, воздействие аммиака) наряду с превосходной коррозионной стойкостью титана. Дуплексная трубка с внутренней алюминиевой латунной или медно-никелевой и внешней нержавеющей или мягкой сталью может использоваться для охлаждения в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.
Медь и медно-никелевые сплавы обладают высокой естественной устойчивостью к биообрастанию по сравнению с альтернативными материалами. Другие металлы, используемые в теплообменниках, такие как сталь, титан и алюминий, легко загрязняются. Защита от биообрастания, особенно в морских сооружениях, может быть обеспечена в течение длительного времени с помощью металлической меди.
Медно-никелевые сплавы зарекомендовали себя на протяжении многих лет в системах трубопроводов морской воды и других морских применениях. Эти сплавы устойчивы к биообрастанию в открытом море, где они не позволяют микробной слизи накапливаться и поддерживать макрообрастание.
Исследователи связывают сопротивление меди к биообрастанию даже в умеренных водах с двумя возможными механизмами: 1) замедляющей последовательностью колонизация за счет медленного высвобождения ионов меди в процессе коррозии, тем самым препятствуя прикреплению микробных слоев к морским поверхностям; и / или 2) разделительные слои, которые содержат продукты коррозии и личинок макроорганизмов, образующих корку. Последний механизм сдерживает оседание пелагических стадий личинок на поверхности металла, а не убивает организмы.
Благодаря сильным антимикробным свойствам меди медные плавники могут подавлять рост бактерий, грибков и вирусов, которые обычно накапливаются в системах кондиционирования воздуха. Следовательно, поверхности теплообменников на основе меди дольше остаются чистыми, чем теплообменники из других металлов. Это преимущество обеспечивает значительно увеличенный срок службы теплообменника и способствует улучшению качества воздуха. Теплообменники, изготовленные отдельно из антимикробной меди и алюминия в полномасштабной системе отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, были оценены на предмет их способности ограничивать рост микробов в условиях нормальной скорости потока с использованием однопроходного внешнего воздуха. Обычно используемые алюминиевые компоненты создают стабильные биопленки бактерий и грибков в течение четырех недель после работы. В течение того же периода времени антимикробная медь смогла ограничить бактериальную нагрузку, связанную с медными ребрами теплообменника, на 99,99% и грибковую нагрузку на 99,74%.
Кондиционеры с медными ребрами были установлены на автобусах в Шанхае, чтобы быстро и полностью убивают бактерии, вирусы и грибки, которые раньше размножались на немедных плавниках и могли циркулировать по системам. Решение о замене алюминия на медь было принято после испытаний на антимикробные свойства, проведенных Шанхайским муниципальным центром по контролю и профилактике заболеваний (SCDC) с 2010 по 2012 год. Исследование показало, что уровни микробов на поверхности медных ребер были значительно ниже, чем на алюминиевых, что помогло защитить здоровье пассажиров автобуса.
Доступна дополнительная информация о преимуществах антимикробной меди в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
Медная трубка с внутренними канавками меньшего диаметра больше термически эффективный, материально эффективный, его легче сгибать, развальцовывать и работать с ним. Обычно легче сделать внутренние трубы с рифлением из меди, очень мягкого металла.
Медные сплавы широко используются в качестве трубок теплообменников на ископаемых и атомных парогенераторах электростанциях, химические и нефтехимические заводы, морские службы и опреснительные заводы.
Наибольшее использование труб теплообменников из медного сплава на единицу продукции приходится на коммунальные электростанции. Эти установки содержат поверхностные конденсаторы, нагреватели и охладители, все из которых содержат медные трубы. В основном поверхностном конденсаторе, который принимает паротурбинные выбросы, используется наибольшее количество меди.
Медно-никелевый сплав - это группа сплавов, которые обычно используются в теплообменных или конденсаторных трубах в испарителях опреснительных установок, промышленных предприятиях, зоны воздушного охлаждения тепловых электростанций, подогреватели питательной воды высокого давления и трубопроводы морской воды на судах. Состав сплавов может варьироваться от 90% Cu – 10% Ni до 70% Cu – 30% Ni.
Трубки конденсатора и теплообменника из адмиралтейской латуни с содержанием мышьяка (Cu-Zn-Sn-As) когда-то доминировали на рынке промышленных объектов. Позже популярность алюминиевой латуни возросла из-за ее повышенной коррозионной стойкости. Сегодня алюминий-латунь, 90% Cu-10% Ni и другие медные сплавы широко используются в трубчатых теплообменниках и системах трубопроводов морской воды, солоноватой воды и пресной воды. вода. Сплавы алюминий-латунь, 90% Cu-10% Ni и 70% Cu-30% Ni демонстрируют хорошую коррозионную стойкость в горячей деаэрированной морской воде и рассолах на многоступенчатых установках мгновенного опреснения.
Неподвижные трубчатые теплообменники с жидкостным охлаждением, особенно подходящие для судовых и суровых условий эксплуатации, могут быть собраны с латунными кожухами, медными трубками, латунными перегородками и встроенными концевыми ступицами из кованой латуни.
