Miedź w wymiennikach ciepła
Wymienniki ciepła to urządzenia, które przekazują ciepło w celu uzyskania pożądanego ogrzewania lub chłodzenia. Ważnym aspektem projektowania technologii wymienników ciepła jest dobór odpowiednich materiałów do szybkiego i wydajnego przewodzenia i przenoszenia ciepła.
Miedź ma wiele pożądanych właściwości dla wydajnych termicznie i trwałych wymienników ciepła . Przede wszystkim miedź jest doskonałym przewodnikiem ciepła. przewodność cieplna miedzi umożliwia szybkie przechodzenie ciepła przez nią. Inne pożądane właściwości miedzi w wymiennikach ciepła obejmują jej odporność na korozję , odporność na biofouling , maksymalne dopuszczalne naprężenia i ciśnienie wewnętrzne, wytrzymałość na pełzanie, wytrzymałość zmęczeniową , twardość , rozszerzalność cieplną , ciepło właściwe , właściwości przeciwdrobnoustrojowe , wytrzymałość na rozciąganie , granicę plastyczności , wysoką temperaturę topnienia , stop , łatwość wytwarzania i łatwość łączenia.
Połączenie tych właściwości umożliwia stosowanie miedzi w wymiennikach ciepła w obiektach przemysłowych, systemach HVAC, chłodnicach i grzejnikach samochodowych oraz jako radiatory do chłodzenia komputerów, napędów dysków , telewizorów, monitorów komputerowych i innego sprzętu elektronicznego. Miedź jest również stosowana na dnach wysokiej jakości naczyń kuchennych , ponieważ metal szybko przewodzi ciepło i równomiernie je rozprowadza.
Dostępne są również niemiedziane wymienniki ciepła. Niektóre alternatywne materiały obejmują aluminium, stal węglową , stal nierdzewną , stopy niklu i tytan .
W artykule skupiono się na korzystnych właściwościach i powszechnych zastosowaniach miedzi w wymiennikach ciepła. Wprowadzane są również nowe technologie miedzianych wymienników ciepła do określonych zastosowań.
Historia
Wymienniki ciepła wykorzystujące miedź i jej stopy ewoluowały wraz z technologiami wymiany ciepła w ciągu ostatnich kilkuset lat. Miedziane rurki skraplacza po raz pierwszy zastosowano w 1769 roku w silnikach parowych . Początkowo rury były wykonane z miedzi niestopowej. Do 1870 roku metal Muntza , stop mosiądzu składający się z 60% Cu-40% Zn , był używany do skraplaczy w chłodzeniu wodą morską. Admiralty metal, stop żółtego mosiądzu o zawartości 70% Cu-30% Zn z dodatkiem 1% cyny w celu poprawy odporności na korozję, został wprowadzony w 1890 r. Do użytku w wodzie morskiej. W latach dwudziestych XX wieku opracowano stop 70% Cu-30% Ni do skraplaczy morskich. wprowadzono 2% manganu i 2% stopu żelaza i miedzi w celu uzyskania lepszej odporności na erozję. Stop 90% Cu-10% Ni stał się dostępny po raz pierwszy w latach pięćdziesiątych XX wieku, początkowo do rurociągów wody morskiej. Stop ten jest obecnie najczęściej stosowanym stopem miedzi z niklem w morskich wymiennikach ciepła.
Obecnie wężownice pary, parownika i skraplacza są wykonane z miedzi i jej stopów. Wymienniki te znajdują zastosowanie w klimatyzacyjnych i chłodniczych , instalacjach przemysłowych i centralnego ogrzewania i chłodzenia, grzejnikach , zasobnikach ciepłej wody użytkowej oraz instalacjach ogrzewania podłogowego.
Wymienniki ciepła na bazie miedzi mogą być produkowane z rurami miedzianymi/aluminiowymi lamelami, miedziowo-niklowymi lub całkowicie miedzianymi. W celu zwiększenia odporności na korozję rur i żeber można nakładać różne powłoki.
