Měď ve výměnících tepla - Copper in heat exchangers

Výměníky tepla jsou zařízení, která přenášejí teplo k dosažení požadovaného vytápění nebo chlazení. Důležitým konstrukčním aspektem technologie tepelných výměníků je výběr vhodných materiálů pro rychlé a efektivní vedení a přenos tepla.

Měď má mnoho žádoucích vlastností pro tepelně účinné a odolné výměníky tepla . Měď je v první řadě vynikajícím vodičem tepla. To znamená, že vysoká tepelná vodivost mědi umožňuje rychlému průchodu tepla. Mezi další žádoucí vlastnosti mědi ve výměnících tepla patří její odolnost proti korozi, odolnost proti biologickému znečištění , maximální přípustné napětí a vnitřní tlak, mez pevnosti při tečení, únavová pevnost , tvrdost , tepelná roztažnost , specifické teplo , antimikrobiální vlastnosti, pevnost v tahu , mez kluzu , vysoká teplota tání , legovatelnost , snadná výroba a snadné spojování.

Kombinace těchto vlastností umožňuje specifikovat měď pro tepelné výměníky v průmyslových zařízeních, systémy HVAC, automobilové chladiče a radiátory a jako chladiče pro chlazení počítačů, diskových jednotek , televizorů, počítačových monitorů a dalších elektronických zařízení. Měď je také začleněna do dna vysoce kvalitního nádobí, protože kov rychle vede teplo a rovnoměrně jej distribuuje.

K dispozici jsou také měděné výměníky tepla. Některé alternativní materiály zahrnují hliník, uhlíkovou ocel , nerezovou ocel , slitiny niklu a titan .

Tento článek se zaměřuje na prospěšné vlastnosti a běžné aplikace mědi ve výměnících tepla. Zaváděny jsou také nové měděné technologie výměníků tepla pro specifické aplikace.

Dějiny

Výměníky tepla využívající měď a její slitiny se za posledních několik set let vyvinuly společně s technologiemi přenosu tepla. Měděné kondenzátorové trubky byly poprvé použity v roce 1769 pro parní stroje . Zpočátku byly trubky vyrobeny z nelegované mědi. Do roku 1870 byl pro kondenzátory při chlazení mořské vody použit kov Muntz , mosazná slitina 60% Cu-40% Zn . Admirality metal, 70% Cu-30% Zn žlutá mosazná slitina s 1% cínu přidaného ke zlepšení odolnosti proti korozi, byl představen v roce 1890 pro provoz s mořskou vodou. Ve 20. letech 20. století byla pro námořní kondenzátory vyvinuta slitina 70% Cu-30% Ni. Brzy poté bylo zavedeno 2% manganu a 2% slitiny železa a mědi pro lepší odolnost proti erozi. Slitina 90% Cu-10% Ni byla poprvé k dispozici v padesátých letech minulého století, původně pro potrubí s mořskou vodou. Tato slitina je nyní nejpoužívanější slitinou mědi a niklu v námořních tepelných výměnících.

Dnes jsou cívky páry, výparníku a kondenzátoru vyráběny z mědi a slitin mědi. Tyto výměníky tepla se používají v klimatizačních a chladicích systémech, průmyslových a ústředních topných a chladicích systémech, radiátorech , zásobnících teplé vody a systémech podlahového vytápění.

Měděné výměníky tepla lze vyrábět z měděných trubek / hliníkových žeber, měďnatých niklů nebo celoměděných konstrukcí. Pro zvýšení korozní odolnosti trubek a žeber lze použít různé povlaky.

Příznivé vlastnosti měděných výměníků tepla

Tepelná vodivost

Tepelná vodivost (k, také označovaná jako λ nebo κ) je míra schopnosti materiálu vést teplo . K přenosu tepla přes materiály s vysokou tepelnou vodivostí dochází vyšší rychlostí než u materiálů s nízkou tepelnou vodivostí. V mezinárodním systému jednotek (SI) se tepelná vodivost měří ve wattech na metr Kelvin (W / (m • K)). V imperiálním systému měření (britský imperiální nebo imperiální jednotky ) se měří tepelná vodivost v Btu / (hr • ft⋅F).

