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摘要
對管(guǎn)殼式換熱器，在管(guan)材上采用奧氏體(ti)不鏽鋼，普☎️通黃銅(tong)👅及工業純
銅三種(zhong)材質，探讨采用何(he)種材質最佳。
關鍵(jiàn)詞：管殼式換熱器(qi)不鏽鋼黃銅純銅(tong)選擇
一、前言
管殼(ké)式換熱器的殼體(ti)，封頭及管闆，這些(xie) 較厚的部件一般(ban)都采用碳鋼制成(chéng)；管材目前 已很少(shao)用碳鋼👅，多用⛷️奧氏(shi)體不鏽鋼或普通(tōng)黃銅，最近有的廠(chǎng)家采用工業純銅(tóng)。這三種材👄質 在物(wu)理性能、機械性能(néng)、化✉️學性能及資源(yuán)與價🐪 格上都有差(chà)異。本文将其主要(yào)👉有關性能進行比(bǐ)較，從而💋對選材問(wèn)題🐇進行探讨。
這三(sān)種材料品種規格(gé)較多，以下奧氏體(tǐ)不鏽鋼以AISI306爲代⭐表(biǎo)；工業純 銅以二号(hào)銅（T2）爲代表；普通黃(huang)銅以三七銅 （H68）爲代(dai)表。這三種牌号也(yě)是換熱器上最常(chang) 用的💃其主要化學(xué)成🏃♂️分列于👣表-。
表-材(cái)料主要化學成分(fèn)
二、導熱性能的比(bǐ)較
三種材料的導(dao)熱系數!值相差很(hen)大，
對比列于表1。純(chún)銅最突出的特點(dian)是導電 及導熱性(xing)能好，它的導電性(xìng)和導熱性在所有(you)金屬中僅次于銀(yín)，居第二位。從表2看(kàn)出，若 按-100℃來比較，H68的(de)導熱系數爲不鏽(xiù)鋼的7.4倍，而純銅爲(wèi)不鏽鋼的21.9倍。
表!材(cái)料導熱系數的對(duì)比
1、對傳熱效果的(de)影響
黃銅的導熱(rè)系數比不鏽鋼大(dà)7倍多，純 銅則爲20幾(ji)倍，在對流換熱中(zhong)，相同的受熱面積(jī)，銅管是否其傳熱(re)量也比不鏽鋼大(dà)相同 的💰倍數呢？
并(bing)非如此，因爲影響(xiǎng)對流換熱的傳 熱(rè)量和傳熱效率的(de)因素是其傳熱系(xi)數K。K值 的大小，與高(gāo)溫側換熱🈲系數ah；低(dī)溫側換熱系 數ac；高(gao)溫側與低溫側的(de)污垢系數§h和§c #9；以 及(jí)管壁熱阻δ/λ（δ爲管壁(bì)厚度）有關，熱阻越(yuè) 大，換熱器的傳熱(rè)效率越差。
一般黃(huang)銅管壁厚爲2mm ；其管(guan)壁熱阻’ 而不 鏽鋼(gang)管壁厚爲0.5mm或0.6mm，則其(qí)管壁熱阻0.0006/17.3=3.47×10-5.℃/ w也 就是(shi)管壁♊熱阻不✊鏽鋼(gang)僅爲黃銅的2.2倍。 更(geng)重要的是，計算K值(zhi)時🌐最主要的熱阻(zǔ) 是膜熱阻1/аh及1/аe；其次(cì)是污垢熱阻1/§h)及1/§c而(ér)δ/λ最小，常🔴可略而不(bú)計。例如：水 ―水換熱(rè)器，設水側放熱系(xi)數均爲6000w/.℃,取污垢系(xì)數§h=§e=1000 w/.℃；不鏽鋼及工業(ye)純銅管厚均😘爲0.0006mm；而(ér)黃銅管厚爲2mm。則膜(mo)熱阻2*1/6000 w/.℃；污垢熱阻爲(wèi)2*1/1000 w/.℃。而不鏽鋼的管壁(bi)熱阻 爲3.47×10-5黃銅爲1.56×10-5；純(chun)銅則✂️爲1.58×10-6 w/.℃。 從以上計(ji)算數值可以明顯(xian)💰看出，雖然銅 的導(dao)熱系數比不鏽鋼(gang)大的多，但由于計(jì)算K 值時📞管壁熱阻(zu)很小，因此對對流(liu)換熱的影響🍉 極微(wei)。 