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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(tong)及工業純
銅三種(zhǒng)材質，探讨采用何(he)種材質最佳。
關鍵(jiàn)詞：管殼式換熱器(qì)不鏽鋼黃銅純銅(tong)選擇
一、前言
管殼(ke)式換熱器的殼體(tǐ)，封頭及管闆，這些(xiē) 較厚的部件一般(bān)都采用碳鋼制成(chéng)；管材目前 已很少(shao)用碳鋼，多用奧氏(shì)🏃♀️體不鏽鋼或普通(tong)黃銅，最近有的廠(chǎng)家采用工業純銅(tóng)。這三種材質 在物(wù)理性能、機械性能(néng)、化學性能及資源(yuan)與價 格上都有差(cha)異。本文将其主要(yao)有關性能進行比(bǐ)較，從而對選材問(wen)題👅進行探讨。
這三(sān)種材料品種規格(gé)較多，以下奧氏體(ti)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(ye)是換熱器上最常(cháng) 用的😄其主要化學(xué)成分列于表-。
表-材(cai)料主要化學成分(fèn)
二、導熱性能的比(bi)較
三種材料的導(dǎo)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(dà)7倍多，純 銅則爲20幾(ji)倍，在👄對流📐換🈲熱中(zhōng)，相同的受熱面積(jī)，銅管是否其傳熱(rè)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(xì)數K。K值 的大小，與高(gao)溫側換熱🆚系數ah；低(dī)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(jí)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(re)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(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(zhí)時最主🌈要的熱阻(zu) 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(bu)計。例如：水 ―水換熱(rè)器🔆，設水側放熱系(xi)數均爲6000w/.℃,取污垢系(xi)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(mó)熱阻2*1/6000 w/.℃；污垢熱阻⭐爲(wei)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(ji)算數值🔅可以明顯(xian)💯看出，雖然銅 的導(dǎo)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(dōu)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(sheng)成了具有一定厚(hou)度🐆的氧化膜，它一(yi)方面 起到對腐蝕(shi)的阻抑作用，同時(shí)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(han)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(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(yǐng)響 有些換熱器是(shì)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(yī) 般爲膜狀冷凝，其(qí)冷🎯凝
傳熱系數約(yue)爲5000w/.℃；也有的換熱器(qi)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(chù)彙聚直徑爲10-6m量級(ji)的極小液滴💞。當液(ye)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(wēi)點的表🐆面直接發(fa)生，這就是珠狀冷(lěng)凝傳熱系數很大(dà)的原因,
形成球狀(zhuàng)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(ceng)金鍍在冷✍️凝表面(miàn)，
也可取得良好效(xiào)果。但金、銀都是極(jí)貴重的金 屬，故一(yi)般都用銅，當然用(yong)工業純銅最佳。
三(sān)、機械性能的比較(jiao)
三種材質，由于品(pǐn)種不同，其化學成(cheng)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(jīng)熱處理交貨還是(shi)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(cai)質的機械強度都(dōu)有差 别，一般而言(yan)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(ke)制成薄壁波節管(guǎn)，由于是鋼材，焊接(jie)性能最好。工業純(chun)銅具備優良的加(jia)工成形性和可 焊(hàn)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(zhì)成管 外有螺💞旋狀(zhuang)的凹槽🐇，管内有螺(luó)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(chéng)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(liú)動時，流 速降低，靜(jing)壓增加；在直線管(guan)段中流動時，流 速(sù)增加而靜壓減少(shao)。流體在弧形段進(jin)口處發生噴射效(xiao)應，而在出口處則(ze)發生節💚流效應。 流(liu)體在直線段與弧(hu)形段周期性地變(bian)換，而産 生劇烈的(de)旋渦而破壞邊界(jiè)層，強化傳熱的效(xiào)果顯著，同時有良(liáng)好的阻垢和除垢(gou)能力。波 節管🌈換熱(rè)器隻能由薄壁的(de)不鏽鋼管或工業(ye) 純銅制成，壁厚🌈較(jiào)厚的普通黃銅管(guǎn)難以👣成型。
螺紋管(guǎn)又稱螺紋槽管（見(jian)圖2b），
它雖然 也有使(shi)邊界層減薄，也有(you)強化傳熱的作用(yong)，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(guan)。但是 在用以冷凝(níng)介質的換熱器中(zhōng)采用螺紋管，不 僅(jǐn)管内凸起的螺紋(wen)，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(liú) 體順槽旋轉有利(lì)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(bian)的 冷凝液膜減薄(báo)，減少熱阻，強化傳(chuán)熱👣效果顯 著。一般(ban)螺👣紋管由厚壁黃(huáng)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(jia) 翅片，可🌈增加受熱(re)面，同時提高放熱(re)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(liú)放熱系數 很小，管(guan)内流🌍體的放熱系(xi)數爲管🚶♀️外空氣側(ce)的 &")!""倍，在管✊外加翅(chì)片後，不僅由于攏(lǒng)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(chun)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(neng)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(sun)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(dōu)有良好的抗蝕性(xìng)，但在海 水中的抗(kàng)蝕性較差，易被腐(fu)蝕。由于銅的标 準(zhǔn)電極電位比氧高(gāo)，在一般碳溶液中(zhong)不能置 換出氫，故(gù)在大多⭐數不含氧(yǎng)或空氣的非氧化(huà) 性酸（如氫氟酸、鹽(yán)酸等）溶液✊中幾乎(hū)不被腐 蝕，但在氧(yang)化性的硝酸、濃硫(liú)酸，以及各種鹽 類(lèi)，如氨鹽、氯化物⁉️、碳(tàn)酸鹽等溶液中易(yi)被