Měď má tepelnou vodivost 231 Btu / (hr-ft-F). To je vyšší než u všech ostatních kovů kromě stříbra, drahého kovu . Měď má o 60% lepší hodnocení tepelné vodivosti než hliník a o 3 000% lepší hodnocení než nerezová ocel.

Tepelná vodivost některých běžných kovů

Kov	Tepelná vodivost
	(Btu / (hr-ft-F))	(W / (m • K))
stříbrný	247,87	429
Měď	231	399
Zlato	183	316
Hliník	136	235
Žlutá mosaz	69,33	120
Litina	46,33	80.1
Nerezová ocel	8.1	14.0

Další informace o tepelné vodivosti vybraných kovů jsou k dispozici.

Odolnost proti korozi

Korozní odolnost je nezbytná v aplikacích přenosu tepla, kde se vyskytují kapaliny, jako jsou nádrže na horkou vodu, radiátory atd. Jediným dostupným materiálem, který má podobnou odolnost proti korozi jako měď, je nerezová ocel. Tepelná vodivost nerezové oceli je však 1/30 mědi. Hliníkové trubky nejsou vhodné pro aplikace s pitnou nebo neupravenou vodou, protože korodují při pH <7,0 a uvolňují plynný vodík.

Pro zvýšení odolnosti proti korozi lze na vnitřní povrch trubek ze slitiny mědi aplikovat ochranné fólie. U určitých aplikací je film složen ze železa. V kondenzátorech elektrárny se používají duplexní trubky sestávající z vnitřní titanové vrstvy s vnějšími slitinami mědi a niklu. To umožňuje použití příznivých mechanických a chemických vlastností mědi (např. Praskání korozí napětím, napadení amoniakem) spolu s vynikající odolností titanu proti korozi. Pro chlazení v ropném rafinérském a petrochemickém průmyslu lze použít duplexní trubku s vnitřní hliníkovou mosazí nebo měď-niklem a vnější nerezovou nebo měkkou ocelí.

Odolnost proti biologickému znečištění

Měď a slitiny mědi a niklu mají vysokou přirozenou odolnost vůči biologickému znečištění ve srovnání s alternativními materiály. Jiné kovy používané ve výměnících tepla, jako je ocel, titan a hliník, se snadno znečišťují. Ochrany proti biologickému znečištění, zejména v námořních strukturách, lze dlouhodobě dosáhnout kovovými mědi.

Slitiny mědi a niklu se již mnoho let osvědčují v potrubích pro mořskou vodu a v jiných námořních aplikacích. Tyto slitiny odolávají biologickému znečištění na otevřeném moři, kde neumožňují hromadění mikrobiálního slizu a podporují makroznečištění.

Vědci připisují odolnost mědi vůči biologickému znečištění, a to i v mírných vodách, dvěma možným mechanismům: 1) zpomalující sekvenci kolonizace pomalým uvolňováním iontů mědi během procesu koroze, čímž brání ulpívání mikrobiálních vrstev na mořských površích; a / nebo 2) oddělující vrstvy, které obsahují žíravé produkty a larvy mikroskopických organismů. Tento mechanismus odradí usazování pelagických larválních stádií na kovovém povrchu, místo aby zabíjel organismy.