Трубы из медного сплава могут поставляться либо с блестящей металлической поверхностью (CuNiO) или с тонким прочным оксидным слоем (алюминиевая латунь). Эти типы отделки позволяют формировать защитный слой. Защитная оксидная поверхность лучше всего достигается при эксплуатации системы в течение нескольких недель с чистой кислородсодержащей охлаждающей водой. Пока образуется защитный слой, могут быть приняты вспомогательные меры для улучшения процесса, такие как добавление сульфата железа или периодическая очистка трубок. Защитная пленка, которая образуется на сплавах Cu-Ni в аэрированной морской воде, созревает примерно через три месяца при 60 ° F и со временем становится все более защитной. Пленка устойчива к загрязненной воде, неравномерным скоростям и другим суровым условиям. Более подробная информация доступна.
Сопротивление биообрастанию сплавов Cu-Ni позволяет теплообменным установкам работать в течение нескольких месяцев между механическими очистками. Тем не менее, очистка необходима для восстановления исходной теплопередачи. Введение хлора может увеличить интервалы механической очистки до года и более без вредного воздействия на сплавы Cu-Ni.
Доступна дополнительная информация о теплообменниках из медных сплавов для промышленных предприятий.
Солнечные водонагреватели могут быть экономичным способом производства горячей воды для дома во многих регионах мира. Медные теплообменники играют важную роль в системах солнечного нагрева и охлаждения из-за высокой теплопроводности меди, устойчивости к атмосферной и водной коррозии, герметизации и соединения пайкой и механической прочности. Медь используется как в приемниках, так и в первичных контурах (трубы и теплообменники для резервуаров с водой) солнечных систем термальной воды.
Доступны различные типы солнечных коллекторов для бытового применения с прямой циркуляцией (т. Е. Для нагрева воды и доставляет его прямо в дом для использования) или косвенной циркуляции (т. е. перекачивает теплоноситель через теплообменник, который затем нагревает воду, которая течет в дом). В солнечном водонагревателе с откачиваемой трубкой и системой косвенной циркуляции откачиваемые трубы содержат стеклянную внешнюю трубу и металлическую трубу-поглотитель, прикрепленную к ребру. Солнечная тепловая энергия поглощается откачанными трубами и преобразуется в полезное концентрированное тепло. Вакуумные стеклянные трубки имеют двойной слой. Внутри стеклянной трубки находится медная тепловая трубка. Это герметичная полая медная трубка, содержащая небольшое количество теплоносителя (воды или смеси гликоля), который под низким давлением кипит при очень низкой температуре. Медная тепловая трубка передает тепловую энергию из солнечной трубки в медный коллектор. По мере того, как раствор циркулирует через медный коллектор, температура повышается.
К другим компонентам солнечных систем термальной воды, содержащим медь, относятся резервуары солнечного теплообменника и солнечные насосные станции, а также насосы и контроллеры.
Кондиционирование воздуха и отопление в зданиях и автотранспортных средствах - два основных направления применения теплообменников. В то время как медная труба используется в большинстве систем кондиционирования и охлаждения, в типичных установках кондиционирования в настоящее время используются алюминиевые ребра. В этих системах могут скапливаться бактерии и плесень, а также образовываться запахи и загрязнения, которые могут нарушить их работу. Новые строгие требования, в том числе требования по повышению эффективности работы и снижению или устранению вредных выбросов, повышают роль меди в современных системах HVAC.
Антимикробные свойства меди могут улучшить производительность систем HVAC и связанных с ними Качество воздуха в помещении. После обширных испытаний медь стала зарегистрированным материалом в США для защиты поверхностей оборудования для отопления и кондиционирования воздуха от бактерий, плесени и плесени. Кроме того, тестирование финансируется США. Министерство обороны демонстрирует, что кондиционеры, полностью изготовленные из меди, подавляют рост бактерий, плесени и грибка, вызывающих запахи, и снижают энергоэффективность системы. Устройства, изготовленные из алюминия, не демонстрируют этого преимущества.
Медь может вызывать гальваническую реакцию в присутствии других сплавов, что приводит к коррозии.
Вода отопление является вторым по величине потреблением энергии в доме. Газо-водяные теплообменники, передающие тепло от газообразного топлива к воде от 3 до 300 киловатт тепловой (кВт · ч), широко используются в жилых и коммерческих помещениях в системах водяного отопления и отопительных котлов.
Растет спрос на энергоэффективные компактные системы водяного отопления. Бесконтактные газовые водонагреватели вырабатывают горячую воду при необходимости. Медные теплообменники являются предпочтительным материалом в этих установках из-за их высокой теплопроводности и простоты изготовления. Для защиты этих устройств в кислой среде доступны долговечные покрытия или другие виды обработки поверхности. Кислотостойкие покрытия способны выдерживать температуры до 1000 ° C.