此外，金屬表面狀(zhuang)态對傳熱速度的(de)影響 很顯著。換熱(rè)💰器運行一定時間(jiān)以後，金屬表 面👉都(dou)會形成一層膜，不(bú)鏽鋼表面生成極(jí)薄的 純化膜，它對(dui)傳熱的影響極微(wei)，而✏️黃銅的表 面生(sheng)成了具有一定厚(hòu)度的氧化膜，它一(yī)方面 起到對腐蝕(shí)的阻抑作用，同時(shí)也對傳熱過程 造(zao)成了附加熱阻。有(you)的學者用304不鏽鋼(gāng)與 含砷海軍黃銅(tong)（也爲三七銅，但含(hán)砷，成分爲Cu 70% Zn 29%；As 0.02~0.01%），在同一(yi) 換熱器中進行兩(liang)年試驗結果%如圖(tú))
所示：
在240天以前，海(hai)軍黃銅的傳熱速(sù)度大 于304不鏽鋼，240天(tiān)以後🚶♀️則相💜反，304不鏽(xiù) 鋼優于海軍黃銅(tóng)。
2.對冷凝傳熱的影(yǐng)響 有些換熱器是(shi)冷卻汽态介質，使(shǐ)之冷🤟凝， 這種換熱(re)器最常用於制冷(leng)設備。冷凝傳熱一(yi)❤️ 般爲膜狀冷凝，其(qí)冷凝
傳熱系數約(yuē)爲5000w/.℃；也有的換熱器(qì)采用珠狀冷凝，其(qí) 冷凝傳熱系數比(bǐ)膜狀冷凝傳熱系(xi)數大10倍， 約爲50000w/.℃左右(yòu)。
珠狀冷凝發生在(zài)塗有極薄助聚劑(ji)的銅表 面上，開始(shǐ)在表面的坑窪處(chu)彙聚直徑爲10-6m量級(ji)的極小液滴♊。當液(yè)滴表面的過冷度(dù)0. 3度時，出現大量的(de)極小液滴，其數量(liàng)可達 每2有108個液滴(dī)，此時冷凝通🐕過微(wei)點的表面直接發(fā)生，這就是珠狀冷(lěng)凝傳熱系數很大(dà)的原💃因,
形成球狀(zhuang)冷凝的金屬冷凝(ning)表面必須是銅 或(huo)銀等導熱性極其(qí)良好的材質，也有(you)用真空 鍍層的方(fang)法，将很🏃🏻薄的一層(céng)金鍍在冷凝表面(miàn)，
也可取得良好效(xiao)果。但金、銀都是極(jí)貴重的金 屬，故🐇一(yi)般都💞用銅，當然用(yòng)工業純銅最佳。
三(san)、機械性能的比較(jiào)
三種材質，由于品(pǐn)種不同，其化學成(cheng)分有 差異：是原材(cái)料、闆材、帶材、還是(shi)管材的不 同；交貨(huo)方式不同，如是經(jing)👈熱處🔞理交貨還是(shì)不經熱處理交貨(huo)，有色金屬是軟狀(zhuang)态，還是硬狀 态交(jiao)貨等等，其各種材(cái)質的機✔️械強度都(dou)有差 别，一🤞般而言(yán)如♋表0所示。
表0機械(xie)強度的對比
奧氏(shì)體不鏽鋼的強度(du)最好，塑性很高， 可(kě)制成薄壁波節♻️管(guan)，由🔞于是鋼材，焊接(jiē)性能最好。工業純(chun)銅具備優良的加(jia)💃工成⭐形性和可💰 焊(han)性，也可制成薄壁(bì)波節管，其焊✏️接性(xing)能不 如不鏽鋼。而(ér)❤️普通黃銅一般都(dou)要具有較厚的管(guan)壁，不能制成薄壁(bì)波節管，但可以制(zhi)💚成管 外有螺旋狀(zhuang)的凹槽，管内有螺(luo)旋狀凸出的螺💁 紋(wén)管。 、波節管換熱器(qì)與螺紋管換熱器(qì)波節管又稱💯爲波(bo)紋管換熱器（見圖(tú)2a）， 是由管内向外頂(dǐng)擠管壁，使管🚶壁向(xiàng)外凸起， 而壓制成(cheng)依次交替的直⁉️管(guan)段和弧形管段的(de)波節型管道。流體(tǐ)在弧形管段中流(liu)動時，流 速降低，靜(jing)壓增♈加；在直線管(guǎn)段中流動時，流 速(su)增加而靜壓減少(shǎo)。流體在弧形段進(jin)口處發生噴射效(xiao)應，而在出口處則(zé)發生節流效應。 流(liú)體在直線段與🈚弧(hú)形段周🍉期性地變(bian)換，而産 生劇烈的(de)旋渦而破壞邊界(jie)層，強化傳熱的效(xiao)果顯著，同時🈲有良(liang)好的阻垢和除垢(gòu)能力。波 節管換熱(re)器隻能由薄壁的(de)不鏽鋼㊙️管或工業(yè) 純銅制成，壁厚較(jiào)厚的普通黃🥵銅管(guǎn)難以成型。