Antimikrobiální vlastnosti

Díky silným antimikrobiálním vlastnostem mědi mohou měděná žebra inhibovat růst bakterií, hub a virů, které se běžně hromadí v klimatizačních systémech. Proto jsou povrchy výměníků tepla na bázi mědi po delší dobu čistší než výměníky tepla vyrobené z jiných kovů. Tato výhoda nabízí výrazně prodlouženou životnost výměníku tepla a přispívá ke zlepšení kvality vzduchu. Tepelné výměníky vyrobené odděleně od antimikrobiální mědi a hliníku v systému HVAC v plném měřítku byly hodnoceny z hlediska jejich schopnosti omezit mikrobiální růst za podmínek normálních průtoků pomocí jednoprůchodového venkovního vzduchu. Běžně používané hliníkové komponenty vyvinuly stabilní biofilmy bakterií a hub během čtyř týdnů provozu. Během stejného časového období dokázala antimikrobiální měď omezit bakteriální zátěže spojené s měděnými žebry tepelného výměníku o 99,99% a zátěž houbami o 99,74%.

V autobusech v Šanghaji byly nasazeny klimatizace s měděnými žebry, aby rychle a úplně zabíjely bakterie, viry a houby, kterým se dříve dařilo na ne měděných žebrech a umožňovalo cirkulaci kolem systémů. Rozhodnutí nahradit hliník mědí následovalo po antimikrobiálních testech Šanghajského městského centra pro kontrolu a prevenci nemocí (SCDC) v letech 2010 až 2012. Studie zjistila, že mikrobiální hladiny na povrchech měděných ploutví byly výrazně nižší než na hliníku, což přispělo k ochraně zdraví cestujících autobusem.

Další informace o výhodách antimikrobiální mědi v systémech HVAC jsou k dispozici.

Snadnost vnitřního zapichování

Vnitřně drážkovaná měděná trubka menších průměrů je tepelně efektivnější, materiálově efektivnější a snáze se ohýbá, světlí a jinak se s ní pracuje. Obecně je jednodušší vyrábět vnitřní drážkované trubky z mědi, velmi měkkého kovu.

Běžné aplikace pro měděné výměníky tepla

Průmyslová zařízení a elektrárny

Slitiny mědi se ve velké míře používají jako trubky výměníku tepla ve fosilních a jaderných parních elektrárnách , chemických a petrochemických zařízeních, lodních službách a odsolování .

Největší využití trubek výměníku tepla ze slitiny mědi na jednotku je v energetických elektrárnách. Tyto rostliny obsahují povrchové kondenzátory, ohřívače a chladiče, které všechny obsahují měděné trubky. Hlavní povrchový kondenzátor, který přijímá výpary z turbíny a páry, využívá nejvíce mědi.

Měděný nikl je skupina slitin, které jsou běžně specifikovány v trubkách výměníku tepla nebo kondenzátoru v odpařovácích odsolovacích zařízení, závodech zpracovatelského průmyslu, zónách chlazení vzduchem tepelných elektráren, vysokotlakých napájecích ohřívačů vody a potrubí mořské vody v lodích. Složení slitin se může pohybovat od 90% Cu – 10% Ni do 70% Cu – 30% Ni.

Trubky kondenzátoru a výměníku tepla z mosazi s arzenikovou admirality (Cu-Zn-Sn-As) kdysi dominovaly na trhu průmyslových zařízení. Hliníková mosaz později získala popularitu díky své zvýšené korozní odolnosti. Dnes se v trubkových výměníků tepla a potrubních systémech v mořské vodě , brakické vodě a sladké vodě široce používají hliník-mosaz, 90% Cu-10% Ni a další slitiny mědi . Hliník-mosaz, slitiny 90% Cu-10% Ni a 70% Cu-30% Ni vykazují dobrou odolnost proti korozi v horké odvzdušněné mořské vodě a ve slaných nádržích ve vícestupňových zařízeních na rychlé odsolování.

Kapalinou chlazené výměníky tepla s pevnými trubkami, obzvláště vhodné pro námořní a drsné aplikace, mohou být sestaveny z mosazných skořepin, měděných trubek, mosazných přepážek a kovaných mosazných integrovaných koncových nábojů.

