摘要
對管殼式換熱器，在管材上采用奧氏體不鏽鋼，普通黃銅及工業純
銅三種材質，探討采用何種材質最佳。
關鍵詞：管殼式換熱器不鏽鋼黃銅純銅選擇
一、前言
管殼式換熱器的殼體，封頭及管板，這些 較厚的部件一般都采用碳鋼製成；管材目前 已很少用碳鋼，多用奧氏體不鏽鋼或普通黃銅，最近有的廠家采用工業純銅。這三種材質 在物理性能、機械性能、化學性能及資源與價 格上都有差異。本文將其主要有關性能進行比較，從而對選材問題進行探討。
這三種材料品種規格較多，以下奧氏體不鏽鋼以AISI306為代表；工業純 銅以二號銅（T2）為代表；普通黃銅以三七銅 （H68）為代表。這三種牌號也是換熱器上最常 用的其主要化學成分列於表-。
表-材料主要化學成分
二、導熱性能的比較
三種材料的導熱係數!值相差很大，
對比列於表1。純銅最突出的特點是導電 及導熱性能好，它的導電性和導熱性在所有金屬中僅次於銀，居第二位。從表2看出，若 按-100℃來比較，H68的導熱係數為不鏽鋼的7.4倍，而純銅為不鏽鋼的21.9倍。
表!材料導熱係數的對比
1、對傳熱效果的影響
黃銅的導熱係數比不鏽鋼大7倍多，純 銅則為20幾倍，在對流換熱中，相同的受熱麵積，銅管是否其傳熱量也比不鏽鋼大相同 的倍數呢？
並非如此，因為影響對流換熱的傳 熱量和傳熱效率的因素是其傳熱係數K。K值 的大小，與高溫側換熱係數ah；低溫側換熱係 數ac；高溫側與低溫側的汙垢係數§h和§c #9；以 及管壁熱阻δ/λ（δ為管壁厚度）有關，熱阻越 大，換熱器的傳熱效率越差。
一般黃銅管壁厚為2mm ；其管壁熱阻’ 而不 鏽鋼管壁厚為0.5mm或0.6mm，則其管壁熱阻0.0006/17.3=3.47×10-5 .℃/ w也 就是管壁熱阻不鏽鋼僅為黃銅的2.2倍。 更重要的是，計算K值時最主要的熱阻 是膜熱阻1/аh及1/аe；其次是汙垢熱阻1/§h)及1/§c而δ/λ最小，常可略而不計。例如：水 ―水換熱器，設水側放熱係數均為6000w/ .℃,取汙垢係數§h=§e=1000 w/ .℃；不鏽鋼及工業純銅管厚均為0.0006mm；而黃銅管厚為2mm。則膜熱阻2*1/6000 w/ .℃；汙垢熱阻為2*1/1000 w/ .℃。而不鏽鋼的管壁熱阻 為3.47×10-5黃銅為1.56×10-5；純銅則為1.58×10-6 w/ .℃。 從以上計算數值可以明顯看出，雖然銅 的導熱係數比不鏽鋼大的多，但由於計算K 值時管壁熱阻很小，因此對對流換熱的影響 極微。 此外，金屬表麵狀態對傳熱速度的影響 很顯著。換熱器運行一定時間以後，金屬表 麵都會形成一層膜，不鏽鋼表麵生成極薄的 純化膜，它對傳熱的影響極微，而黃銅的表 麵生成了具有一定厚度的氧化膜，它一方麵 起到對腐蝕的阻抑作用，同時也對傳熱過程 造成了附加熱阻。有的學者用304不鏽鋼與 含砷海軍黃銅（也為三七銅，但含砷，成分為Cu 70% Zn 29%；As 0.02~0.01%），在同一 換熱器中進行兩年試驗結果%如圖)
所示：
