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摘要
對管(guǎn)殼式換熱器，在管(guǎn)材上采用奧氏體(tǐ)不鏽鋼，普通黃銅(tóng)及工業純
銅三種(zhong)材質，探讨采用何(he)種材質最佳。
關鍵(jian)詞：管殼式換熱器(qì)不鏽鋼黃銅純銅(tóng)選擇
一、前言
管殼(ke)式換熱器的殼體(ti)，封頭及管闆，這些(xiē) 較厚的部✨件一般(ban)都采用碳鋼制成(cheng)；管材目前 已很少(shǎo)用碳鋼，多用奧氏(shi)體不🐉鏽鋼或普通(tong)黃銅，最近有的廠(chang)家采用工業🧑🏾🤝🧑🏼純銅(tong)。這三種材🈲質 在物(wù)理性能、機械性能(neng)、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(wen)題進行探讨。
這三(san)種材料品種規格(gé)較多，以下奧氏體(ti)不鏽鋼以AISI306爲🐆代表(biao)；工業純 銅以二号(hao)銅（T2）爲代表；普通黃(huáng)銅以三🏃🏻♂️七銅㊙️ （H68）爲代(dài)表。這三種牌号也(yě)是換熱器上最常(chang) 用的其主要化學(xue)成分列于表-。
表-材(cai)料主要化學成分(fen)
二、導熱性能的比(bi)較
三種材料的導(dao)熱系數!值相差很(hěn)大，
對比列于表1。純(chun)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(kan)出，若 按-100℃來比較，H68的(de)導熱系數爲不鏽(xiu)鋼的7.4倍，而純銅爲(wei)💃🏻不鏽鋼的21.9倍。
表!材(cai)料導熱系數的對(dui)比
1、對傳熱效果的(de)影響
黃銅的導熱(re)系數比不鏽鋼大(da)7倍多，純 銅則爲20幾(jǐ)倍💚，在對🔞流🌏換🈚熱中(zhōng)，相同的受熱面積(ji)，銅管是否其傳熱(rè)量也比不鏽鋼✊大(da)相同 的倍數呢？
并(bing)非如此，因爲影響(xiang)對流換熱的傳 熱(re)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(di)溫側換熱系 數ac；高(gāo)溫側與低溫側的(de)污垢系數§h和§c #9；以 及(ji)管壁熱阻δ/λ（δ爲💋管壁(bi)厚度）有關，熱阻越(yuè) 大，換✉️熱器的傳熱(rè)效率越差。
一般黃(huáng)銅管壁厚爲2mm ；其管(guan)壁熱阻’ 而不 鏽鋼(gāng)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(shì)管壁熱阻不鏽鋼(gang)僅爲黃銅的2.2倍。 更(gèng)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(er)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(chún)銅則爲1.58×10-6 w/.℃。 從以上計(jì)算數值可以明顯(xiǎn)看出，雖💋然銅 的導(dao)熱系數比不鏽鋼(gang)大的多，但由于計(ji)算K 值時管壁熱阻(zǔ)很小，因此對對流(liu)換熱的影響 極微(wēi)。 此外，金屬表面狀(zhuàng)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(ji)薄的 純化膜✌️，它對(dui)傳熱的影響極微(wei)，而黃銅❤️的表 面生(shēng)成了具有一定厚(hòu)度的氧化膜，它一(yī)方面 起到對腐蝕(shi)的阻抑作用，同時(shi)也對傳熱🙇🏻過程 造(zao)成了附加熱阻。有(yǒu)的學者用304不鏽鋼(gang)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(liǎng)年試驗🏃🏻♂️結果%如圖(tu))
所示：
在240天以前，海(hǎi)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(xiu) 鋼優于海軍黃銅(tong)。
2.對冷凝傳熱的影(ying)響 有些換熱器是(shi)冷卻汽态介質，使(shi)之冷凝， 這種換熱(rè)器最常用於制冷(leng)設備。冷凝傳熱一(yi) 般爲膜狀冷凝，其(qi)冷凝
