管壳式换热器选材

管壳式换热器选材探讨

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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

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-100℃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

1、对传热效果的影响

黄铜的导热系数比不锈钢大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§h和§c #9；以及管壁热阻δ/λ（δ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=3.47×10-5㎡.℃/ 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/аh及1/аe；其次是污垢热阻1/§h)及1/§c而δ/λ最小，常可略而不计。例如：水—水换热器，设水侧放热系数均为6000w/㎡.℃,取污垢系数§h=§e=1000 w/㎡.℃；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/㎡.℃；污垢热阻为2*1/1000 w/㎡.℃。而不锈钢的管壁热阻为3.47×10-5黄铜为1.56×10-5；纯铜则为1.58×10-6 w/㎡.℃。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，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 0.02~0.01%），在同一换热器中进行两年试验结果%如图)所示：

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5000w/㎡.℃；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/㎡.℃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㎝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

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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）

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，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