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摘(zhai)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(tong)及🐅工業純
銅三(sān)種材質，探讨采(cai)用何種材質最(zui)佳。
關鍵詞：管殼(ke)式換熱器不鏽(xiu)鋼黃銅純銅選(xuan)擇
一、前言
管殼(ke)式換熱器的殼(ké)體，封頭及管闆(pǎn)，這些 較厚的部(bù)件一般♊都👨❤️👨采用(yong)碳鋼制成；管材(cai)目前 已很少用(yòng)碳鋼，多用🚶奧氏(shì)體不鏽鋼或普(pu)通黃銅，最近有(you)的廠家采用工(gōng)業純銅。這三種(zhong)材質 在物理性(xing)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(néng)進㊙️行比較，從而(er)對選材問題進(jin)行探讨。
這三種(zhong)材料品種規格(ge)較多，以下奧氏(shi)體不鏽鋼以AISI306爲(wèi)代表；工🏒業🛀純 銅(tong)以二号銅（T2）爲代(dài)表；普通黃銅以(yǐ)三💃🏻七銅 （H68）爲代表(biao)。這三種牌号也(ye)是換熱器上最(zui)常 用的⭐其主要(yao)化學成分列于(yú)表-。
表-材料主要(yào)化學成分
二、導(dǎo)熱性能的比較(jiao)
三種材料的導(dao)熱系數!值相差(cha)很大，
對比列于(yu)表1。純銅最突出(chu)的特點是導電(dian) 及導熱性能好(hǎo)，它🚶的導電性和(hé)導熱性在所有(yǒu)金屬中僅次于(yú)銀，居第二位。從(cóng)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(bu)鏽鋼的21.9倍。
表!材(cai)料導熱系數的(de)對比
1、對傳熱效(xiao)果的影響
黃銅(tóng)的導熱系數比(bi)不鏽鋼大7倍多(duo)，純 銅則爲20幾倍(bèi)，在♻️對👄流換熱中(zhong)，相同的受熱面(mian)積，銅管是否其(qí)傳熱量也比不(bú)鏽鋼大相同 的(de)倍數呢？
并非如(ru)此，因爲影響對(dui)流換熱的傳 熱(rè)量和傳熱效率(lü)☀️的因素是其傳(chuan)熱系數K。K值 的大(dà)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(guān)，熱阻越 大，換熱(rè)器的傳熱效率(lǜ)越差。
一般黃銅(tong)管壁厚爲2mm ；其管(guan)壁熱阻’ 而不 鏽(xiu)鋼管壁厚爲0.5mm或(huo)0.6mm，則其管壁熱阻(zǔ)0.0006/17.3=3.47×10-5.℃/ w也 就是管壁熱(rè)阻不鏽鋼僅爲(wei)黃銅的2.2倍。 更重(zhong)要的是，計算K值(zhi)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(lì)如：水 ―水換熱器(qì)，設水側放熱系(xì)數均爲☁️6000w/.℃,取污垢(gou)系數§h=§e=1000 w/.℃；不鏽鋼及(ji)工業純銅管厚(hou)均爲0.0006mm；而黃銅管(guǎn)☁️厚爲2mm。則膜熱阻(zǔ)2*1/6000 w/.℃；污垢熱阻爲2*1/1000 w/.℃。而(ér)不鏽鋼✊的管壁(bi)熱阻 爲3.47×10-5黃銅爲(wèi)1.56×10-5；純銅則爲1.58×10-6 w/.℃。 從以(yǐ)上計算數值可(kě)以明顯看出，雖(suī)⭕然銅 的導熱系(xì)數🤩比不鏽鋼大(dà)的多，但由于計(jì)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(ying)響 很顯著。換熱(re)器運行一定時(shí)間以後，金屬表(biǎo) 面都會形成一(yi)層膜，不鏽鋼表(biao)面生成極薄的(de) 純化膜，它對👉傳(chuan)熱的影響極微(wēi)，而黃銅的表 面(mian)生成了具有💯一(yi)定厚度的氧化(hua)膜，它一方面 起(qǐ)到對🌂腐蝕的阻(zu)抑作用，同時也(ye)對傳熱過程 造(zào)成了附加熱阻(zǔ)。有的🈲學🏃♀️者用304不(bu)鏽鋼與 含砷海(hǎi)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(liang)年試驗結果%如(ru)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(hòu)🛀🏻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(ning)💯， 這種換熱器最(zui)常用於制冷設(shè)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(ning)傳熱系數比膜(mó)狀冷凝傳熱系(xì)數大10倍， 約爲50000w/.℃左(zuo)右。