Воздушные тепловые насосы уже много лет используются для отопления и охлаждения жилых и коммерческих помещений. Эти агрегаты основаны на теплообмене воздух-воздух через испарительные агрегаты, аналогичные тем, которые используются в кондиционерах. Ребристые теплообменники вода-воздух чаще всего используются в системах принудительного воздушного отопления и охлаждения, например, в дровяных печах, котлах и печах в помещении и на открытом воздухе. Они также могут подходить для систем жидкостного охлаждения. Медь используется в коллекторах подачи и возврата, а также в трубчатых змеевиках.
Геотермальная технология теплового насоса, также известная как «источник земли», «земля- связанный, или «прямой обмен», основан на циркуляции хладагента через скрытые под землей медные трубки для теплообмена. Эти агрегаты, которые значительно более эффективны, чем их аналоги с воздушным источником, полагаются на постоянство температуры грунта ниже зоны мороза для передачи тепла. В наиболее эффективных наземных тепловых насосах используются ACR, тип L или медные трубы специального размера, заглубленные в землю для передачи тепла в кондиционируемое пространство или из него. Гибкая медная труба (обычно от 1/4 дюйма до 5/8 дюйма) может быть заглублена в глубокие вертикальные отверстия, по горизонтали в относительно неглубокой сетке, в вертикальном заборе в траншеях средней глубины или в виде нестандартных конфигураций. Доступна дополнительная информация.
Медь и алюминий используются в качестве радиаторов и тепловых трубок в электронике охлаждающие приложения. радиатор - это пассивный компонент, который охлаждает полупроводниковые и оптоэлектронные устройства, рассеивая тепло в окружающий воздух. Радиаторы имеют температуру выше окружающей среды, поэтому тепло может передаваться в воздух за счет конвекции, излучения и теплопроводности.
Алюминий является наиболее часто используемым теплом. материал раковины из-за более низкой стоимости. Медные радиаторы необходимы, когда требуется более высокий уровень теплопроводности. Альтернативой полностью медным или полностью алюминиевым радиаторам является соединение алюминиевых пластин с медным основанием.
Медные радиаторы отливаются под давлением и скрепляются пластинами. Они быстро передают тепло от источника тепла к медным или алюминиевым пластинам и в окружающий воздух.
Тепловые трубки используются для отвода тепла от центральных процессоров (CPU) и графических процессоров (GPU) и к радиаторам, где рассеивается тепловая энергия в окружающую среду. Медные и алюминиевые тепловые трубки широко используются в современных компьютерных системах, где повышенное энергопотребление и связанное с этим тепловыделение приводят к повышенным требованиям к системам охлаждения.
Тепловая труба обычно состоит из герметичной трубы или трубки на горячем и холодном концах. В тепловых трубках используется испарительное охлаждение для передачи тепловой энергии из одной точки в другую за счет испарения и конденсации рабочей жидкости или хладагента. Они принципиально лучше передают тепло на большие расстояния, чем радиаторы, поскольку их эффективная теплопроводность на несколько порядков больше, чем у эквивалентного твердого проводника.
Когда желательно поддерживать температуру перехода ниже 125–150 ° C, обычно используются тепловые трубы медь / вода. Медь / метанол тепловые трубы используются, если приложение требует работы тепловых трубок при температуре ниже 0 ° C.
CuproBraze - это медь - технология теплообменника из сплава, разработанная для приложений, которые должны выдерживать суровые условия. Технология особенно подходит для сред с более высокими температурами и давлением, необходимыми для более чистых дизельных двигателей, которые требуются глобальными экологическими нормами.
. Применения CuproBraze включают охладители наддувочного воздуха, радиаторы, маслоохладители, системы климат-контроля и теплообменники. CuproBraze особенно подходит для охладителей наддувочного воздуха и радиаторов в капиталоемких отраслях, где оборудование должно работать в течение длительных периодов времени в суровых условиях без преждевременных отказов. По этим причинам CuproBraze особенно подходит для внедорожников, грузовиков, автобусов, промышленных двигателей, генераторов, локомотивов и военной техники. рынки. Эта технология также применима для легких грузовиков, внедорожников и легковых автомобилей.
CuproBraze является альтернативой паяным медным / латунным пластинам, паяным медным латунным змеевиком и паяным алюминиевым змеевиком. Технология позволяет использовать паяные медные змеевидные ребра в конструкциях медно-латунных теплообменников. Они дешевле в производстве, чем конструкции с припаянными змеевиками. Они также прочнее, легче, долговечнее и имеют более жесткие соединения.
Преимущества медной трубки меньшего диаметра с внутренней канавкой для теплопередачи очевидны. задокументировано.
Змеевики меньшего диаметра имеют лучшую скорость теплопередачи, чем змеевики обычных размеров, и они могут выдерживать более высокое давление, требуемое для нового поколения экологически безопасных хладагентов. Змеевики меньшего диаметра также имеют более низкие материальные затраты, поскольку для них требуется меньше хладагента, ребер и материалов змеевика; и они позволяют создавать более компактные и легкие высокоэффективные кондиционеры и холодильники, поскольку змеевики испарителей и конденсаторов меньше и легче. MicroGroove использует рифленую внутреннюю поверхность трубки для увеличения отношения поверхности к объему и увеличения турбулентности для смешивания хладагента и гомогенизации температур по трубке.