Korzystne właściwości miedzianych wymienników ciepła
Przewodność cieplna
Przewodność cieplna (k, oznaczana również jako λ lub κ) jest miarą zdolności materiału do przewodzenia ciepła . Wymiana ciepła przez materiały o wysokim przewodnictwie cieplnym zachodzi z większą szybkością niż przez materiały o niskim przewodnictwie cieplnym. W Międzynarodowym Układzie Jednostek (SI) przewodność cieplna jest mierzona w watach na metr Kelwina (W/(m•K)). W imperialnym systemie miar (brytyjskie jednostki imperialne lub imperialne ) przewodność cieplną mierzy się w Btu/(hr•ft⋅F).
Miedź ma przewodność cieplną 231 Btu/(hr-ft-F). Jest to więcej niż w przypadku wszystkich innych metali z wyjątkiem srebra, metalu szlachetnego . Miedź ma o 60% lepszą przewodność cieplną niż aluminium i prawie 30 razy większą przewodność cieplną niż stal nierdzewna.
| Metal | Przewodność cieplna | |
|---|---|---|
| (Btu/(hr-ft-F)) | (W/(m•K)) | |
| Srebro | 247,87 | 429 |
| Miedź | 231 | 399 |
| Złoto | 183 | 316 |
| Aluminium | 136 | 235 |
| Żółty mosiądz | 69.33 | 120 |
| Żeliwo | 46.33 | 80.1 |
| Stal nierdzewna | 8.1 | 14.0 |
Dostępne są dalsze informacje na temat przewodności cieplnej wybranych metali.
Odporność na korozję
Odporność na korozję ma zasadnicze znaczenie w zastosowaniach związanych z przenoszeniem ciepła, w których występują płyny, na przykład w zbiornikach ciepłej wody, grzejnikach itp. Jedynym niedrogim materiałem, który ma podobną odporność na korozję do miedzi, jest stal nierdzewna. Jednak przewodność cieplna stali nierdzewnej jest 1/30 razy większa niż miedzi. Rury aluminiowe nie nadają się do zastosowań z wodą pitną lub nieuzdatnioną, ponieważ korodują przy pH <7,0 i uwalniają gazowy wodór.
Folie ochronne można nakładać na wewnętrzną powierzchnię rur ze stopów miedzi w celu zwiększenia odporności na korozję. W przypadku niektórych zastosowań folia składa się z żelaza. W skraplaczach elektrowni stosuje się rury typu duplex składające się z wewnętrznej warstwy tytanu z zewnętrznymi stopami miedzi i niklu. Umożliwia to wykorzystanie korzystnych właściwości mechanicznych i chemicznych miedzi (np. pękanie pod wpływem korozji naprężeniowej, atak amoniaku) wraz z doskonałą odpornością na korozję tytanu. Rura dupleksowa z wewnętrznym aluminiowym mosiądzem lub miedziano-niklem i zewnętrzną stalą nierdzewną lub miękką może być stosowana do chłodzenia w przemyśle rafineryjnym i petrochemicznym.
Odporność na biofouling
Stopy miedzi i miedzi z niklem mają wysoką naturalną odporność na biofouling w porównaniu z materiałami alternatywnymi. Inne metale stosowane w wymiennikach ciepła, takie jak stal, tytan i aluminium, łatwo ulegają zabrudzeniu. Ochronę przed biofoulingiem, szczególnie w konstrukcjach morskich, można zapewnić przez długi czas za pomocą miedzi metalicznej.
Stopy miedzi z niklem od wielu lat sprawdzają się w rurociągach wody morskiej i innych zastosowaniach morskich. Stopy te są odporne na biofouling na otwartych morzach, gdzie nie pozwalają na gromadzenie się szlamu mikrobiologicznego i wspierają makrofouling.
Naukowcy przypisują odporność miedzi na biofouling, nawet w wodach o umiarkowanym klimacie, dwóm możliwym mechanizmom: 1) hamującej sekwencję kolonizacji poprzez powolne uwalnianie jonów miedzi podczas procesu korozji, hamując w ten sposób przyczepianie się warstw drobnoustrojów do powierzchni morskich; i/lub 2) warstwy oddzielające, które zawierają produkty żrące i larwy makroorganizmów inkrustujących. Ten ostatni mechanizm raczej powstrzymuje osiedlanie się pelagicznych stadiów larwalnych na powierzchni metalu niż zabijanie organizmów.