珠狀冷凝發(fa)生在塗有極薄(báo)助聚劑的銅表(biǎo) 面上，開始🚩在表(biao)面的🌍坑窪處彙(hui)聚直徑爲10-6m量級(jí)的極小液滴。當(dāng)液滴表面的過(guo)冷度0. 3度時，出現(xian)大量的極小液(ye)滴，其數量可達(da) 每☎️2有108個液滴，此(ci)時冷凝通過微(wēi)點的表面直接(jie)發生，這就是珠(zhu)狀冷凝傳熱系(xì)數很大的原🌈因(yin),
形成球狀冷凝(ning)的金屬冷凝表(biao)面必須是銅 或(huo)銀等導熱性極(jí)其🌐良好的材質(zhi)，也有用真空 鍍(du)層的方法，将很(hěn)薄的一層金鍍(du)在冷凝表面，
也(ye)可取得良好效(xiào)果。但金、銀都是(shì)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(xie)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(shi)不同，如是經🌐熱(re)處理交貨還是(shi)不經熱處理交(jiao)貨，有色金屬是(shi)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(yǒu)差 别，一✊般而言(yan)如表0所示。
表0機(jī)械強度的對比(bi)
奧氏體不鏽鋼(gang)的強度最好，塑(su)性很高， 可制成(cheng)薄壁波節管，由(you)💚于🔞是鋼材，焊接(jie)性能最好。工業(ye)純銅具備優良(liáng)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(neng)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(zhì)成薄🐪壁波節管(guan)，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(huàn)熱器與螺紋管(guan)換熱器波節管(guan)又稱爲波紋管(guǎn)換熱器（見圖2a）， 是(shi)由管内向外頂(ding)擠管壁，使管⛱️壁(bì)向外凸起， 而壓(ya)制成依次交替(tì)的直⛹🏻♀️管段和弧(hú)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(dong)時，流 速增♊加而(ér)靜壓減少。流體(tǐ)在弧形段進口(kou)處發生噴射效(xiào)應，而在出口處(chù)則發生節流效(xiao)😍應。 流體在直線(xiàn)段與弧形段周(zhou)期性地變換，而(er)産 生劇烈的旋(xuan)渦而破壞邊界(jie)層，強化傳熱的(de)效果顯著，同時(shí)有良好的阻垢(gòu)和除垢能力。波(bo) 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(huang)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(bian)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(rè)用🈚的換熱器上(shàng)它不如波節管(guǎn)。但是 在用以冷(lěng)凝介質的換熱(re)器中采用螺紋(wén)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(bu)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(wèi)排洩凝液的🏒通(tōng)道，可使凹槽兩(liang)邊的 冷凝液膜(mo)減薄，減♍少熱阻(zu)，強化傳💰熱效果(guo)顯 著。一般螺紋(wen)管由厚壁黃銅(tóng)管制成，而不鏽(xiù)鋼 管難以成型(xing)。
2、翅片管的選材(cái) 爲了強化傳熱(re)，可在管子外表(biao)面上增加🍓 翅片(pian)，可增加受熱面(mian)，同時提高放熱(rè)系數，這 種管子(zǐ)🙇🏻稱爲🛀🏻翅片管。翅(chi)片管對于空氣(qì)預熱器 十分有(you)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(guan)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(re)🤩面積可增加🔴 爲(wei)管内表面積的(de)&$)!$倍。純銅管可以(yǐ)㊙️制成✨ 高翅片和(he)低翅片管，而黃(huang)銅管一般隻制(zhi)成低 翅片管。不(bu)鏽鋼管不僅隻(zhi)🐅能制成低翅片(piàn)管🔞，而 且制造尺(chǐ)寸有限制，不如(rú)黃銅管。
