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摘(zhāi)要
對管殼式換(huan)熱器，在管材上(shàng)采用奧氏體不(bu)鏽鋼，普通黃銅(tóng)及工業純
銅三(sān)種材質，探讨采(cǎi)用何種材質最(zuì)佳。
關鍵詞：管殼(ké)式換熱器不鏽(xiu)鋼黃銅純銅選(xuǎn)擇
一、前言
管殼(ke)式換熱器的殼(ke)體，封頭及管闆(pan)，這些 較厚的部(bu)件一般都采用(yòng)碳鋼制成；管材(cai)目前 已很少用(yòng)碳鋼，多用奧氏(shi)體不鏽鋼或普(pu)通黃銅，最近有(yǒu)的廠家采用工(gong)業純銅。這✏️三種(zhǒng)材質 在物🧑🏾🤝🧑🏼理性(xìng)能、機械性能、化(hua)學性能及🌐資源(yuán)與價 格上都有(you)差異。本文将其(qí)主要有關性能(neng)進行比較，從而(ér)對選材問題進(jìn)行探讨。
這三種(zhong)材料品種規格(gé)較多，以下奧氏(shì)體不鏽鋼以AISI306爲(wei)🔞代表；工業純 銅(tóng)以二号銅（T2）爲代(dai)表；普通黃銅以(yi)三七銅 （H68）爲代表(biao)。這三種牌号也(yě)是換熱器上最(zuì)常 用的🚶其主要(yào)🔴化學成分列于(yu)表-。
表-材料主要(yào)化學成分
二、導(dao)熱性能的比較(jiào)
三種材料的導(dao)熱系數!值相差(cha)很大，
對比列于(yú)表1。純銅最突出(chu)的特點是導電(diàn) 及導熱性能好(hǎo)💔，它的導電性和(hé)導熱性在所有(you)金屬中僅次于(yú)💞銀，居第二位。從(cong)表2看出，若 按-100℃來(lái)比較，H68的導熱系(xi)數爲不鏽鋼的(de)7.4倍，而純銅爲不(bú)鏽鋼🍉的21.9倍。
表!材(cai)料導熱系數的(de)對比
1、對傳熱效(xiào)果的影響
黃銅(tong)的導熱系數比(bi)不鏽鋼大7倍多(duo)，純 銅則爲20幾倍(bei)，在對㊙️流🚶♀️換🔅熱中(zhōng)，相同的受熱面(mian)積，銅管是否其(qi)傳熱量也✏️比不(bu)鏽鋼大相同 的(de)倍數呢？
并非如(ru)此，因爲影響對(duì)流換熱的傳 熱(re)量和傳熱效🐇率(lǜ)😘的因素是🔆其傳(chuán)熱系數K。K值 的大(da)小，與高溫側換(huan)熱系數👅ah；低溫側(ce)換熱系 數ac；高溫(wen)側與低溫側的(de)污垢系數§h和§c #9；以(yi) 及管壁熱阻δ/λ（δ爲(wei)管壁厚度）有關(guan)，熱阻越 大，換熱(re)器的傳熱效率(lǜ)越差。
一般黃銅(tóng)管壁厚爲2mm ；其管(guǎn)壁熱阻’ 而不 鏽(xiù)鋼管壁厚爲0.5mm或(huò)0.6mm，則其管壁熱阻(zu)0.0006/17.3=3.47×10-5.℃/ w也 就是管壁熱(re)阻🏃🏻不🏒鏽🚶♀️鋼僅爲(wèi)黃銅的2.2倍。 更重(zhòng)要的是，計算K值(zhí)時最主要的熱(re)阻 是膜✉️熱阻1/аh及(jí)1/аe；其次是污垢熱(rè)阻1/§h)及1/§c而δ/λ最小，常(cháng)可略而✊不計。例(li)👄如：水 ―水換熱器(qi)㊙️，設水側放熱系(xi)數均爲6000w/.℃,取污垢(gòu)系數§h=§e=1000 w/.