Trubky ze slitiny mědi lze dodat buď s lesklým kovovým povrchem (CuNiO), nebo s tenkou, pevně spojenou vrstvou oxidu (hliníková mosaz). Tyto typy povrchů umožňují vytvoření ochranné vrstvy. Ochranný oxidový povrch lze nejlépe dosáhnout, když je systém několik týdnů provozován s čistou chladicí vodou obsahující kyslík. I když se ochranná vrstva vytvoří, lze provést podpůrná opatření ke zlepšení procesu, jako je přidání síranu železnatého nebo přerušované čištění trubek. Ochranný film, který se tvoří na slitinách Cu-Ni v provzdušněné mořské vodě, zrání asi za tři měsíce při 60 ° F a časem se stává stále více ochranným. Film je odolný vůči znečištěným vodám, nepravidelným rychlostem a dalším drsným podmínkám. Další podrobnosti jsou k dispozici.

Odolnost slitin Cu-Ni proti biologickému znečištění umožňuje jednotkám výměny tepla pracovat několik měsíců mezi mechanickým čištěním. K obnovení původních schopností přenosu tepla je nicméně nutné vyčištění. Vstřikování chloru může prodloužit intervaly mechanického čištění na rok nebo více, aniž by to mělo nepříznivé účinky na slitiny Cu-Ni.

Další informace o výměnících tepla ze slitiny mědi pro průmyslová zařízení jsou k dispozici.

Solární termální vodní systémy

Solární ohřívače vody mohou být nákladově efektivním způsobem výroby teplé vody pro domácnosti v mnoha regionech světa. Měděné tepelné výměníky jsou důležité v solárních tepelných topných a chladicích systémech z důvodu vysoké tepelné vodivosti mědi, odolnosti proti atmosférické a vodní korozi, utěsňování a spojování pájením a mechanické pevnosti. Měď se používá jak v přijímačích, tak v primárních okruzích (potrubí a výměníky tepla pro vodní nádrže) solárních systémů s termální vodou.

K dispozici jsou různé typy solárních kolektorů pro domácí použití buď s přímou cirkulací (tj. Ohřívá vodu a přivádí ji přímo k použití domů) nebo s nepřímou cirkulací (tj. Čerpá teplonosnou kapalinu přes výměník tepla, který pak ohřívá vodu, která proudí do domácích systémů). V solárním ohřívači horké vody s evakuovanou trubkou se systémem nepřímé cirkulace obsahují evakuované trubice skleněnou vnější trubku a trubku kovového absorbéru připojenou k žebru. Solární tepelná energie je absorbována v evakuovaných trubkách a je přeměněna na využitelné koncentrované teplo. Evakuované skleněné trubice mají dvojitou vrstvu. Uvnitř skleněné trubice je měděná tepelná trubice. Jedná se o uzavřenou dutou měděnou trubku, která obsahuje malé množství teplonosné kapaliny (voda nebo směs glykolu), která při nízkém tlaku vře při velmi nízké teplotě. Měděná tepelná trubice přenáší tepelnou energii ze solární trubice do měděného sběrače. Jak roztok cirkuluje přes měděný sběrač, teplota stoupá.

Mezi další součásti solárních termálních vodních systémů, které obsahují měď, patří solární tepelné výměníkové nádrže a solární čerpací stanice spolu s čerpadly a regulátory.

HVAC systémy

Klimatizace a topení v budovách a motorových vozidlech jsou dvě z největších aplikací výměníků tepla . Zatímco měděná trubice se používá ve většině klimatizačních a chladicích systémů, typické klimatizační jednotky v současné době používají hliníkové lamely. Tyto systémy mohou obsahovat bakterie a plísně a vyvíjet pachy a znečištění, které mohou způsobit jejich špatnou funkci. Role mědi v moderních systémech HVAC posilují přísné nové požadavky, včetně požadavků na zvýšení provozní účinnosti a snížení nebo eliminaci škodlivých emisí .