 在240天以前，海軍黃銅的傳熱速度大 於304不鏽鋼，240天以後則相反，304不鏽 鋼優於海軍黃銅。 2.對冷凝傳熱的影響 有些換熱器是冷卻汽態介質，使之冷凝， 這種換熱器最常用於製冷設備。冷凝傳熱一 般為膜狀冷凝，其冷凝
傳熱係數約為5000w/ .℃；也有的換熱器采用珠狀冷凝，其 冷凝傳熱係數比膜狀冷凝傳熱係數大10倍， 約為50000w/ .℃左右。
珠狀冷凝發生在塗有極薄助聚劑的銅表 麵上，開始在表麵的坑窪處匯聚直徑為10-6m量級的極小液滴。當液滴表麵的過冷度0. 3度時，出現大量的極小液滴，其數量可達 每 2有108個液滴，此時冷凝通過微點的表麵直接發生，這就是珠狀冷凝傳熱係數很大的原因,
形成球狀冷凝的金屬冷凝表麵必須是銅 或銀等導熱性極其良好的材質，也有用真空 鍍層的方法，將很薄的一層金鍍在冷凝表麵，
也可取得良好效果。但金、銀都是極貴重的金 屬，故一般都用銅，當然用工業純銅最佳。
三、機械性能的比較
三種材質，由於品種不同，其化學成分有 差異：是原材料、板材、帶材、還是管材的不 同；交貨方式不同，如是經熱處理交貨還是不經熱處理交貨，有色金屬是軟狀態，還是硬狀 態交貨等等，其各種材質的機械強度都有差 別，一般而言如表0所示。
表0機械強度的對比
奧氏體不鏽鋼的強度最好，塑性很高， 可製成薄壁波節管，由於是鋼材，焊接性能最好。工業純銅具備優良的加工成形性和可 焊性，也可製成薄壁波節管，其焊接性能不 如不鏽鋼。而普通黃銅一般都要具有較厚的管壁，不能製成薄壁波節管，但可以製成管 外有螺旋狀的凹槽，管內有螺旋狀凸出的螺 紋管。 、波節管換熱器與螺紋管換熱器波節管又稱為波紋管換熱器（見圖2a）， 是由管內向外頂擠管壁，使管壁向外凸起， 而壓製成依次交替的直管段和弧形管段的波節型管道。流體在弧形管段中流動時，流 速降低，靜壓增加；在直線管段中流動時，流 速增加而靜壓減少。流體在弧形段進口處發生噴射效應，而在出口處則發生節流效應。 流體在直線段與弧形段周期性地變換，而產 生劇烈的旋渦而破壞邊界層，強化傳熱的效果顯著，同時有良好的阻垢和除垢能力。波 節管換熱器隻能由薄壁的不鏽鋼管或工業 純銅製成，壁厚較厚的普通黃銅管難以成型。
螺紋管又稱螺紋槽管（見圖2b），
它雖然 也有使邊界層減薄，也有強化傳熱的作用，但 不如波節管，其阻垢及除垢能力也很薄弱。因 此，在加熱用的換熱器上它不如波節管。但是 在用以冷凝介質的換熱器中采用螺紋管，不 僅管內凸起的螺紋，使流體的邊界層減薄而 強化傳熱外，而且管內靠近壁麵處的部分流 體順槽旋轉有利於減薄流體邊界層，同時螺 旋槽成為排泄凝液的通道，可使凹槽兩邊的 冷凝液膜減薄，減少熱阻，強化傳熱效果顯 著。一般螺紋管由厚壁黃銅管製成，而不鏽鋼 管難以成型。
2、翅片管的選材 為了強化傳熱，可在管子外表麵上增加 翅片，可增加受熱麵，同時提高放熱係數，這 種管子稱為翅片管。翅片管對於空氣預熱器 十分有利，因為空氣在管外，其對流放熱係數 很小，管內流體的放熱係數為管外空氣側的 &")!""倍，在管外加翅片後，不僅由於攏動 而提高了放熱係數，而且使傳熱麵積可增加 為管內表麵積的&$)!$倍。純銅管可以製成 高翅片和低翅片管，而黃銅管一般隻製成低 翅片管。不鏽鋼管不僅隻能製成低翅片管，而 且製造尺寸有限製，不如黃銅管。
