管壳式换热器选材

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1、管壳式换热器选材探讨_ 更多0来源：宏信公司关键字：换热器 不锈钢 纯铜 打印：对管壳式换热器，在管材上采用奥氏体不锈钢，普通黄铜及工业纯 铜三种材质，探讨采用何种材质最佳。关键词：管壳式换热器不锈钢黄铜纯铜选择一、前言管壳式换热器的壳体，封头及管板，这些 较厚的部件一般都采用碳钢制成；管材目前 已很少用碳钢，多 用奥氏体不锈钢或普通黄铜，最近有的厂家采用工业纯铜。这三种材质 在物理性能、机械性能、化学性能 及资源与价 格上都有差异。本文将其主要有关性能进行比较，从而对选材问题进行探讨。这三种材料品种规格较多，以下奥氏体不锈钢以AISI306为代表；工业纯铜以二号铜（T2）为代表；普通黄铜以三

2、七铜（H68）为代表。这三种牌号也是换热器上最常用的其主要化学成分列于表-。表-材料主要化学成分代号注要化学成分（）CrSEiCCuZll3()417 - iy8 - 1WO 07旳go0. 005H寵60 7032. 7-29,7二、导热性能的比较三种材料的导热系数!值相差很大，对比列于表1。纯铜最突出的特点是导电 及导热性能好，它的导电性和导热性在所有金属中仅次于银，居第二位。从表2看出，若 按-100C来比较，H68的导热系数为不锈钢的7.4倍，而纯铜为不锈钢的21.9 倍。表!材料导热系数的对比导热系数X（w/m 兀）材质 r1OOT：3MX.1、对传热效果的影响黄铜的导热系数比不锈钢

3、大7倍多，纯 铜则为 20几倍，在对流换热中，相同的受热面积，铜管是否其传 热量也比不锈钢大相同 的倍数呢？并非如此，因为影响对流换热的传热量和传热效率的因素是其传热系数K。K值的大小，与高温侧换热 系数ah；低温侧换热系 数ac；高温侧与低温侧的污垢系数人和。#9；以及管壁热阻6/入（6为管壁厚 度）有关，热阻越 大，换热器的传热效率越差。一般黄铜管壁厚为2mm ；其管壁热阻 而不 锈钢管壁厚为0.5mm或0.6mm，则其管壁热阻 0.0006/17.3=3.47x10-5 EC/ w也 就是管壁热阻不锈钢仅为黄铜的2.2倍。更重要的是，计算K值时最 主要的热阻 是膜热阻1/ah及1/ae；

4、其次是污垢热阻1/h）及1/c而6/入最小，常可略而不计。例如：水一 水换热器，设水侧放热系数均为6000w/m1C,取污垢系数h=e=1000 w/mC ；不锈钢及工业纯铜管厚均 为0.0006mm；而黄铜管厚为2mm。则膜热阻2*1/6000 w/mlC ；污垢热阻为2*1/1000 w/m?.C。而不锈 钢的管壁热阻 为3.47x10-5黄铜为1.56x10-5；纯铜则为1.58x10-6 w/m1C。从以上计算数值可以明显 看出，虽然铜的导热系数比不锈钢大的多，但由于计算K值时管壁热阻很小，因此对对流换热的影响极 微。 此外，金属表面状态对传热速度的影响 很显著。换热器运行一定时间以后

5、，金属表 面都会形成一层 膜，不锈钢表面生成极薄的 纯化膜，它对传热的影响极微，而黄铜的表 面生成了具有一定厚度的氧化膜， 它一方面 起到对腐蚀的阻抑作用，同时也对传热过程 造成了附加热阻。有的学者用304 不锈钢与 含砷 海军黄铜（也为三七铜，但含砷，成分为 Cu 70% Zn 29%； As 0.020.01%），在同一 换热器中进行两 年试验结果%如图）所示：6004002003皿型车绣钢碎海军負铜0100200300 如0 500600隸露时间，天2.对冷凝传热的影响有些换热器是冷却汽态介质，使之冷凝， 这种换热器最常用於制冷设备。冷凝传热一 般为膜状冷凝，其 冷凝传热系数约为5000