傳熱系數約(yue)爲5000w/.℃；也有的換熱器(qi)采用珠狀冷凝，其(qi) 冷凝傳熱🚩系數比(bi)膜狀冷凝傳熱系(xì)數大10倍， 約爲50000w/.℃左右(you)。
珠狀冷凝發生在(zài)塗有極薄助聚劑(jì)的銅表 面上，開始(shi)在表面的坑窪處(chù)彙聚直徑爲10-6m量級(jí)的極小液滴🆚。當液(yè)滴表面的過冷度(du)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(di)，此時冷凝通過微(wei)點的表🈲面直接發(fa)生，這就是珠狀冷(leng)凝傳熱系數很大(da)的原因,
形成球狀(zhuàng)冷凝的金屬冷凝(níng)表面必須是銅 或(huò)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(xiào)果。但金、銀都是極(ji)貴重的金 屬，故一(yī)般都用銅🆚，當然用(yòng)工業純銅最佳。
三(sān)、機械性能的比較(jiào)
三種材質，由于品(pin)種不同，其化學成(chéng)分有 差異：是原材(cai)料、闆材、帶👉材、還是(shì)管材的不 同；交貨(huo)方式不同，如是經(jing)熱處理交貨還是(shi)不👉經熱處理交貨(huo)，有色金屬是軟狀(zhuàng)态，還是硬狀 态交(jiao)貨等等，其各種材(cai)質的機械強度都(dou)有差 别，一👉般而言(yan)如表0所示。
表0機械(xiè)強度的對比
奧氏(shì)體不鏽鋼的強度(du)最好，塑性很高， 可(ke)制成薄壁波節管(guan)，由于㊙️是鋼材，焊接(jie)性能最好。工業純(chun)銅具備優良的加(jiā)工成形性和可 焊(han)性，也可制成薄壁(bì)波節💞管，其焊🛀🏻接性(xìng)能不 如不鏽鋼。而(er)普通黃銅一般都(dōu)要具有較厚的管(guan)壁，不能制成薄壁(bi)波節管，但可以制(zhi)成管 外有螺旋狀(zhuàng)的凹槽，管内有螺(luó)旋狀凸出的螺 紋(wen)管。 、波節管換熱器(qì)與螺紋管換熱器(qi)波節管又稱爲波(bo)紋管換熱器（見圖(tú)2a）， 是由管内向外頂(ding)擠管壁，使管壁向(xiang)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(ti)在弧形管段中流(liú)動時，流 速降低，靜(jìng)壓增加；在直線管(guan)段中流動時，流 速(sù)增⭐加而靜壓減少(shǎo)。流體在弧形段進(jìn)口處發生噴射效(xiao)應，而在出口處則(zé)發生節流效應✨。 流(liu)體在直線段與弧(hu)形段周期性地變(biàn)換，而産 生劇烈的(de)旋渦而破壞邊界(jiè)層，強化傳🔅熱的效(xiao)果顯著，同時有良(liáng)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(guan)難以👈成型。
螺紋管(guan)又稱螺紋槽管（見(jian)圖2b），
它雖然 也有使(shǐ)邊界層減薄，也有(yǒu)強化傳熱的作用(yong)‼️，但☎️ 不如波節管，其(qí)阻垢及除垢能力(li)也很薄弱。因 此，在(zai)加🏃🏻熱用的換熱器(qi)上它不如波節管(guǎn)。但是 在用以冷凝(ning)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(jin)壁🌈面處的部分流(liu) 體順槽旋轉有利(li)于減薄流體邊界(jiè)層，同時螺 旋槽成(chéng)爲排洩凝液的通(tong)道，可使凹槽兩邊(biān)的 冷凝液膜減薄(bao)，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(xiu)鋼 管難以成型。