四、耐腐蝕及耐蝕損能力的比較 純銅具有很高的化學穩定性，在大氣、 淡水和冷凝水中都有良好的抗蝕性，但在海 水中的抗蝕性較差，易被腐蝕。由於銅的標 準電極電位比氧高，在一般碳溶液中不能置 換出氫，故在大多數不含氧或空氣的非氧化 性酸（如氫氟酸、鹽酸等）溶液中幾乎不被腐 蝕，但在氧化性的硝酸、濃硫酸，以及各種鹽 類，如氨鹽、氯化物、碳酸鹽等溶液中易被
腐蝕。黃銅在大氣中的耐蝕性不如純銅，但在 含硫化氫的大氣中，隨著含鋅量的增加，抗蝕 性也增高。對溫水的耐蝕性很高。在無
機溶 液，特別是硫酸、鹽酸中抗蝕性極低。 黃銅在大氣中的耐蝕性不如純銅，但在 含硫化氫的大氣中，隨著含鋅量的增加，抗蝕
性也增高。對溫水的耐蝕性很高。在無機溶 液，特別是硫酸、鹽酸中抗蝕性極低。
奧氏體不鏽鋼一般而言，除氯離子應力 腐蝕開裂外，耐蝕損性能比銅及黃銅都好。從 表*冷凝管材相對抗蝕損對比的材料!也可以看出。表中抗蝕損能力的強弱以數碼表示， 數碼越小能力越弱，數碼越大表示能力越 強。 所謂蝕損包括腐蝕、衝蝕、磨損和微振磨損等引起的金屬消耗，表&中主要列出腐蝕 與衝蝕的形式。
銅材及不鏽鋼材都有應力腐蝕開裂問 題，但其環境不同，奧氏體不鏽鋼是氯離子的 應力腐蝕開裂；而銅及銅合金主要是銨離子的應力腐蝕開裂。 特殊黃銅的采用 普通黃銅是以銅鋅為主的二元合金，若 為了改善其性能，再加入少量其他元素的黃 銅，稱為特殊黃銅，也稱複雜黃銅。在換熱器 的材質中有時也采用特殊黃銅。 為了提高黃銅的抗蝕損能力，於黃銅中 加少量的鎳，就成為鎳黃銅，例如牌號為HNi65-5的鎳黃銅，其成分為Cu 64 ~ 67% Ni 5 ~ 6.5%。從表&可以看出鎳 黃銅的抗蝕損能力，每項都強於普通黃銅。在 三七黃銅中加砷後可耐海水腐蝕如：70/30 砷黃銅（三七銅加0. 002~0. 006%砷）或海軍 黃銅（Cu 71 Zn 28 Sn 1 As 0.04）。
2.氨對銅材的腐蝕問題 防止氨對銅材的腐蝕，是銅材最突出的問題，一般在氨的氣氛中應盡量避免用銅材， 例如在氨製冷的冷凝設備中。這是由於有氨 存在，特別是有氧同時存在時，Cu變成,Cu2+與氨形成四氨合銅鉻離子[Cu(NH3)2+4]。一般來說供熱係統不存在氨，但在特殊 情況下，也有存在的可能。例如，有些地區地 下水中堿度很高，低壓鍋爐有時采用銨―鈉離子交換軟化，經銨離子交換的水，其暫硬成 為重碳酸銨 (NH4HCO3)受熱後重碳酸銨分 解： 起到部分除堿和脫鹽的作用，這時鍋爐 的汽或水中有可能有氨存在。
3、奧氏體不鏽鋼的氯離子應力腐蝕開裂 問題 防止氯離子應力腐蝕開裂，是奧氏體鋼最突出的問題。產生氯離子應力腐蝕開裂，必 須是有拉應力及氯離子同時存在，並且與溫 度有關。在換熱器中雖然拉應力不太大，但一 般都有拉應力存在，因此，是否可以防止這種 開裂的產生，主要就看溫度與氯離子含量。 在奧氏體不鏽鋼中加鉬就成為316,316比304有更強的耐氯離子應力腐蝕 開裂的能力。