Właściwości przeciwdrobnoustrojowe
Ze względu na silne właściwości przeciwdrobnoustrojowe miedzi, miedziane żeberka mogą hamować rozwój bakterii, grzybów i wirusów, które często gromadzą się w systemach klimatyzacji. Dzięki temu powierzchnie miedzianych wymienników ciepła są czystsze przez dłuższy czas niż wymienniki wykonane z innych metali. Ta zaleta zapewnia znacznie dłuższą żywotność wymiennika ciepła i przyczynia się do poprawy jakości powietrza. Wymienniki ciepła wykonane oddzielnie z przeciwdrobnoustrojowej miedzi i aluminium w pełnoskalowym systemie HVAC zostały ocenione pod kątem ich zdolności do ograniczania rozwoju drobnoustrojów w warunkach normalnego natężenia przepływu przy użyciu powietrza zewnętrznego z pojedynczym przepływem. Powszechnie stosowane komponenty aluminiowe wytworzyły stabilny biofilm bakterii i grzybów w ciągu czterech tygodni eksploatacji. W tym samym okresie miedź przeciwdrobnoustrojowa była w stanie ograniczyć obciążenie bakteryjne związane z miedzianymi żebrami wymiennika ciepła o 99,99%, a obciążenie grzybami o 99,74%.
Klimatyzatory z miedzianymi żebrami zostały zainstalowane w autobusach w Szanghaju, aby szybko i całkowicie zabić bakterie, wirusy i grzyby, które wcześniej rozwijały się na niemiedzianych żebrach i mogły krążyć wokół systemów. Decyzja o zastąpieniu aluminium miedzią została podjęta po testach antybakteryjnych przeprowadzonych przez Miejskie Centrum Kontroli i Zapobiegania Chorób (SCDC) w Szanghaju w latach 2010-2012. Badanie wykazało, że poziom drobnoustrojów na powierzchniach miedzianych żeber był znacznie niższy niż na aluminium, co pomaga chronić zdrowia pasażerów autobusów.
Więcej informacji na temat zalet miedzi przeciwdrobnoustrojowej w systemach HVAC jest dostępnych.
Łatwość rowkowania wewnętrznego
Wewnętrznie rowkowana rura miedziana o mniejszych średnicach jest bardziej wydajna termicznie, wydajniejsza materiałowo i łatwiejsza do zginania i rozszerzania oraz do innych prac. Zasadniczo łatwiej jest wykonać wewnętrzne rowkowane rury z miedzi, bardzo miękkiego metalu.
Typowe zastosowania miedzianych wymienników ciepła
Obiekty przemysłowe i elektrownie
elektrowniach wytwarzających parę kopalną i jądrową , zakładach chemicznych i petrochemicznych , usługach morskich i zakładach odsalania .
Największe zastosowanie rur wymiennika ciepła ze stopu miedzi w przeliczeniu na jednostkę występuje w elektrowniach użyteczności publicznej. Instalacje te zawierają skraplacze powierzchniowe, grzejniki i chłodnice, z których wszystkie zawierają miedziane rurki. Główny skraplacz powierzchniowy, który przyjmuje wyładowania pary z turbiny, wykorzystuje najwięcej miedzi.
Nikiel miedziany to grupa stopów powszechnie stosowanych w wymiennikach ciepła lub rurach skraplacza w parownikach zakładów odsalania, zakładach przemysłu przetwórczego, strefach chłodzenia powietrza w elektrowniach cieplnych, wysokociśnieniowych podgrzewaczach wody zasilającej i rurociągach wody morskiej na statkach. Skład stopów może wahać się od 90% Cu – 10% Ni do 70% Cu – 30% Ni.
Kiedyś na rynku obiektów przemysłowych dominowały rury skraplaczy i wymienników ciepła z mosiądzu admiralickiego (Cu-Zn-Sn-As). Później popularność mosiądzu aluminiowego wzrosła ze względu na zwiększoną odporność na korozję. Obecnie aluminium-mosiądz, 90% Cu-10% Ni i inne stopy miedzi są szeroko stosowane w rurowych wymiennikach ciepła i systemach rurociągów w wodzie morskiej , słonawej i słodkiej . Stopy aluminium-mosiądz, 90% Cu-10% Ni i 70% Cu-30% Ni wykazują dobrą odporność na korozję w gorącej odpowietrzonej wodzie morskiej i solankach w wieloetapowych instalacjach odsalania błyskawicznego.
