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通过铜管和不锈钢管换热效果的对比分析,得出可靠的结论

[ 关键词:铜管和不锈钢管换热效果的对比 发表日期:2019-10-21 17:25:10 ]

  铜管和不锈钢管都是常用的材料,经常要在二者之间做出选择。如果作为换热管使用,二者谁更优秀呢?本文就解决这个问题,我们将通过铜管和不锈钢管换热效果的对比分析,得出可靠的结论。

一、不锈钢换热管具有的优点

1、换热管采用 0.5-0.8mm 的薄壁管材,提高了整体换热性能,在相同的换热面积下,总体的传热系数比铜管提高 2.121-8.408%。
2、由于材质采用 SUS304 优质不锈合金钢,使其具有较高的硬度,管子的钢度也明显提高,因此,具有很强的抗冲击性能及抗振性能。
3、由于管子内壁光滑,使得其边界层流底层厚度减薄,既强化换热,又提高了抗结垢性能。
4、为了消除焊接应力,在保护气体中以 1050℃高温进行热处理。
5、钢管均采用压差进行泄漏检查,气压试验至 10MPa,5 分钟无压降。

二、详细性能比较

1、导热

  由于铜管的导热系数为 100W/m ℃,不锈钢管的导热系数为 13W/m ℃,这当然要影响总体传热系数。但是,不锈钢管的壁厚可以减薄以 0.5~0.8mm,而铜管因强度及冲蚀磨损等原
因,其壁厚不能低于 1.2mm。

根据公式:Rc= (1)

式中:
Rc—— 导热热阻, m2k/w 。
λ——导热系数, W/(m.k) 。
δ——管壁厚度, m

  管材一定,λ不变时,根据公式(1),δ越小,Rc 越小,传热系数越大。这就可以缩小不锈钢管与铜管总体传热系数的差距。

  由于铜管内外壁比不锈钢更粗糙,容易结垢,增加了铜管的热阻,这又使铜管与不锈钢管总体传热系数的差距缩小。

2、对流放热

  使用不锈钢管或使用铜管,管内流速都是紊流。影响对流放热的最大因素是层流底层的厚度,因为层流底层中的传热是导热,而水的导热系数很低。在流动状态相同的情况下,层流底层的厚度取决于管内壁的粗糙度。铜管内表面有氧化物,其粗糙度比不锈钢管大得多,铜管的层流底层的厚度比不锈钢管的层流底层厚度更大。这就使不锈钢管的对流放热系数比铜管的对流放热系数大。

Rw= (2)

式中:
Rw—— 对流放热热阻, m2k/w 。
αw——对流放热系数, w/m2.k 。
根据公式(2) αw 越大,Rw 越小。

3、凝结放热系数

  凝结放热系数有膜状凝结和珠状凝结两种,珠状凝结放热系数比膜状凝结放热系数大得多。但不锈钢管外壁和铜管外壁哪种管材的珠状凝结更多尚不清楚,但可以说两种管材外壁大部份是膜状凝结。膜状凝结的放热系数大小与膜的薄厚关系很大,因为在膜的内部是导热,水膜的导热系数数特别低而膜的厚度又取决于管外壁的粗糙度。铜管外壁因氧化层的关系,比不锈钢管粗糙得多。因此,不锈钢管外壁的凝结放热系数比铜管外壁的凝结放热系数大。

Rm=(3)

其中:
Rm—— 管外壁的凝结放热热阻,m2k/w 。
αm——管外壁的凝结放热系数,w/m2.k 。
根据公式(3),αm 越大、Rm 越小。

4、总体传热系数

K=(4)

其中:
R—— 总热阻, m2k/w 。
K—— 总体传热系数, w/m2.k 。
由(4)可知:对流热阻、导热阻和凝结放热热阻都减小,则总热阻减小:总热阻减小,总体传热系数增大。

  在壁厚相同的情况下,不锈钢管的总体传热系数比铜管低 6%。由于使用比铜管薄的不锈钢管,不锈钢管的总体传热系数和凝结放热系数都比铜管大,使不锈钢管的总体传热系数得到提高。

换热性能对照表

名称 规格(㎜) 材质 总体换热系数(W/㎡.k)
铜管 1 HSn70-IA 3682.413869
不锈钢管 1 AISI304 3460.327347
不锈钢管 0.7 AISI304 3760.628476
不锈钢管 0.6 AISI304 3872.606729

5、长远的经济性

  随着运行时间的增长,铜管氧化层将越来越厚,传热效果会越来越差。而不锈钢基本不会氧化,或氧化速度很慢。因此,不锈钢管的换热器与铜管的换热器如果同时投运,运行时间越长, 不锈钢管的换热器的经济性将会比铜管的换热器越来越更好。同时,铜管对冷却水中的杂物的吸附能力比不锈钢管更强得多,大大降低了设备的经济性。

6、安全性能比较

不锈钢管与铜管的工程特性

管材 铜管 镍铜管 304/316 不锈钢管
密度 t/m3 8.4 8.9 8
屈服强度 MPa 120 140 280-350
拉伸强度 MPa 330 390 550-659
延伸率 % 60 43 30-60
弹性模量 MPa 13.3 15.4 20
热胀系数 10-6 16 16 17
导热系数 w/mk 100 30 13

  从上表可以看出:不锈钢管的屈服强度和抗拉强度都比铜管高,不锈钢管的使用寿命必然要比铜管长,热胀系数比铜管低,与管板更接近,因此,不易因热胀冷缩面损伤了管子或影响胀口。

不锈钢管与铜管的抗腐蚀性能

腐蚀种类 铜管 镍铜管 304/316不锈钢管
一般腐蚀 2 4 5
冲击腐蚀 2 5 6
点蚀(运行状态) 4 5 4
点蚀(积滞状态) 2 4 2
高速冲击 3 5 6
进口冲击 2 4 6
蒸汽热点腐蚀 2 4 6
氨蚀 2 5 6

注:表中的数值 2-6 表示抗腐蚀能力由小到大。

  由上表可知:不锈钢管与铜管相比具有的优点:抗冲蚀性能好,能抗蒸汽带水滴在高速中的冲击腐蚀;抗氨腐蚀性能好:耐水侧冲击腐蚀,实现无铜离子系统,且 PH 值可提高,以减少腐蚀产生率,可提高冷却水流速,达 2.3m/s,最高可达 3.5m/s,这样既可提高总体传热系数,又可减少管内杂质的沉积。

三、效益评估与结论

  不锈钢管的热传导系数比铜管低,但通过减小壁厚使它们的热传导系数的差值缩小,由于不锈钢管内壁比铜管更光滑,对流换热系数比铜管高,不锈钢管外壁比铜管光滑,凝结放热系数比铜管高,根据多台机组的测试和计算,壁厚为 0.7mm 的不锈钢管比壁厚为 1mm 的铜管的总体传热系数高 2.124%左右;随着运行时间的增长,不锈钢管的总体传热系数下降很缓慢,而铜管的总体传热系数下降速度比不锈钢管大得多。

  同时,不锈钢管比铜管更耐腐蚀,抗振性和耐磨性能好,使用寿命是铜管的三倍。从长远考虑,使用不锈钢管整体上提高机组的经济性显而易见,同时也提高了机组的安全性。

  铜管虽然是好材料但不是万能的,当适用的材料有多种选项时,就要对性能、寿命、价格等因素耐心对比,选择最优方案,只有这样才能花费最少的成本完成合格的工作。

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