螺紋管(guan)又稱螺紋槽管（見(jiàn)圖2b），
它雖然 也有使(shǐ)邊界層減薄，也有(yǒu)強化傳熱的作用(yòng)，但 不如波節管，其(qi)阻垢及除垢能力(lì)也很薄弱。因 此，在(zài)加熱用的換熱器(qi)㊙️上它不如波節管(guǎn)。但是 在用以🌏冷凝(níng)介質的換熱器中(zhōng)采用螺👅紋管，不 僅(jin)管内凸起的螺紋(wén)，使流體的邊👈界層(ceng)減薄❄️而 強化傳熱(re)外，而且✌️管内靠近(jìn)壁面處的部分🏃♂️流(liú) 體順槽旋轉有利(lì)于減🍓薄流體邊界(jiè)層，同時螺 旋槽成(cheng)爲排洩凝液的通(tōng)道，可使凹槽兩邊(biān)的 冷凝液膜減薄(báo)，減少熱阻，強化傳(chuan)熱效果顯 著。一般(ban)螺紋管由厚壁黃(huang)銅管制成，而不鏽(xiù)鋼 管難💋以成型。
2、翅(chì)片管的選材 爲了(le)強化傳熱，可在管(guǎn)子外表面上增加(jiā) 翅片，可增加受熱(rè)面，同時提高放熱(re)系數，這 種管子稱(chēng)爲翅片管。翅片管(guǎn)🌏對于空氣預熱器(qì) 十分有利，因爲空(kōng)氣在管外，其♈對流(liu)放熱系數 很小，管(guǎn)内流體的放熱系(xì)數爲管外空氣側(ce)的 &")!""倍，在管外加翅(chì)片後，不僅由于攏(long)動 而提高了放熱(rè)系數，而且使傳熱(re)❌面積可增加💚 爲管(guǎn)内表面積的🙇🏻&$)!$倍。純(chún)銅管可以制成 高(gao)翅片和低翅片🙇🏻管(guǎn)，而黃銅管一般✔️隻(zhi)制成低 翅片管。不(bu)鏽鋼管不僅隻能(néng)制成低翅片管🚩，而(ér) 且制造尺♈寸有限(xian)制，不如黃銅管。
四(si)、耐腐蝕及耐蝕損(sǔn)能力的比較 純銅(tong)具有很高的化🔴學(xué)穩定性💰，在大氣、 淡(dàn)水和冷凝水中都(dou)有良好的抗蝕性(xìng)，但在海 水中的抗(kang)蝕性較差，易被腐(fu)蝕。由于銅的标🏃 準(zhǔn)電極🎯電位比氧高(gao)，在一般碳溶液中(zhōng)不能🛀置 換出氫，故(gù)在大多數不含氧(yang)或空氣的非氧化(hua) 性酸（如氫氟酸⛷️、鹽(yan)酸等）溶液🐪中幾乎(hu)不被腐 蝕，但在氧(yǎng)化性的硝酸、濃硫(liú)酸，以及各種鹽 類(lei)，如氨鹽、氯化物、碳(tàn)酸鹽等⁉️溶液中易(yi)被
腐蝕。黃銅在大(dà)氣中的耐蝕性不(bu)如純銅，但在 含硫(liú)化氫的大🥰氣中，随(sui)着含鋅量的增加(jia)，抗蝕 性也增高。對(duì)溫水的耐蝕性很(hěn)高。在無
機溶 液，特(te)别是硫酸、鹽酸中(zhong)抗蝕性極低。 黃銅(tong)在大氣中的耐蝕(shi)性不如純銅，但在(zài) 含硫化氫的大氣(qi)中，随着含鋅量的(de)增加，抗蝕😘
性也增(zēng)高。對溫水的耐蝕(shí)性很高。在無機溶(róng) 液，特别是硫酸、鹽(yan)酸中抗蝕性極低(dī)。
奧氏體不鏽鋼一(yī)般而言，除氯離子(zǐ)應力 腐蝕開裂☂️外(wài)，耐蝕損性能比銅(tong)及黃銅都好。從 表(biǎo)*冷凝管材相對抗(kang)蝕損對比的材料(liào)!也可以看出。表中(zhong)抗蝕損能👄力的強(qiáng)弱以數碼表示， 數(shù)碼越小能力越弱(ruo)，數碼越大表示能(néng)🌏力越 強。 所謂蝕損(sǔn)包括腐蝕、沖☂️蝕、磨(mó)損和微振磨損等(deng)💃引起的金屬消耗(hào)，表&中主😘要列出腐(fu)蝕 與沖蝕的形式(shì)。