6、w/.C；也有的换热器采用珠状冷凝，其冷凝传热系数比膜状冷凝传热系数大10 倍，约为50000w/m1C左右。珠状冷凝发生在涂有极薄助聚剂的铜表 面上，开始在表面的坑洼处汇聚直径为 10-6m 量级的极小液滴。当液滴表面的过冷度0. 3度时，出现大量的极小液滴，其数量可达 每cm 2有108个液滴，此时冷凝通过 微点的表面直接发生，这就是珠状冷凝传热系数很大的原因形成球状冷凝的金属冷凝表面必须是铜 或银等 导热性极其良好的材质，也有用真空 镀层的方法，将很薄的一层金镀在冷凝表面，也可取得良好效果。但 金、银都是极贵重的金 属，故一般都用铜，当然用工业纯铜最佳。三、机械性能的比较三种材质，由于品

7、种不同，其化学成分有 差异：是原材料、板材、带材、还是管材的不 同；交货方式不 同，如是经热处理交货还是不经热处理交货，有色金属是软状态，还是硬状 态交货等等，其各种材质的机 械强度都有差 别，一般而言如表 0 所示。 表 0 机械强度的对比表 3 机械强度的对比奥氏体不锈钢的强度最好，塑性很高， 可制成薄壁波节管，由于是钢材，焊接性能最好。工业纯铜具备优 良的加工成形性和可 焊性，也可制成薄壁波节管，其焊接性能不 如不锈钢。而普通黄铜一般都要具有较 厚的管壁，不能制成薄壁波节管，但可以制成管 外有螺旋状的凹槽，管内有螺旋状凸出的螺 纹管。 、波 节管换热器与螺纹管换热器波节管又称为波纹管换热

8、器（见图 2a）， 是由管内向外顶挤管壁，使管壁向 外凸起， 而压制成依次交替的直管段和弧形管段的波节型管道。流体在弧形管段中流动时，流 速降低， 静压增加；在直线管段中流动时，流 速增加而静压减少。流体在弧形段进口处发生喷射效应，而在出口处 则发生节流效应。 流体在直线段与弧形段周期性地变换，而产 生剧烈的旋涡而破坏边界层，强化传热的 效果显著，同时有良好的阻垢和除垢能力。波 节管换热器只能由薄壁的不锈钢管或工业 纯铜制成，壁厚 较厚的普通黄铜管难以成型。螺纹管又称螺纹槽管(见图 2 吧)材质抗拉强度鼠(Kgf/mm2)伸长率8(% )丁业纯铜2() 25约3()普通黄铜3040约25奥氏体

9、不锈钢50- 60约45它虽然 也有使边界层减薄，也有强化传热的作用，但 不如波节管，其阻垢及除垢能力也很薄弱。因 此， 在加热用的换热器上它不如波节管。但是 在用以冷凝介质的换热器中采用螺纹管，不 仅管内凸起的螺纹， 使流体的边界层减薄而 强化传热外，而且管内靠近壁面处的部分流 体顺槽旋转有利于减薄流体边界层， 同时螺 旋槽成为排泄凝液的通道，可使凹槽两边的 冷凝液膜减薄，减少热阻，强化传热效果显 著。一般 螺纹管由厚壁黄铜管制成，而不锈钢 管难以成型。翅片管的选材为了强化传热，可在管子外表面上增加 翅片，可增加受热面，同时提高放热系数，这 种管子称为翅片管。 翅片管对于空气预热器 十分有利

10、，因为空气在管外，其对流放热系数 很小，管内流体的放热系数为管外 空气侧的 &)!倍，在管外加翅片后，不仅由于拢动 而提高了放热系数，而且使传热面积可增加 为管内 表面积的&$)!$倍。纯铜管可以制成 高翅片和低翅片管，而黄铜管一般只制成低 翅片管。不锈钢管不仅只 能制成低翅片管，而 且制造尺寸有限制，不如黄铜管。四、耐腐蚀及耐蚀损能力的比较 纯铜具有很高的化学稳定性，在大气、 淡水和冷凝水中都有良好的抗蚀性，但在海 水中的抗蚀性较差， 易被腐蚀。由于铜的标 准电极电位比氧高，在一般碳溶液中不能置 换出氢，故在大多数不含氧或空气的 非氧化 性酸(如氢氟酸、盐酸等)溶液中几乎不被腐 蚀，但在氧化

11、性的硝酸、浓硫酸，以及各种盐 类， 如氨盐、氯化物、碳酸盐等溶液中易被腐蚀。黄铜在大气中的耐蚀性不如纯铜，但在 含硫化氢的大气中， 随着含锌量的增加，抗蚀 性也增高。对温水的耐蚀性很高。在无机溶 液，特别是硫酸、盐酸中抗蚀性极 低。 黄铜在大气中的耐蚀性不如纯铜，但在 含硫化氢的大气中，随着含锌量的增加，抗蚀性也增高。对 温水的耐蚀性很高。在无机溶 液，特别是硫酸、盐酸中抗蚀性极低。奥氏体不锈钢一般而言，除氯离子应 力 腐蚀开裂外，耐蚀损性能比铜及黄铜都好。从 表* 冷凝管材相对抗蚀损对比的材料 !也可以看出。表中 抗蚀损能力的强弱以数码表示， 数码越小能力越弱，数码越大表示能力越 强。所谓蚀