2、翅(chì)片管的選材 爲了(le)強化傳熱，可在管(guan)子外表面上增加(jia) 翅片⚽，可增加受熱(re)面，同時提高放熱(rè)系數，這 種♍管子稱(cheng)爲翅片管。翅片管(guǎn)對于空氣預熱器(qì) 十分有利，因爲空(kong)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(cè)的 &")!""倍，在管外加翅(chì)片後，不僅由于👅攏(long)動 而提高了放熱(re)系數，而且使傳熱(rè)⭕面積可增加 爲🛀🏻管(guan)内表面積的&$)!$倍。純(chún)銅管可以制成 高(gāo)翅片和低翅片管(guan)，而黃銅管一般隻(zhī)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(sì)、耐腐蝕及耐蝕損(sǔn)能力的比較 純銅(tong)具有很高的化學(xue)🌈穩定性，在大氣、 淡(dàn)水和冷凝水中都(dōu)有良好的抗蝕性(xìng)，但在海 水中的抗(kang)蝕性較差，易被腐(fǔ)蝕。由于銅的标 準(zhǔn)電極電位比🌈氧高(gao)，在🐇一般碳溶液中(zhong)不能置 換出氫，故(gu)在大多數不含氧(yang)✏️或空氣的非氧化(huà) 性酸（如氫氟酸、鹽(yán)酸等）溶液中幾乎(hu)不被❤️腐 蝕，但在氧(yang)化性的硝酸、濃硫(liu)酸，以及各種鹽 類(lèi)，如氨鹽、氯😄化物、碳(tan)酸鹽等溶液中☔易(yì)被
腐蝕。黃銅在大(da)氣中的耐蝕性不(bú)如純銅，但在 含硫(liú)化氫🧡的大氣中，随(suí)着含鋅量的增加(jia)，抗蝕 性也增高。對(dui)溫💞水的耐蝕性很(hěn)高。在無
機溶 液，特(te)别是硫酸、鹽酸中(zhōng)抗蝕性極低。 黃銅(tóng)在大氣中🌈的耐🛀🏻蝕(shí)性不如純銅，但在(zài) 含硫化氫的大氣(qì)中，随着含鋅量的(de)增加，抗蝕
性也增(zēng)高。對溫水的耐蝕(shi)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(zi)應力 腐蝕開裂⚽外(wai)，耐蝕損性能比銅(tóng)及黃銅都好。從 表(biao)*冷凝管材相對抗(kang)蝕損🐇對比的材📱料(liao)!也可以看出。表中(zhong)抗蝕損能力的強(qiang)弱以數碼表示， 數(shù)碼越🚶小能力越弱(ruò)，數碼越大表示能(neng)力越 強。 所謂蝕損(sun)包括腐蝕、沖蝕、磨(mo)損和微振磨損等(deng)引起的金屬消耗(hao)，表&中主要列出腐(fu)蝕㊙️ 與沖蝕的形式(shi)。
銅材及不鏽鋼材(cai)都有應力腐蝕開(kāi)裂問 題，但其環境(jing)🥰不🔱同，奧氏體不鏽(xiù)鋼是氯離子的 應(yīng)力腐蝕開裂♌；而銅(tong)及銅合金主要是(shì)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(sù)的黃💋 銅，稱爲特殊(shu)🌐黃銅，也稱複雜黃(huáng)銅。在換熱器 的材(cai)質☂️中有時也采用(yong)特殊黃銅。 爲了提(tí)高黃銅的抗蝕損(sun)能力，於黃銅中 加(jiā)少量的鎳，就成爲(wèi)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(qiang)于普通黃銅。在 三(sān)七黃銅中加砷後(hou)可耐海水腐蝕如(ru)：70/30 砷黃銅（三七銅加(jiā)0. 002~0. 006%砷）或海軍 黃銅（Cu 71 Zn 28 Sn 1 As 0.04）。
2.氨(an)對銅材的腐蝕問(wèn)題 防止氨對銅材(cai)的腐蝕，是銅材最(zui)突出🔴的問題，一般(ban)在氨的氣氛中應(yīng)盡量避免用銅材(cai)， 例如在氨制冷的(de)⛱️冷凝設備中。這是(shi)由于有氨 存在，特(te)别是有氧同時存(cun)在時，Cu變成,Cu2+與氨形(xing)成四氨合銅鉻離(lí)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(lì)如，有🏃🏻♂️些地區地 下(xia)水中堿度很高，低(dī)壓鍋爐有時采用(yòng)铵―鈉離子交換軟(ruan)化，經铵🔅離子交換(huan)的水，其暫硬成☔ 爲(wei)重碳酸铵 (NH4HCO3)受熱後(hòu)重碳酸铵分 解： 起(qǐ)到部分除堿和脫(tuo)鹽的作用，這時鍋(guō)爐 的汽或水中有(yǒu)可能有氨存在。
3、奧(ao)氏體不鏽鋼的氯(lǜ)離子應力腐蝕開(kai)裂 問題 防止氯離(li)子應💞力腐蝕開裂(lie)，是奧氏體鋼最突(tū)出的問題。産生氯(lǜ)離子應力腐👣蝕開(kai)裂，必 須是有拉應(yīng)力及氯離子同時(shí)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(shì)否可以防止這種(zhong) 開裂的産⛱️生，主要(yào)就看溫度與氯離(lí)子含量。 在奧氏💋體(ti)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(fǔ)蝕 開裂的能力。