℃；不鏽鋼及(jí)工業純銅管厚(hòu)均爲0.0006mm；而黃銅管(guan)厚爲2mm。則膜熱❄️阻(zǔ)2*1/6000 w/.℃；污垢熱阻👉爲2*1/1000 w/.℃。而(er)不鏽鋼🔅的管壁(bi)熱阻 爲3.47×10-5黃銅爲(wei)1.56×10-5；純銅則爲1.58×10-6 w/.℃。 從以(yi)上計算數值可(ke)以明顯看出，雖(sui)然銅 的導熱系(xì)數比不鏽鋼大(da)的多，但由于計(ji)算K 值時管壁熱(rè)阻很小，因此對(dui)對流換熱的影(yǐng)響 極微。 此外，金(jīn)屬表面狀态對(duì)傳熱速🛀🏻度的影(yǐng)響 很顯著。換熱(rè)器運行一定時(shí)間以後，金屬表(biao) 面💘都會形成一(yi)層膜，不鏽鋼表(biǎo)面生成極薄的(de) 純化膜⭐，它對傳(chuan)熱的影響極微(wei)，而黃銅的表 面(miàn)生成了具有♻️一(yī)定厚度⁉️的氧化(hua)膜，它一方面 起(qi)到對🍉腐蝕的阻(zǔ)抑作用，同時也(ye)對傳熱過程 造(zao)成了附加熱阻(zu)。有的學✊者用304不(bú)鏽鋼與 含砷🐇海(hai)軍黃銅（也爲三(sān)七銅，但含砷，成(cheng)分🛀爲Cu 70% Zn 29%；As 0.02~0.01%），在同一 換(huàn)熱器中進行兩(liǎng)年試驗結果%如(rú)圖)
所示：
在240天以(yi)前，海軍黃銅的(de)傳熱速度大 于(yu)304不鏽鋼，240天以後(hou)則相反，304不鏽 鋼(gāng)優于海軍黃銅(tóng)。
2.對冷凝傳熱的(de)影響 有些換熱(rè)器是冷卻汽态(tai)介質，使之冷凝(níng)， 這種換熱器最(zui)常用於制冷設(she)備。冷凝傳熱一(yī) 般爲膜狀冷凝(ning)，其冷凝
傳熱系(xì)數約爲5000w/.℃；也有的(de)換熱器采用珠(zhū)狀冷凝，其 冷凝(níng)傳熱🌏系數比膜(mó)狀冷凝傳熱系(xi)數大10倍， 約爲50000w/.℃左(zuǒ)右。
珠狀冷凝發(fa)生在塗有極薄(báo)助聚劑的銅表(biao) 面上，開始在表(biao)♻️面的💘坑窪處彙(hui)聚直徑爲10-6m量級(ji)的極小液滴。當(dang)液🆚滴表面的🌍過(guo)冷度0. 3度時，出現(xian)大量的極小液(yè)滴，其數量可達(dá) 每2有108個液滴，此(ci)時冷凝通過微(wēi)點的表面直接(jiē)發生，這就是珠(zhu)狀冷凝🤟傳熱系(xì)數很大的原因(yīn),
形成球狀冷凝(níng)的金屬冷凝表(biǎo)面必須是銅 或(huò)銀等🏃♀️導熱性極(ji)其🌈良好的材質(zhi)，也有用真空 鍍(dù)層的方法，将很(hěn)👅薄的一層金鍍(du)在冷凝表面，
也(yě)可取得良好效(xiào)果。但金、銀都是(shi)極貴重的金 屬(shǔ)，故一般都用銅(tóng)，當然用工業純(chun)銅最佳。
三、機械(xiè)性能的比較
三(san)種材質，由于品(pin)種不同，其化學(xué)成分有 差異：是(shì)原材料、闆材🏃♂️、帶(dai)材、還是管材的(de)不 同；交貨方式(shì)不同，如是經熱(re)處理交貨還是(shì)不經熱處理交(jiāo)貨，有色金屬是(shì)軟狀🚶态，還是硬(ying)狀 态交貨等等(děng)，其各❓種材質的(de)機械強度都有(you)差 别，一般而言(yan)如表0所示。