銅材及不鏽鋼材(cai)都有應力腐蝕開(kāi)裂問 題，但其環境(jìng)不同，奧氏體不鏽(xiu)鋼是氯離子的 應(yīng)力腐蝕開裂；而銅(tóng)及銅🚩合金主要是(shi)铵🈚離子的應力腐(fu)蝕開裂。 特殊黃銅(tóng)的采用 普通黃銅(tóng)是以銅鋅爲主的(de)二元合金，若 爲了(le)改善其性能，再加(jia)入少量其他元素(su)的黃 銅，稱爲特殊(shū)黃銅，也稱複雜黃(huáng)銅。在換👣熱器 的材(cái)質中有時也采用(yong)特殊黃銅。 爲了🌏提(ti)高黃銅的抗蝕損(sǔn)能力，於黃銅中 加(jia)少量的📧鎳，就成爲(wei)鎳黃銅，例如牌号(hao)爲HNi65-5的鎳黃銅，其成(cheng)💛分爲Cu 64 ~ 67% Ni 5 ~ 6.5%。從表&可以看(kàn)出鎳 黃銅的抗蝕(shí)損能力，每項都強(qiáng)于普通黃銅。在 三(san)七黃銅中加砷後(hòu)可耐海水腐蝕如(ru)：70/30 砷黃銅（三七銅加(jia)0. 002~0. 006%砷）或海軍 黃銅（Cu 71 Zn 28 Sn 1 As 0.04）。
2.氨(ān)對銅材的腐蝕問(wen)題 防止氨對銅材(cai)的腐蝕，是銅材最(zuì)突出的問題，一般(bān)在氨的氣氛中應(yīng)盡量避免用銅材(cái)， 例如在氨制冷的(de)冷凝設備中。這是(shi)由于有氨 存在，特(tè)别是有氧同時存(cún)在時，Cu變成,Cu2+與氨形(xing)成四氨合銅鉻離(li)子[Cu(NH3)2+4]。一般來說供熱(rè)系統不存在氨，但(dan)在特殊 情況下，也(ye)有存在的可能。例(li)如，有✊些地區地 下(xia)🔅水中堿度很高☔，低(dī)壓鍋爐有時采用(yong)铵―鈉離子交換軟(ruan)化，經铵離子交換(huan)的水，其暫硬成 爲(wèi)重碳酸铵 (NH4HCO3)受💋熱📧後(hou)重碳酸铵分 解： 起(qǐ)到部分除堿和脫(tuō)鹽的作用，這時鍋(guo)爐 的汽或水中有(you)可能有🏒氨存在。
3、奧(ào)氏體不鏽鋼的氯(lǜ)離子應力腐蝕開(kāi)裂 問題 防止氯離(li)子♈應力腐蝕開裂(liè)，是奧氏體鋼最突(tu)出的問題。産生氯(lǜ)離子應❓力腐蝕開(kāi)裂，必 須是有拉應(ying)力及氯離子同時(shi)存在，并且與㊙️溫 度(du)有關。在換熱器中(zhong)雖然拉應力不太(tài)大，但一✉️ 般都有拉(lā)👄應力存在💁，因此，是(shi)否可以防止這種(zhǒng) 開裂的産生，主要(yào)就看溫度與氯離(li)子含量。 在奧氏體(tǐ)不鏽鋼中加钼就(jiù)成爲316,316比304有更強📧的(de)耐氯離👉子應力腐(fu)蝕 開裂的能力。
丹(dān)麥對區域供熱系(xì)統中水質的要求(qiú)比較 嚴格，其在🙇♀️不(bú)同溫度下對水中(zhōng)氯化 物含量的要(yào)求!。當采用304不鏽✊鋼(gang)，而☔水溫≤95度時；當
采(cai)用316不鏽鋼，而水溫(wen)≤130度時，不論氯化物(wù)含量高低都🐆無應(ying)💃🏻力腐蝕🌈。
五、關于流(liú)速的限制問題 沖(chong)蝕是指由于高速(su)流體，特别是含有(you)固 體細粒的高速(sù)流體沖刷傳熱表(biǎo)面而引起的磨 損(sun)，防止沖蝕常采用(yòng)限制流速的方法(fa)，材質耐 沖蝕的性(xing)能不同，其允許最(zuì)大流速也不相 同(tóng)。表5所示爲三類材(cái)🤟質最大水流速的(de)限制 數值