四、耐腐(fǔ)蝕及耐蝕損能(neng)力的比較 純銅(tong)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(hao)的抗蝕性，但在(zai)海 水中的抗蝕(shí)性較差，易被腐(fu)蝕。由于🐆銅的标(biāo)💔 準電極電位比(bi)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(suan)、鹽酸等）溶液中(zhōng)幾乎不被腐 蝕(shí)，但在氧化性的(de)硝酸、濃硫酸，以(yi)及各種鹽 類，如(rú)氨鹽、氯化物、碳(tàn)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(tóng)，但在 含硫化氫(qīng)的大氣中，随着(zhe)含鋅量的增加(jia)，抗蝕 性也增高(gāo)。對溫水的耐蝕(shi)性很高。在無
機(ji)溶 液，特别是硫(liú)酸、鹽酸中抗蝕(shi)性極低。 黃銅在(zai)大氣中的耐蝕(shí)性不如純銅，但(dàn)在 含硫化氫的(de)大氣中，随着含(hán)鋅量的增加，抗(kang)蝕
性也增高。對(dui)溫水的耐蝕性(xìng)很高。在無機溶(rong) 液，特别是硫酸(suān)、鹽酸中抗蝕性(xing)極低。
奧氏體不(bú)鏽鋼一般而言(yan)，除氯離子應力(li) 腐蝕開裂外🔞，耐(nài)蝕損🈲性能比銅(tong)及黃銅都好。從(cóng) 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(shu)碼越小能力越(yuè)弱，數碼越大表(biao)示能力越 強。 所(suǒ)🐉謂蝕損包🙇🏻括腐(fǔ)蝕、沖蝕、磨損和(he)🆚微振磨損等引(yǐn)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(bu)鏽鋼材都有應(ying)力腐蝕開裂問(wèn) 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(jīn)主要是铵離子(zǐ)的應力腐蝕開(kāi)裂。 特⁉️殊黃銅的(de)采用 普通黃💋銅(tóng)是以銅鋅爲主(zhu)的二元合金，若(ruò) 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(ye)采用特殊黃銅(tóng)。 爲了提高黃銅(tong)的抗蝕損能力(lì)，於黃銅中 加少(shao)量的🚩鎳，就成爲(wèi)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(biǎo)&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(san)七銅加0. 002~0. 006%砷）或海(hǎi)軍 黃銅（Cu 71 Zn 28 Sn 1 As 0.04）。
2.氨對銅(tóng)材的腐蝕問題(ti) 防止氨對銅材(cái)的腐蝕，是銅材(cái)最突🔞出的問題(tí)，一般在氨的氣(qi)氛中應盡量避(bì)免用銅材， 例💞如(ru)在氨制冷的冷(leng)凝設備中。這是(shì)由于有氨 存在(zai)，特别是有氧同(tong)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(xì)統不存在氨，但(dan)在⭐特殊 情況下(xià)🤩，也有存在的可(kě)能。例如，有🛀些地(dì)區地 下水中堿(jian)度很高，低壓鍋(guō)爐有時采用铵(ǎn)―鈉離子交換軟(ruǎn)化，經铵🔱離子交(jiāo)換的水，其暫硬(ying)成 爲重碳酸铵(an) (NH4HCO3)受熱後重碳酸(suan)铵分 解： 起到部(bu)分除堿和脫鹽(yán)的作用，這時鍋(guo)爐 的汽或水中(zhong)有🌍可能有氨存(cun)在。
3、奧氏體不鏽(xiu)鋼的氯離子應(ying)力腐蝕開裂 問(wen)題 防止氯離子(zǐ)應✔️力💰腐蝕開裂(liè)，是奧氏體鋼最(zui)突出的問題。産(chan)生氯離子應力(lì)腐蝕開裂，必 須(xu)是有拉應力及(jí)氯💛離子同時存(cun)在，并且與溫 度(du)有關。在換熱器(qì)中雖然🔴拉應力(li)不太大，但一 般(bān)都有拉應力存(cun)在，因此，是否可(kě)以防止這種 開(kai)裂的産生，主要(yào)就看溫度與氯(lǜ)離❓子含量。 在奧(ào)氏體不鏽鋼中(zhōng)加钼就成爲316,316比(bi)304有更強的耐氯(lü)離子應力腐蝕(shí) 開裂的能力。