表0機(jī)械強度的對比(bǐ)
奧氏體不鏽鋼(gang)的強度最好，塑(sù)性很高， 可制成(cheng)薄壁波節管，由(yóu)于🌐是鋼材，焊接(jie)性能最好。工業(ye)純銅具備⚽優良(liang)的加🔞工成🙇🏻形性(xing)和可 焊性，也可(ke)制成薄壁波節(jie)管，其焊接性能(néng)不 如不鏽鋼。而(ér)普通黃銅一般(bān)都要具有較厚(hou)的管壁，不能制(zhi)成薄💚壁波節管(guǎn)，但可以制‼️成管(guǎn) 外有螺旋狀的(de)凹槽，管内有螺(luo)旋狀凸出的螺(luó) 紋管。 、波節管換(huan)熱器與螺紋管(guan)換熱器波節管(guan)又稱爲波紋管(guan)換熱器（見圖2a）， 是(shì)☔由管内向外頂(dǐng)擠管壁，使管壁(bì)向外凸起， 而壓(ya)制成依次交替(ti)的直☂️管段和弧(hu)形管段的🔱波節(jiē)型管道🔅。流體在(zài)❄️弧形管段中流(liú)動時，流 速降低(di)，靜壓增💋加；在直(zhi)線管段中流動(dòng)時，流 速增加而(ér)靜壓減少。流體(ti)在弧形✍️段進口(kou)處發生噴射效(xiào)應，而💃🏻在出口處(chu)則發生節流效(xiào)應。 流體在直線(xian)段與弧形段周(zhou)期性地變換，而(ér)産 生劇烈的旋(xuan)渦而破壞邊界(jiè)層，強化傳熱的(de)效果顯著，同時(shi)有良好的阻🔞垢(gòu)和除垢能力。波(bō) 節管換熱器隻(zhī)能由薄壁的不(bú)鏽鋼管或工業(yè) 純🧡銅制成，壁厚(hou)較厚的普通黃(huáng)銅管難以成型(xing)。
螺紋管又稱螺(luo)紋槽管（見圖2b），
它(tā)雖然 也有使邊(biān)界層減薄，也有(you)強化傳熱的作(zuò)用，但 不如波節(jie)管，其阻垢及除(chú)垢能力也很薄(báo)弱。因 此，在加❌熱(re)用的換熱器上(shàng)它不如波節管(guan)。但是 在用以㊙️冷(leng)凝介質的換熱(rè)器中采用螺紋(wen)管，不⛱️ 僅管内凸(tu)起的螺紋，使⁉️流(liú)體的邊🙇🏻界層減(jiǎn)薄而 強化傳熱(re)外，而且管内靠(kao)近壁面處的部(bù)分‼️流 體順槽旋(xuán)轉有利于減薄(bao)流體邊界層，同(tóng)時螺 旋槽成爲(wei)排洩凝液的通(tong)道，可使凹槽💞兩(liǎng)邊的 冷凝液膜(mó)減薄，減少熱阻(zu)，強化傳❄️熱效果(guǒ)顯 著。一般螺紋(wén)管由厚壁黃銅(tóng)管制成，而不鏽(xiu)鋼 管難以成型(xing)。
2、翅片管的選材(cái) 爲了強化傳熱(rè)，可在管子外表(biao)面上增✏️加 翅片(piàn)，可增加受熱面(mian)，同時提高放熱(re)系數，這 種管子(zi)稱爲翅片管。翅(chi)片管🏃對于空氣(qì)預熱器 十分有(yǒu)利，因爲空氣在(zài)管外，其對流放(fàng)😘熱系數⭐ 很小，管(guan)内流體的放熱(re)系數爲管外空(kong)氣側的 &")!""倍，在管(guǎn)外加翅片後，不(bu)僅由于攏動 而(er)提高了放熱系(xì)數，而且使傳熱(rè)🌈面積可增加 爲(wei)管内表面積的(de)&$)!$倍。純銅管可以(yi)制成 高翅片和(hé)低翅片管，而黃(huáng)銅管一般隻制(zhì)成低 翅片管。不(bu)鏽鋼管不僅隻(zhi)能制成低翅片(pian)管，而 且制造尺(chǐ)寸有限制，不如(rú)黃銅管🈚。