12、损包括腐蚀、冲蚀、 磨损和微振磨损等引起的金属消耗，表&中主要列出腐蚀 与冲蚀的形式。材质抗拉强度鼠(Kgf/mm2)伸长率8(% )丁业纯铜2() 25约3()普通黄铜3Q 40约25奥氏体不锈钢50- 60约45铜材及不锈钢材都有应力腐蚀开裂问 题，但其环境不同，奥氏体不锈钢是氯离子的 应力腐蚀开裂；而铜 及铜合金主要是铵离子的应力腐蚀开裂。 特殊黄铜的采用 普通黄铜是以铜锌为主的二元合金，若 为了改 善其性能，再加入少量其他元素的黄 铜，称为特殊黄铜，也称复杂黄铜。在换热器 的材质中有时也采用 特殊黄铜。为了提高黄铜的抗蚀损能力，於黄铜中加少量的镍，就成为镍黄铜，例如牌号为HNi65-5

13、的 镍黄铜，其成分为 Cu 64 67% Ni 5 6.5%。从表&可以看出镍 黄铜的抗蚀损能力，每项都强于普通黄 铜。在 三七黄铜中加砷后可耐海水腐蚀如：70/30砷黄铜(三七铜加0. 0020. 006%砷)或海军 黄铜(Cu 71 Zn 28 Sn 1 As 0.04)。1.氨对铜材的腐蚀问题 防止氨对铜材的腐蚀，是铜材最突出的问题，一般在氨的气氛中应尽量避免用铜材， 例如在氨制冷的冷凝 设备中。这是由于有氨存在，特别是有氧同时存在时，Cu变成,Cu2+与氨形成四氨合铜铬离子 Cu(NH3)2+4。一般来说供热系统不存在氨，但在特殊情况下，也有存在的可能。例如，有些地区地下 水中碱度很高

14、，低压锅炉有时采用铵钠离子交换软化，经铵离子交换的水，其暂硬成 为重碳酸铵 (NH4HCO3)受热后重碳酸铵分解：起到部分除碱和脱盐的作用，这时锅炉的汽或水中有可能有氨存在。2、奥氏体不锈钢的氯离子应力腐蚀开裂问题防止氯离子应力腐蚀开裂，是奥氏体钢最突出的问题。产生氯离子应力腐蚀开裂，必 须是有拉应力及氯离 子同时存在，并且与温 度有关。在换热器中虽然拉应力不太大，但一 般都有拉应力存在，因此，是否可 以防止这种 开裂的产生，主要就看温度与氯离子含量。 在奥氏体不锈钢中加钼就成为 316,316 比 304 有 更强的耐氯离子应力腐蚀 开裂的能力。丹麦对区域供热系统中水质的要求比较 严格，其在

15、不同温度下对水中氯化 物含量的要求!。当采用 304 不 锈钢，而水温95度时；当采用316不锈钢，而水温130度时，不论氯化物含量高低都无应力腐蚀。五、关于流速的限制问题冲蚀是指由于高速流体，特别是含有固 体细粒的高速流体冲刷传热表面而引起的磨 损，防止冲蚀常采用 限制流速的方法，材质耐 冲蚀的性能不同，其允许最大流速也不相 同。表 5 所示为三类材质最大水流速 的限制 数值一般换热器在压降允许的条件下，希望 流速大些，因为可以提高传热系数，而降低造 价。当 管内、外换热系数相差较大时，增加换热系数小的一侧的流速，可以有效地提高传热效率。水流速越慢， 结垢而使热阻增加的可 能性也较大。当然流速也不易过高，不仅流速 过高，压降过大，而且有时还会对 换热器的结构上带来不利，例如，为了获取高流速，需要 管子数目较少，为达到所需要的传热面积，就 不 得不采用长管或增加管程。若流入的水是 含有溶解氧的，则水流速度高时，溶解氧容易 得到补充，可能 产生冲刷腐蚀和入口管端的 腐蚀。对管壳式换热器一般要求管程水流速 达 1 2.5m/S ，壳程达 0.51.5m/S 显然 采用黄铜，特别是纯铜，难以达到较高流速， 而限制了在板式换热器和汽水换热器上使 用。