Antimikrobiální vlastnosti mědi mohou zvýšit výkon systémů HVAC a související kvalitu vnitřního ovzduší . Po rozsáhlých testech se měď stala registrovaným materiálem v USA na ochranu povrchů topných a klimatizačních zařízení před bakteriemi, plísněmi a plísněmi . Kromě toho testování financované americkým ministerstvem obrany ukazuje, že celoměděné klimatizační jednotky potlačují růst bakterií, plísní a plísní, které způsobují zápach a snižují energetickou účinnost systému. Jednotky vyrobené z hliníku tuto výhodu neprokazují.

Měď může za přítomnosti jiných slitin způsobit galvanickou reakci, která vede ke korozi.

Plynové ohřívače vody

Ohřev vody je druhou největší spotřebou energie v domácnosti. Plyn-voda tepelné výměníky, které přenášejí teplo z plynných paliv do vody mezi 3 a 300 kilowatty tepelné (kWth), mají široké domácí i komerční využití v aplikacích pro ohřev vody a vytápění kotlů.

Poptávka po energeticky účinných kompaktních systémech ohřevu vody roste. Beztankové plynové ohřívače vody podle potřeby vyrábějí horkou vodu. Měděné tepelné výměníky jsou preferovaným materiálem v těchto jednotkách kvůli jejich vysoké tepelné vodivosti a snadné výrobě. K ochraně těchto jednotek v kyselém prostředí jsou k dispozici odolné nátěry nebo jiné povrchové úpravy. Povlaky odolné vůči kyselinám jsou schopné odolat teplotám 1 000 ° C.

Nucený ohřev a chlazení vzduchu

Tepelná čerpadla se vzduchem se již mnoho let používají k vytápění a chlazení v domácnostech i komercích. Tyto jednotky se spoléhají na výměnu tepla vzduch-vzduch přes výparníkové jednotky podobné těm, které se používají u klimatizačních jednotek. Tepelné výměníky voda - vzduch se nejčastěji používají pro systémy nuceného ohřevu a chlazení vzduchu, například u vnitřních a venkovních pecí na dřevo, kotlů a kamen. Mohou být také vhodné pro kapalinové chlazení. Měď je specifikována v přívodním a zpětném potrubí a ve svitcích trubek.

Geotermální vytápění / chlazení s přímou výměnou (DX)

Technologie geotermálních tepelných čerpadel, různě známá jako „pozemní zdroj“, „země spojená“ nebo „přímá výměna“, se při výměně tepla spoléhá na cirkulaci chladiva skrze zakopané měděné potrubí. Tyto jednotky, které jsou podstatně účinnější než jejich protějšky se zdroji vzduchu, se při přenosu tepla spoléhají na stálost teplot země pod zónou mrazu . Nejúčinnější tepelná čerpadla země využívající k přenosu tepla do nebo z upraveného prostoru používají měděné trubky ACR, typ L nebo speciální měděné trubky zakopané do země. Pružná měděná trubka (obvykle 1 / 4palcový až 5/8palcový) může být zakopána do hlubokých svislých otvorů, vodorovně v relativně mělkém rastru, ve svislém uspořádání ve tvaru plotu ve středně hlubokých zákopech nebo jako vlastní konfigurace . Další informace jsou k dispozici.

Elektronické systémy

Měď a hliník se používají jako chladiče a tepelné trubky v aplikacích elektronického chlazení. Chladič je pasivní součást, která chladí polovodič a optoelektronických zařízení podle odvádění tepla do okolního vzduchu. Chladiče mají teploty vyšší než okolní prostředí, takže teplo může být přenášeno do vzduchu konvekcí , zářením a vedením .

Hliník je nejpoužívanějším materiálem chladiče kvůli jeho nižším nákladům. Měděné chladiče jsou nezbytností, když je zapotřebí vyšší úrovně tepelné vodivosti. Alternativou k celoměděným nebo celohliníkovým chladičům je připojení hliníkových žeber k měděné základně.