丹麥對區域供熱係統中水質的要求比較 嚴格，其在不同溫度下對水中氯化 物含量的要求!。當采用304不鏽鋼，而水溫≤95度時；當
采用316不鏽鋼，而水溫≤130度時，不論氯化物含量高低都無應力腐蝕。
五、關於流速的限製問題 衝蝕是指由於高速流體，特別是含有固 體細粒的高速流體衝刷傳熱表麵而引起的磨 損，防止衝蝕常采用限製流速的方法，材質耐 衝蝕的性能不同，其允許最大流速也不相 同。表5所示為三類材質最大水流速的限製 數值
一般換熱器在壓降允許的條件下，希望 流速大些，因為可以提高傳熱係數，而降低造 價。當管內、外換熱係數相差較大時，增加換
熱係數小的一側的流速，可以有效地提高傳熱效率。水流速越慢，結垢而使熱阻增加的可 能性也較大。當然流速也不易過高，不僅流速 過高，壓降過大，而且有時還會對換熱器的結構上帶來不利，例如，為了獲取高流速，需要 管子數目較少，為達到所需要的傳熱麵積，就 不得不采用長管或增加管程。若流入的水是 含有溶解氧的，則水流速度高時，溶解氧容易 得到補充，可能產生衝刷腐蝕和入口管端的 腐蝕。對管殼式換熱器一般要求管程水流速 達1~2.5m/S，殼程達0.5~1.5m/S。顯然 采用黃銅，特別是純銅，難以達到較高流速， 而限製了在板式換熱器和汽水換熱器上使 用。
六、資源及價格的比較 從資源的角度來看，銅在地殼中的儲量 畢竟有限，因此，其使用範圍受到一定的限 製，但是還有價格這個經濟因素。以上所述的 各種管材，鈦最貴這是可以肯定的；為了降低 其價格，多采用焊接管，焊接管比無縫管便 宜。銅材及不鏽鋼材的價格難以比較，因為除 了材質而外，加工方式不同，加工費用也不 同；材料價格都是以重量噸為單位，管材厚度 不同，費用也不相同；管理機製及方法不同， 成本也不相同。更重要的是市場還存在供需 關係。一般而言316L不鏽鋼及銅材略貴於304不鏽鋼。
七、結論
不鏽鋼、普通黃銅及工業純銅都是製 造換熱器的良好材料，選用何種材料應進行 全麵的技術經濟比較確定。加熱用的換熱器 應優先采用不鏽鋼；冷凝用的換熱器應優先 使用黃銅螺紋管；球狀冷凝的換熱器應采用 工業純銅。不鏽鋼的強度、耐蝕損性能都比銅材 好，允許最大流速遠大於銅材，因此最多采 用。但應注意防止產生氯離子應力腐蝕開 裂。一般水溫≤95度時可采用304不鏽鋼；水 溫 95≤130時可采用316,或316L不鏽 鋼；水溫 95≤130且Cl -=50ppm時亦 可采用304不鏽鋼。 銅材的導熱係數比不鏽鋼大得多，但管壁熱阻在熱阻總值中所占分額很小，因而 對傳熱係數的影響很不顯著。有氨的環境中 不得用銅材。為了改善性能可采用特殊黃銅，防止海水腐蝕，推薦用加砷黃銅；提高耐蝕損 能力建議采用鎳黃銅。工業純銅機械性能不 高，耐蝕損能力低，但製翅片管或彈簧狀盤管有其有利之處，此外非特殊要求不宜多采用。
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