一般換(huan)熱器在壓降允許(xǔ)的條件下，希望 流(liú)速大些，因爲可以(yi)提高傳熱系數，而(er)降低造 價。當管内(nei)、外換熱系❄️數相差(chà)較大時，增加換
熱(re)系數小的一側的(de)流速，可以有效地(di)提高傳熱效率♍。水(shuǐ)流速越慢，結垢而(ér)使熱阻增加的可(ke) 能性也較大。當然(ran)流速也不易過高(gao)，不僅流速 過高，壓(ya)降過大，而且有時(shi)還會對換熱器的(de)結構上帶🙇🏻來不利(lì)，例如，爲了獲取高(gao)流速，需要 管子數(shu)目較少，爲達到所(suǒ)需💚要的傳熱面❓積(jī)，就 不得不采用長(zhang)管或㊙️增加管程。若(ruò)流入的水是 含有(you)溶解氧的，則水流(liú)速度高時🏃，溶解氧(yǎng)容易 得到補充，可(kě)能産生沖刷腐蝕(shí)和入口管端🐇的 腐(fu)蝕。對管殼式換⛷️熱(rè)器一般要求管🈲程(chéng)水流速 達☁️1~2.5m/S，殼程達(da)0.5~1.5m/S。顯然 采用黃銅⛹🏻♀️，特(te)别是❤️純銅，難以達(dá)到🈲較高流速， 而限(xian)制了在闆式換熱(rè)器和汽水換🏃🏻熱器(qì)上使 用。
六、資源及(ji)價格的比較 從資(zī)源的角度來看，銅(tong)在地殼中🔅的儲量(liang) 畢竟有限，因此，其(qi)使用範圍受到一(yī)定的限 制，但是還(hai)有價格這個經濟(jì)因素。以上所述的(de) 各種管材，钛最貴(guì)這是可以肯定的(de)；爲🈚了降低 其價格(ge)，多采用焊接管，焊(hàn)接管比無縫管便(biàn) 宜。銅材及不🔞鏽鋼(gang)材的價格難以比(bi)較，因爲除 了材🌂質(zhì)而外，加工🈲方式不(bú)同，加工費用也不(bú) 同；材料價格都是(shì)以重量噸爲單位(wèi)，管材厚度 不同，費(fèi)用也不相同；管理(li)機制及方法不同(tóng)， 成本也不相同。更(geng)重要的💛是🧑🏽🤝🧑🏻市場還(hái)存🐆在供需 關系。一(yī)般而言316L不鏽鋼🛀🏻及(jí)銅材略貴于⛷️304不鏽(xiù)鋼。
七、結論
不鏽鋼(gāng)、普通黃銅及工業(ye)純銅都是制 造換(huàn)熱器的良好材料(liao)，選🏃♂️用何種材料應(yīng)進行 全面的技術(shu)經濟比較确定。加(jia)熱🔴用的換熱🐉器 應(yīng)優先采用不鏽鋼(gāng)；冷凝用的換熱器(qi)應優先 使用黃銅(tóng)螺紋🐕管；球狀冷凝(níng)的換熱器應采用(yòng) 工業純銅。不鏽鋼(gang)的強🍓度、耐蝕損性(xing)能都比銅✉️材 好，允(yǔn)許最大流速遠大(da)于銅材，因此最多(duō)采 用。但應注意防(fang)止産生氯離子應(ying)力腐蝕開 裂。一般(ban)水溫≤95度時❤️可采用(yòng)✨304不鏽鋼；水 溫95≤130時可(ke)采用316,或316L不鏽 鋼；水(shuǐ)溫95≤130且Cl -=50ppm時亦 可采用(yong)304不鏽鋼。 銅材的導(dao)熱系數比不鏽✉️鋼(gāng)大得多，但管壁熱(rè)阻在熱阻總值中(zhōng)所👨❤️👨占分額很小，因(yin)而 對傳熱系數的(de)影響很🚶♀️不顯著。有(you)氨的環境中 不得(de)用銅材。爲了改善(shan)性能可采用特殊(shu)黃🈲銅，防止海水腐(fu)蝕，推薦用加砷黃(huáng)銅；提高耐蝕損 能(neng)力建議采用鎳黃(huáng)銅。工業純銅機械(xiè)性能不 高❤️，耐蝕損(sǔn)能力低，但制翅片(piàn)管或彈簧狀盤管(guan)有其💔有利之處，此(ci)外非特殊要求不(bú)宜多采用🌍。
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