Měděné chladiče jsou lité pod tlakem a spojeny dohromady v deskách. Rychle šíří teplo ze zdroje tepla na měděná nebo hliníková žebra a do okolního vzduchu.

Tepelné trubky se používají k odvádění tepla od centrálních procesorových jednotek (CPU) a grafických procesorových jednotek (GPU) a směrem k chladičům, kde se tepelná energie odvádí do okolního prostředí. Měděné a hliníkové tepelné trubky se značně používají v moderních počítačových systémech, kde zvýšené požadavky na výkon a související emise tepla vedou k vyšším požadavkům na chladicí systémy.

Tepelná trubice se obvykle skládá z uzavřené trubky nebo trubky na horkém i studeném konci. Tepelné trubky využívají odpařovací chlazení k přenosu tepelné energie z jednoho bodu do druhého odpařováním a kondenzací pracovní tekutiny nebo chladicí kapaliny. Jsou zásadně lepší při vedení tepla na větší vzdálenosti než chladiče, protože jejich účinná tepelná vodivost je o několik řádů větší než u ekvivalentního pevného vodiče.

Pokud je žádoucí udržovat teploty spojení pod 125–150 ° C, obvykle se používají tepelné trubky měď / voda. Tepelné trubky měď / methanol se používají, pokud aplikace vyžaduje použití tepelných trubic pod 0 ° C.

Nové technologie

CuproBraze

CuproBraze je technologie výměníku tepla ze slitiny mědi vyvinutá pro aplikace, které musí odolat drsným podmínkám. Tato technologie je obzvláště vhodná pro prostředí s vyšší teplotou a tlakem vyžadovaná u čistších vznětových motorů, která jsou vyžadována globálními předpisy o životním prostředí .

Aplikace pro CuproBraze zahrnují chladiče plnicího vzduchu , radiátory , chladiče oleje , systémy klimatizace a jádra pro přenos tepla. CuproBraze je zvláště vhodný pro chladiče a radiátory plnicího vzduchu v kapitálově náročných průmyslových odvětvích, kde musí strojní zařízení pracovat po dlouhou dobu v drsných podmínkách bez předčasných poruch. Z těchto důvodů je CuproBraze zvláště vhodný pro trhy terénních vozidel , nákladních vozidel, autobusů, průmyslových motorů, generátorů , lokomotiv a vojenské techniky . Tato technologie je rovněž vhodná pro lehká nákladní vozidla, SUV a osobní automobily.

CuproBraze je alternativou k pájené ploutvě z měděné / mosazné desky, pájené měděné mosazné hadovité ploutve a pájené hliníkové hadovité ploutve. Tato technologie umožňuje použití pájených měděných hadovitých žeber v konstrukcích výměníků tepla z mědi a mosazi. Jejich výroba je levnější než pájené hadovité ploutve. Jsou také silnější, lehčí, odolnější a mají tužší klouby.

Vnitřně drážkované

Výhody vnitřně drážkovaných měděných trubek s menším průměrem pro přenos tepla jsou dobře zdokumentovány.

Cívky s menším průměrem mají lepší rychlost přenosu tepla než cívky konvenčních rozměrů a vydrží vyšší tlaky vyžadované novou generací ekologicky šetrnějších chladiv. Cívky menšího průměru mají také nižší náklady na materiál, protože vyžadují méně chladiva, žeber a materiálů cívky; a umožňují konstrukci menších a lehčích vysoce účinných klimatizací a ledniček, protože cívky výparníků a kondenzátorů jsou menší a lehčí. MicroGroove používá drážkovaný vnitřní povrch trubice ke zvýšení poměru povrchu k objemu a zvýšení turbulence k promíchání chladiva a homogenizaci teplot v trubici.

Reference