丹(dān)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(du)下對水中氯化(huà) 物含量的要求(qiú)!。當采用⭐304不鏽鋼(gāng)，而水溫≤95度時；當(dāng)
采用316不鏽鋼，而(ér)水溫≤130度時，不論(lùn)氯化物含量高(gao)低都無應力🈲腐(fǔ)蝕😄。
五、關于流速(sù)的限制問題 沖(chong)蝕是指由于高(gao)速流體，特别是(shì)♻️含有🈲固 體細粒(lì)的高速流體沖(chong)刷傳熱表面而(ér)引起的磨 損，防(fang)止沖蝕常采用(yòng)限制流速的方(fang)法，材質耐 沖蝕(shi)的性能不同，其(qí)允許最大流速(sù)也不相 同。表5所(suǒ)示爲三類材🛀質(zhi)最大水流速的(de)限制 數值
一般(ban)換熱器在壓降(jiang)允許的條件下(xia)，希望 流速大些(xiē)，因爲可以提高(gao)傳熱系數，而降(jiàng)低造 價。當管内(nèi)、外換⛹🏻♀️熱系數相(xiang)👨❤️👨差較大時，增加(jia)換
熱系數小的(de)一側的流速，可(kě)以有效地提高(gāo)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(liú)速 過高，壓降過(guò)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(zhǎng)管或增加管程(cheng)。若流入的水是(shì) 含有溶解氧的(de)，則水流速度高(gao)時，溶解氧容易(yi) 得到補充，可能(néng)産生沖刷腐蝕(shí)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(bié)是純銅，難以達(dá)到較高流速， 而(ér)限制了在闆式(shì)換熱器和汽水(shui)換熱器上使 用(yòng)。
六、資源及價格(gé)的比較 從資源(yuan)的角度來看，銅(tong)在地殼🧑🏾🤝🧑🏼中的儲(chu)量 畢竟有限，因(yin)此，其使用範圍(wéi)受到一定的限(xian) 制，但是還有價(jia)格這個經濟因(yin)素。以上所述的(de) 各種管材，钛最(zuì)貴這是可以肯(ken)定的；爲了降低(dī) 其價格，多采用(yòng)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(yǐ)比較，因爲除 了(le)材質而外，加工(gong)🐆方式不同，加工(gōng)費用也不 同；材(cái)料價格都是以(yi)重量噸爲單位(wei)，管材厚度 不同(tong)，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(yú)304不鏽鋼。
七、結論(lùn)
不鏽鋼、普通黃(huang)銅及工業純銅(tóng)都是制 造換熱(rè)器的良好🈲材料(liao)，選用何種材料(liào)應進行 全面的(de)技術經濟比較(jiao)确定。加熱用的(de)🤟換熱器 應優先(xian)采用不鏽鋼；冷(lěng)凝用的換熱器(qì)🔴應優先 使用黃(huang)銅螺紋管；球狀(zhuàng)冷凝的換熱器(qì)應采用 工業純(chun)銅。不鏽鋼的強(qiáng)🌂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(cǐ)最多采 用。但🐆應(ying)注意防止産生(sheng)氯離子應力腐(fǔ)☎️蝕開 裂。一般水(shui)☎️溫≤95度時可采用(yòng)🚩304不鏽鋼；水 溫95≤130時(shí)可采用316,或316L不鏽(xiù) 鋼；水溫95≤130且Cl -=50ppm時亦(yi)🔴 可采用304不鏽鋼(gāng)。 銅材的導熱系(xi)數比不鏽鋼大(dà)得多，但💘管壁熱(rè)🚶阻在熱阻總值(zhí)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(tè)殊黃銅，防止海(hǎi)水腐蝕，推薦用(yong)加砷黃銅；提高(gao)耐蝕損 能力建(jian)議采用鎳黃銅(tóng)。工業純👨❤️👨銅機械(xiè)性能不 高，耐蝕(shí)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(fei)特殊要求不宜(yi)多采用🔅。
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