四、耐腐(fu)蝕及耐蝕損能(néng)力的比較 純銅(tóng)具有很高的化(hua)學穩定性，在大(dà)氣、 淡水和冷凝(ning)水中都有良好(hǎo)的抗蝕性，但在(zài)海♌ 水中的抗☂️蝕(shí)性較差，易被腐(fǔ)蝕。由于銅的标(biāo)✉️ 準電極電位比(bǐ)氧高，在一般碳(tàn)溶液中不能✊置(zhi) 換出氫🌈，故在大(da)多數不含氧🔴或(huò)空氣的非氧化(hua) 性酸（如氫氟酸(suān)、鹽酸等）溶液中(zhong)幾乎不被腐 蝕(shi)，但在氧化性的(de)硝酸、濃硫酸，以(yi)及各種鹽 類，如(ru)氨鹽、氯㊙️化物、碳(tan)酸鹽等溶液中(zhōng)🏃🏻♂️易被
腐蝕。黃銅(tóng)在大氣中的耐(nai)蝕性不如純銅(tong)，但在 含硫化氫(qīng)的大氣中，随着(zhe)含鋅量的增加(jiā)，抗蝕 性也增高(gao)。對溫水的耐蝕(shi)性很高。在無
機(jī)溶 液，特别是硫(liú)酸、鹽酸中抗蝕(shí)性極低。 黃銅在(zài)大氣中♋的耐蝕(shi)性不如純銅，但(dàn)在 含硫化氫的(de)大氣中，随着含(han)鋅量的增加，抗(kang)蝕
性也增高。對(duì)溫水的耐蝕性(xing)很高。在無機溶(rong) 液，特别是硫👄酸(suan)🐉、鹽酸中抗蝕性(xìng)極低。
奧氏體不(bú)鏽鋼一般而言(yán)，除氯離子應力(lì) 腐蝕開裂外，耐(nai)❤️蝕損🐕性能比銅(tóng)及黃銅都好。從(cong) 表*冷凝管材相(xiang)對抗蝕損🔞對比(bǐ)的材料!也可以(yi)看出。表中抗蝕(shi)損能力的強弱(ruò)以數碼表示， 數(shù)碼越小能力越(yuè)弱，數碼越💯大表(biǎo)示能力越 強。 所(suo)謂蝕損包♈括腐(fu)蝕、沖🈲蝕、磨損和(hé)💛微振磨損等引(yin)起的金屬消耗(hao)，表&中主👄要列出(chū)腐蝕 與沖蝕的(de)形🔞式。
銅材及不(bú)鏽鋼材都有應(yīng)力腐蝕開裂問(wen) 題，但其環境不(bu)同，奧㊙️氏體不鏽(xiu)鋼是氯離子的(de) 應力腐蝕開裂(liè)；而銅及銅💰合金(jin)主要是铵離子(zǐ)的應力腐蝕開(kai)裂。 特❌殊黃銅的(de)采用🌂 普通黃銅(tong)是以😘銅鋅爲主(zhǔ)的二元合金，若(ruo) 爲了改善其性(xìng)能，再加入少量(liang)其他元素的黃(huang) 銅，稱爲特殊黃(huáng)銅，也稱複雜黃(huang)銅。在換熱器 的(de)材質中有時也(yě)采用特殊黃銅(tong)。 爲了提高黃銅(tóng)的抗蝕損能力(lì)，於黃🔞銅中 加少(shao)量的♍鎳，就成爲(wei)鎳黃銅，例如牌(pái)号爲HNi65-5的鎳黃銅(tong)，其成分爲Cu 64 ~ 67% Ni 5 ~ 6.5%。從表(biao)&可以看出鎳 黃(huang)銅的抗蝕損能(neng)力，每項都強于(yu)普通黃銅。在 三(sān)七黃銅中👣加砷(shēn)後可耐海水腐(fu)蝕如✂️：70/30 砷黃銅（三(sān)七銅加0. 002~0. 006%砷）或海(hai)👨❤️👨軍 黃銅（Cu 71 Zn 28 Sn 1 As 0.04）。