Chłodzone cieczą wymienniki ciepła z rurami stałymi, szczególnie odpowiednie do zastosowań morskich i trudnych, można montować z mosiężnymi płaszczami, rurami miedzianymi, mosiężnymi przegrodami i integralnymi piastami końcowymi z kutego mosiądzu.
Rury ze stopu miedzi mogą być dostarczane z jasną powierzchnią metaliczną (CuNiO) lub z cienką, mocno przyczepioną warstwą tlenku (mosiądz aluminiowy). Te rodzaje wykończeń pozwalają na utworzenie warstwy ochronnej. Ochronną powierzchnię tlenku najlepiej uzyskać, gdy system pracuje przez kilka tygodni z czystą, zawierającą tlen wodą chłodzącą. Podczas gdy tworzy się warstwa ochronna, można zastosować środki wspomagające w celu usprawnienia procesu, takie jak dodanie siarczanu żelaza lub okresowe czyszczenie rur. Warstwa ochronna, która tworzy się na stopach Cu-Ni w napowietrzonej wodzie morskiej, dojrzewa w ciągu około trzech miesięcy w temperaturze 60 ° F iz czasem staje się coraz bardziej ochronna. Folia jest odporna na zanieczyszczone wody, nieregularne prędkości i inne trudne warunki. Dostępne są dalsze szczegóły.
Odporność stopów Cu-Ni na biofouling umożliwia kilkumiesięczną pracę wymienników ciepła pomiędzy czyszczeniem mechanicznym. Czyszczenia są jednak potrzebne, aby przywrócić pierwotne możliwości wymiany ciepła. chloru może wydłużyć okresy czyszczenia mechanicznego do roku lub dłużej bez szkodliwego wpływu na stopy Cu-Ni.
Więcej informacji na temat wymienników ciepła ze stopów miedzi dla obiektów przemysłowych jest dostępnych.
Systemy słonecznej wody termalnej
Słoneczne podgrzewacze wody mogą być opłacalnym sposobem wytwarzania ciepłej wody dla domów w wielu regionach świata. Miedziane wymienniki ciepła są ważne w słonecznych systemach ogrzewania i chłodzenia ze względu na wysoką przewodność cieplną miedzi, odporność na korozję atmosferyczną i wodną, uszczelnianie i łączenie przez lutowanie oraz wytrzymałość mechaniczną. Miedź stosowana jest zarówno w odbiornikach, jak iw obwodach pierwotnych (rury i wymienniki ciepła do zbiorników wodnych) wodnych systemów solarnych.
Dostępne są różne rodzaje kolektorów słonecznych do zastosowań mieszkaniowych z obiegiem bezpośrednim (tj. podgrzewa wodę i doprowadza ją bezpośrednio do domu do użytku) lub z obiegiem pośrednim (tj. pompuje płyn przenoszący ciepło przez wymiennik ciepła, który następnie podgrzewa wodę wpływa do domu) systemów. W solarnym podgrzewaczu ciepłej wody z rurą próżniową z pośrednim systemem cyrkulacji rury próżniowe zawierają szklaną rurę zewnętrzną i metalową rurkę absorbera przymocowaną do żebra. Słoneczna energia cieplna jest absorbowana w rurach próżniowych i przekształcana w użyteczne skoncentrowane ciepło. Ewakuowane szklane rurki mają podwójną warstwę. Wewnątrz szklanej rurki znajduje się miedziana rurka cieplna. Jest to szczelnie zamknięta miedziana rurka zawierająca niewielką ilość płynu termoprzewodzącego (wody lub mieszaniny glikolu), który pod niskim ciśnieniem wrze w bardzo niskiej temperaturze. Miedziana rura cieplna przenosi energię cieplną z rury słonecznej do miedzianej głowicy. Ponieważ roztwór krąży przez miedzianą rurę rozgałęźną, temperatura wzrasta.