腐蝕。黃銅在大(da)氣中的耐蝕性不(bú)如純銅，但在 含硫(liu)化✉️氫的大氣中，随(suí)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(tè)别是硫酸、鹽酸中(zhong)抗蝕性極低。 黃銅(tóng)在大🌏氣中的耐蝕(shi)🌏性不如純銅，但在(zai) 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(shí)性很高。在無機溶(rong) 液，特别是㊙️硫酸、鹽(yan)酸中抗蝕性極低(di)。
奧氏體不鏽鋼一(yi)般而言，除氯離子(zǐ)應力 腐蝕開裂💋外(wai)⁉️，耐蝕🛀損性能比銅(tong)及黃銅都好。從 表(biǎo)*冷凝管材相對抗(kàng)蝕損💞對比的材料(liào)!也可以看出。表中(zhōng)抗蝕損能力的強(qiang)✨弱以數碼表示， 數(shu)碼越小能力越弱(ruò)，數碼越大表示能(néng)力越 強。 所🤞謂蝕損(sun)包括腐蝕、沖🤩蝕、磨(mó)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(kai)裂問 題，但其環境(jìng)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(tong)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(jiā)入少量其他元素(sù)的黃 銅，稱爲特殊(shu)黃銅，也稱複雜黃(huang)銅。在換熱器 的材(cai)質🚶♀️中有時也采✊用(yòng)特殊黃銅。 爲了提(ti)高黃銅的抗蝕損(sun)🌂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(sān)七黃銅中加砷後(hòu)可耐海水腐蝕如(rú)：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(an)對銅材的腐蝕問(wèn)題 防止氨對銅材(cái)的腐蝕，是銅材最(zuì)突出的㊙️問題，一般(bān)在氨的氣氛中應(ying)盡量避免用銅材(cái)， 例如在氨制🐉冷的(de)冷凝設備中。這是(shì)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(xíng)成四氨合銅鉻離(lí)子[Cu(NH3)2+4]。一般來說供熱(re)系統不存在氨，但(dàn)在🛀特殊 情況下，也(ye)有存在的可能。例(lì)如，有📱些地區地 下(xià)❗水中堿度很高，低(di)壓鍋爐有時采用(yòng)铵―鈉離子交換軟(ruǎn)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(qi)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(ào)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(tu)出的問題。産生氯(lü)離子應力腐蝕開(kāi)👌裂，必 須是有拉應(yīng)力及氯離子同💃時(shí)存在，并且與溫 度(dù)有關。在換熱器中(zhōng)雖然拉應力不太(tai)大，但一 般都有拉(la)應力存在，因此，是(shì)否㊙️可以防止這種(zhǒng) 開裂的産生，主要(yao)就看溫度與氯離(lí)子含量。 在奧氏體(ti)不鏽鋼中加钼就(jiu)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(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(zhong)氯化 物含量的要(yào)求!。當采用304不鏽鋼(gāng)，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(yīng)力腐蝕。
五、關于流(liu)速的限制問題 沖(chong)蝕是指由于高速(su)流體，特别🚶♀️是🍓含有(yǒu)固 體細粒的高速(su)流體沖刷傳熱表(biao)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(xing)能不同，其允許最(zui)大流速也不相 同(tong)。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(xu)的條件下，希望 流(liú)速大些🔞，因♉爲可以(yi)⭐提💜高傳熱系數，而(ér)降低造 價。當管内(nèi)、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(er)使熱阻增加的可(ke) 能性也較大。當然(rán)流速也不易過高(gāo)，不僅流速 過高，壓(yā)降過大🈲，而且有時(shí)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(suǒ)需要的傳熱面積(ji)，就 不得不🌂采用長(zhǎng)管或增加管程。若(ruò)流入的水是 含有(you)溶解氧的，則水流(liu)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(cheng)水流速 達1~2.5m/S，殼程達(da)0.5~1.5m/S。顯然 采用黃銅，特(tè)别是純銅，難以達(da)到較高流速， 而限(xiàn)制了在闆式換✂️熱(rè)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(qí)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(gé)，多采用焊接管，焊(han)接管比無縫管便(biàn) 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(bu)同，加工費用也不(bú) 同；材料價格都是(shi)以🔱重量噸爲單位(wei)，管材厚度 不同，費(fei)用也不☎️相同；管理(li)機制及方法不同(tong)， 成本也不相同。更(geng)重要的是⛷️市場還(hái)存在供需 關系。一(yi)般而言316L不鏽鋼及(ji)銅材略貴于304不鏽(xiù)💜鋼。
七、結論
不鏽鋼(gang)、普通黃銅及工業(ye)純銅都是制 造換(huàn)熱器的良好材料(liào)，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(ying)優先采用不鏽鋼(gang)；冷凝用的換熱器(qi)🈲應優先 使用黃👣銅(tong)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(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(yong)304不鏽鋼；水 溫95≤130時可(ke)采用316,或316L不鏽 鋼；水(shui)溫95≤130且Cl -=50ppm時亦 可采用(yòng)304不鏽鋼。 銅材💁的導(dǎo)熱系數比不鏽鋼(gang)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(yǒu)🎯氨的環境中 不得(dé)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(huang)銅；提高耐蝕損 能(neng)力建♊議采用鎳黃(huang)銅。工業純銅機械(xie)性能不 高💋，耐蝕損(sun)能力低，但制翅片(pian)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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