2.氨對銅(tóng)材的腐蝕問題(tí) 防止氨對銅材(cai)的腐蝕，是銅材(cái)最突出的🙇🏻問題(ti)，一般在氨的氣(qi)氛中應盡量避(bì)免用銅材， 例如(rú)在氨制✉️冷的冷(leng)凝設備中。這是(shi)由于有氨 存在(zài)，特别是有氧同(tóng)時存在時，Cu變成(cheng),Cu2+與氨形成四氨(an)合銅鉻離子[Cu(NH3)2+4]。一(yi)般來說供熱系(xi)統不存在氨，但(dan)在特殊 情況下(xià)，也有存在的可(ke)能。例如，有💘些地(dì)區地 下水中堿(jian)度很高💃，低壓鍋(guo)爐有時采用铵(an)―鈉離子交換軟(ruan)化，經铵離子交(jiao)💋換的水，其暫硬(yìng)成 爲重碳酸铵(an) (NH4HCO3)受熱後重碳酸(suān)铵分 解： 起到部(bu)分除堿和脫鹽(yan)的作用，這時鍋(guo)爐 的汽或水中(zhōng)有可能有氨存(cun)在。
3、奧氏體不鏽(xiù)鋼的氯離子應(yīng)力腐蝕開裂 問(wèn)題 防止氯離子(zi)應力腐蝕開裂(lie)，是奧氏體鋼最(zui)突出的問題。産(chan)生氯離子應力(li)腐🌈蝕開裂，必 須(xu)是有拉應力及(ji)氯離子同時存(cún)在，并且與溫 度(du)有關。在換熱器(qi)中雖然拉應力(li)不📞太大，但一 般(ban)都有拉應力存(cún)在，因此，是否可(ke)以防止這種 開(kai)裂的産生，主要(yao)就看溫度與氯(lü)離子含量。 在奧(ao)氏體不鏽鋼中(zhōng)加钼就成爲316,316比(bi)304有♌更強的耐氯(lǜ)離子應力📐腐蝕(shi) 開裂的能力🌂。
丹(dan)麥對區域供熱(rè)系統中水質的(de)要求比較 嚴格(ge)，其📧在🛀不同溫度(dù)下對水中氯化(hua) 物含量的要求(qiu)!。當采用304不鏽鋼(gāng)，而水溫≤95度時；當(dāng)
采用316不鏽鋼，而(er)水溫≤130度時，不論(lun)氯化物含量高(gao)低都無🤩應力腐(fu)🌐蝕。
五、關于流速(su)的限制問題 沖(chòng)蝕是指由于高(gao)速流體，特别是(shi)含有⛹🏻♀️固 體細粒(li)的高速流體沖(chòng)刷傳熱表面而(ér)引起的磨 損，防(fang)止沖蝕常采用(yong)限制流速的方(fāng)法♈，材質耐 沖蝕(shi)的性能不同，其(qí)允👣許最大流速(su)也不相⭕ 同。表5所(suo)示爲三類材質(zhi)最大水流速的(de)限制 數值
一般(bān)換熱器在壓降(jiàng)允許的條件下(xià)，希望 流速大些(xiē)，因爲可以🛀🏻提🍉高(gao)傳熱系數，而降(jiang)低造 價。當管内(nei)、外換熱系💋數相(xiàng)差較大時，增加(jiā)換