Inne komponenty systemów solarnej wody termalnej, które zawierają miedź, obejmują zbiorniki wymienników ciepła słonecznego i przepompownie słoneczne wraz z pompami i sterownikami.
systemy HVAC
Klimatyzacja i ogrzewanie w budynkach i pojazdach silnikowych to dwa z największych zastosowań wymienników ciepła . Podczas gdy miedziana rura jest używana w większości systemów klimatyzacyjnych i chłodniczych, typowe jednostki klimatyzacyjne wykorzystują obecnie aluminiowe lamele. Systemy te mogą być siedliskiem bakterii i pleśni oraz wytwarzać zapachy i zanieczyszczenia, które mogą sprawić, że będą źle funkcjonować. Rygorystyczne nowe wymagania, w tym wymagania dotyczące zwiększonej wydajności operacyjnej oraz redukcji lub eliminacji szkodliwych emisji, zwiększają rolę miedzi w nowoczesnych systemach HVAC .
Właściwości przeciwdrobnoustrojowe miedzi mogą poprawić wydajność systemów HVAC i związaną z nimi jakość powietrza w pomieszczeniach . Po szeroko zakrojonych testach miedź została zarejestrowana w Stanach Zjednoczonych jako materiał do ochrony powierzchni urządzeń grzewczych i klimatyzacyjnych przed bakteriami, pleśnią i pleśnią . Co więcej, testy sfinansowane przez Departament Obrony Stanów Zjednoczonych wykazały, że klimatyzatory wykonane w całości z miedzi hamują rozwój bakterii, pleśni i pleśni, które powodują nieprzyjemne zapachy i zmniejszają efektywność energetyczną systemu. Jednostki wykonane z aluminium nie wykazały tej korzyści.
Miedź może powodować reakcję galwaniczną w obecności innych stopów, prowadząc do korozji.
Gazowe podgrzewacze wody
Podgrzewanie wody jest drugim co do wielkości zużyciem energii w domu. Wymienniki ciepła gaz-woda, które przekazują ciepło z paliw gazowych do wody w zakresie od 3 do 300 kilowatów cieplnych (kWth), mają szerokie zastosowanie w budynkach mieszkalnych i komercyjnych do ogrzewania wody i kotłów grzewczych.
Wzrasta zapotrzebowanie na energooszczędne kompaktowe systemy podgrzewania wody. Bezzbiornikowe gazowe podgrzewacze wody wytwarzają ciepłą wodę w razie potrzeby. Miedziane wymienniki ciepła są preferowanym materiałem w tych jednostkach ze względu na ich wysoką przewodność cieplną i łatwość produkcji. Aby chronić te jednostki w kwaśnym , dostępne są trwałe powłoki lub inne obróbki powierzchni. Powłoki kwasoodporne wytrzymują temperaturę do 1000°C.
Wymuszone ogrzewanie i chłodzenie powietrzem
Powietrzne pompy ciepła są od wielu lat wykorzystywane do ogrzewania i chłodzenia budynków mieszkalnych i komercyjnych. Jednostki te opierają się na wymianie ciepła powietrze-powietrze przez jednostki parownika podobne do tych stosowanych w klimatyzatorach. Żebrowane wymienniki ciepła woda-powietrze są najczęściej stosowane w systemach ogrzewania i chłodzenia z wymuszonym obiegiem powietrza, takich jak wewnętrzne i zewnętrzne piece opalane drewnem, kotły i piece. Mogą być również odpowiednie do zastosowań związanych z chłodzeniem cieczą. Miedź jest określona w kolektorach zasilających i powrotnych oraz w wężownicach rurowych.
Bezpośrednia wymiana (DX) Ogrzewanie/chłodzenie geotermalne
geotermalnej pompy ciepła, zwana różnie „źródłem gruntowym”, „połączeniem z ziemią” lub „wymianą bezpośrednią”, polega na cyrkulacji czynnika chłodniczego przez zakopane miedziane rurki w celu wymiany ciepła. Jednostki te, które są znacznie bardziej wydajne niż ich odpowiedniki zasilane powietrzem, opierają się na stałej temperaturze gruntu poniżej zamarzania w celu wymiany ciepła. Najbardziej wydajne gruntowe pompy ciepła wykorzystują rury miedziane typu ACR, typu L lub rurki miedziane o specjalnych rozmiarach zakopane w ziemi w celu przesyłania ciepła do lub z klimatyzowanej przestrzeni. Elastyczna rura miedziana (zwykle od 1/4 cala do 5/8 cala) może być zakopywana w głębokich otworach pionowych, poziomo w stosunkowo płytkiej siatce, w pionowym układzie przypominającym ogrodzenie w wykopach o średniej głębokości lub w niestandardowych konfiguracjach . Dostępne są dalsze informacje.