丹(dan)麥對區域供熱系(xì)統中水質的要求(qiu)比較 嚴格，其在不(bú)同溫度下對水中(zhōng)氯化 物含量的要(yao)求!。當采用304不鏽鋼(gang)，而水溫≤95度時；當
采(cǎi)用316不鏽鋼，而水溫(wēn)≤130度時，不論氯化物(wu)含量高低都無應(yīng)力💛腐蝕。
五、關于流(liu)速的限制問題 沖(chòng)蝕是指由于高速(sù)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(yong)限制流速的方法(fǎ)，材質耐 沖蝕的性(xìng)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(huàn)熱器在壓降允許(xǔ)的條件下，希望 流(liu)速大些，因爲可以(yi)提高傳熱系數，而(ér)降低造 價。當管内(nei)、外換熱系數相差(cha)較☎️大時，增加換
熱(rè)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(er)使熱阻增加的可(ke) 能性也較🥰大。當然(ran)流⭐速也不易過高(gāo)🔴，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(li)，例如，爲了獲取高(gao)流速，需要 管子數(shù)目較少，爲達到所(suo)需要的傳熱面積(jī)，就 不得不采用長(zhǎng)管或增加管程。若(ruò)流入的水是💯 含有(yǒu)溶解氧的，則水流(liú)速度高時，溶解氧(yǎng)容易 得到補充，可(ke)能産生沖刷腐蝕(shí)和入口管端的 腐(fǔ)蝕。對管殼式換熱(re)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(da)到較高流速， 而限(xian)制了在🏃闆式換🏃♀️熱(re)器和汽水換熱器(qi)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(liàng) 畢竟有限，因此，其(qi)使用範圍受到一(yī)定的限 制，但是還(hái)有價✍️格這個經濟(jì)因素。以上所述的(de) 各種管材，钛最貴(gui)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(bian) 宜❤️。銅材及不🈲鏽鋼(gāng)材的價格難以比(bǐ)較💰，因爲除 了材質(zhì)而外，加工方式不(bú)同，加工費用也不(bu) 同；材料價格都是(shi)以重量噸爲單位(wèi)，管材厚度 不同，費(fèi)用也不相同；管理(lǐ)機制及方法不同(tóng)， 成本也不相同。更(gèng)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(yè)純銅都是制 造換(huan)熱器的良好材料(liào)，選用何種材料應(ying)進行 全面的技術(shù)經濟比較确定。加(jiā)熱用的換熱器 應(yīng)優先采用不鏽鋼(gang)；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(yong) 工業純銅。不鏽鋼(gang)的強度、耐蝕損性(xìng)能都比銅材 好，允(yǔn)許最大流速遠大(da)于銅材，因此最多(duo)采 用。但應注意防(fáng)止産生氯離子應(yīng)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(dǎo)熱系數比不鏽鋼(gāng)大得多，但管壁熱(re)阻在熱阻總值中(zhong)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(shàn)性能可采用特🏃♂️殊(shū)黃銅，防止海水腐(fǔ)蝕，推薦用加砷黃(huáng)銅；提高耐蝕損 能(néng)力建議采用鎳黃(huang)銅。工業純銅機械(xiè)性能不 高，耐蝕損(sun)能力低，但制翅片(piàn)管或彈簧狀盤管(guǎn)有其有利之處，此(cǐ)外非特殊要求不(bú)宜🈚多采用。
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