熱系數小的(de)一側的流速，可(kě)以有效地提高(gao)傳熱效率。水流(liú)🙇♀️速越慢，結垢而(ér)使熱阻增加的(de)可 能性也較大(da)。當然流速也不(bú)易過高☎️，不僅流(liu)速 過高，壓降過(guo)大，而且有時還(hai)會對換熱器的(de)結構上帶來不(bu)利，例如💛，爲了獲(huo)取高流速，需要(yao) 管子數目較少(shao)，爲達到所需✍️要(yao)的傳熱面積，就(jiu) 不得不🤟采用長(zhang)管或增加管程(chéng)。若㊙️流入的水是(shi) 含❌有溶解氧的(de)，則水流速度高(gao)時，溶解氧容易(yì) 得到補充，可能(néng)産生沖刷腐✨蝕(shi)和入口管端的(de) 腐蝕。對管殼式(shi)換熱器一般要(yào)求管程水流速(su) 達1~2.5m/S，殼程達0.5~1.5m/S。顯然(rán) 采用黃銅，特别(bie)是純銅，難以達(da)到較高流速， 而(ér)限制了在闆式(shi)換熱器和汽水(shui)換熱器上使 用(yong)。
六、資源及價格(ge)的比較 從資源(yuán)的角度來看，銅(tong)在地殼中📱的儲(chǔ)量 畢竟有限，因(yīn)此，其使用範圍(wéi)受到一定的限(xiàn) 制，但是還有價(jia)格這個經濟因(yīn)素。以上所述的(de) 各種管材，钛最(zui)貴這是可以肯(kěn)定的；爲了降低(dī) 其價格，多采用(yong)👉焊接管，焊接管(guǎn)比無🏃♀️縫管便 宜(yí)。銅材及不鏽鋼(gāng)材的價⛹🏻♀️格難以(yi)比較，因爲除 了(le)材質而外，加工(gōng)✏️方式不同，加工(gong)費用也不 同；材(cai)料價格都是以(yi)重量噸爲單位(wei)，管材厚度 不同(tóng)，費用也不相同(tóng)；管理機制及💁方(fāng)法不同， 成本也(ye)不相同。更重要(yào)的是💚市場還存(cún)在供需 關系。一(yī)般而言✍️316L不鏽鋼(gāng)🧑🏾🤝🧑🏼及銅材略貴于(yu)304不鏽⭐鋼。
七、結論(lùn)
不鏽鋼、普通黃(huáng)銅及工業純銅(tóng)都是制 造換熱(rè)器的♉良‼️好材🏃🏻料(liào)，選用何種材料(liao)應進行 全面的(de)技術經濟比較(jiào)确定。加熱用的(de)換熱器 應優先(xiān)采用不鏽鋼；冷(lěng)凝用的🐕換熱器(qì)應優先 使用黃(huáng)銅螺紋🧑🏽🤝🧑🏻管；球狀(zhuàng)冷凝的換熱器(qi)應采用 工業純(chun)銅。不🔞鏽鋼的強(qiang)度、耐蝕損性能(néng)都比銅材 好，允(yǔn)許最㊙️大流速遠(yuan)大于銅材，因此(ci)最多采 用。但應(ying)注意防止産生(shēng)氯離子應力腐(fǔ)蝕開 裂。一般水(shui)溫≤95度時可采用(yong)304不鏽鋼；水♋ 溫95≤130時(shí)可采用316,或316L不鏽(xiu) 鋼；水溫95≤130且Cl -=50ppm時亦(yi)👉 可采用304不鏽鋼(gang)。 銅😘材的導熱系(xì)數比不鏽鋼大(da)得多，但管壁熱(rè)阻在熱阻總值(zhi)🏃🏻中所占分額很(hen)小，因而 對傳熱(re)系數的影響很(hěn)不顯著。有氨的(de)環境中 不得用(yong)銅材。爲❓了改善(shàn)性能可采用特(te)✔️殊黃銅，防止海(hǎi)水腐蝕，推薦用(yong)加砷黃銅；提高(gāo)耐蝕❌損 能力建(jiàn)議采用鎳黃銅(tóng)。工業純銅機械(xie)性能不 高，耐蝕(shi)損能力低，但制(zhi)翅片管或彈簧(huang)狀盤管有其有(yǒu)利之處，此外非(fēi)特殊要求不宜(yi)多采用。
纵🚩欲情海㊙️
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