Systemy elektroniczne
Miedź i aluminium są używane jako radiatory i rurki cieplne w elektronicznych aplikacjach chłodzących. Radiator to element pasywny, który chłodzi urządzenia półprzewodnikowe i optoelektroniczne poprzez rozpraszanie ciepła do otaczającego powietrza. Radiatory mają temperaturę wyższą niż otaczające je środowisko, dzięki czemu ciepło może być przenoszone do powietrza przez konwekcję , promieniowanie i przewodzenie .
Aluminium jest najczęściej używanym materiałem radiatora ze względu na jego niższy koszt. Miedziane radiatory są koniecznością, gdy potrzebne są wyższe poziomy przewodności cieplnej. Alternatywą dla całkowicie miedzianych lub całkowicie aluminiowych radiatorów jest połączenie aluminiowych żeber z miedzianą podstawą.
Miedziane radiatory są odlewane ciśnieniowo i łączone w płyty. Szybko rozprowadzają ciepło ze źródła ciepła na miedziane lub aluminiowe żebra i do otaczającego powietrza.
Rury cieplne służą do odprowadzania ciepła z jednostek centralnych (CPU) i procesorów graficznych (GPU) do radiatorów, gdzie energia cieplna jest rozpraszana do otoczenia. Miedziane i aluminiowe rurki cieplne są szeroko stosowane w nowoczesnych systemach komputerowych, w których zwiększone zapotrzebowanie na moc i związana z tym emisja ciepła skutkują większymi wymaganiami wobec systemów chłodzenia.
Rura cieplna zazwyczaj składa się z uszczelnionej rury lub rurki zarówno na gorącym, jak i zimnym końcu. Rury cieplne wykorzystują chłodzenie wyparne do przenoszenia energii cieplnej z jednego punktu do drugiego poprzez odparowanie i skraplanie płynu roboczego lub chłodziwa. Zasadniczo lepiej przewodzą ciepło na większe odległości niż radiatory, ponieważ ich efektywne przewodnictwo cieplne jest o kilka rzędów wielkości większe niż w przypadku równoważnego przewodnika stałego.
Gdy pożądane jest utrzymanie temperatury złącza poniżej 125–150 ° C, zwykle stosuje się miedziane/wodne rurki cieplne. Miedziane/ metanolowe rurki cieplne są używane, jeśli aplikacja wymaga pracy rurek cieplnych w temperaturze poniżej 0°C.
Nowe technologie
Wewnętrznie rowkowane
Korzyści płynące z rur miedzianych z rowkami wewnętrznymi o mniejszej średnicy do wymiany ciepła są dobrze udokumentowane.
Wężownice o mniejszej średnicy mają lepsze współczynniki wymiany ciepła niż wężownice o konwencjonalnych rozmiarach, dzięki czemu mogą wytrzymać wyższe ciśnienia wymagane przez nową generację przyjaznych dla środowiska czynników chłodniczych. Wężownice o mniejszej średnicy mają również niższe koszty materiałowe, ponieważ wymagają mniej czynnika chłodniczego, żeber i materiałów wężownicy; i umożliwiają projektowanie mniejszych i lżejszych, wysokowydajnych klimatyzatorów i lodówek, ponieważ wężownice parowników i skraplaczy są mniejsze i lżejsze. MicroGroove wykorzystuje rowkowaną wewnętrzną powierzchnię rury, aby zwiększyć stosunek powierzchni do objętości i zwiększyć turbulencje w celu wymieszania czynnika chłodniczego i ujednolicenia temperatur w rurze.
drukowanie 3d
Nową technologią wytwarzania wymienników ciepła jest druk 3D . Dzięki drukowaniu 3D możesz tworzyć złożone formy i kanały wewnętrzne. Skutkuje to wysoką wydajnością wymienników ciepła. Drukowany wymiennik ciepła przeznaczony jest głównie dla przemysłu. Wymienniki ciepła mogą być drukowane z czystej miedzi, stopu CuCrZr i CuNi2SiCr.