摘要
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：
 在240天以前，海军黄铜的传热速度大 于304不锈钢，240天以后则相反，304不锈 钢优于海军黄铜。 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
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2b），
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。
2、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 纯铜具有很高的化学稳定性，在大气、 淡水和冷凝水中都有良好的抗蚀性，但在海 水中的抗蚀性较差，易被腐蚀。由于铜的标 准电极电位比氧高，在一般碳溶液中不能置 换出氢，故在大多数不含氧或空气的非氧化 性酸（如氢氟酸、盐酸等）溶液中几乎不被腐 蚀，但在氧化性的硝酸、浓硫酸，以及各种盐 类，如氨盐、氯化物、碳酸盐等溶液中易被
腐蚀。黄铜在大气中的耐蚀性不如纯铜，但在 含硫化氢的大气中，随着含锌量的增加，抗蚀 性也增高。对温水的耐蚀性很高。在无
机溶 液，特别是硫酸、盐酸中抗蚀性极低。 黄铜在大气中的耐蚀性不如纯铜，但在 含硫化氢的大气中，随着含锌量的增加，抗蚀
性也增高。对温水的耐蚀性很高。在无机溶 液，特别是硫酸、盐酸中抗蚀性极低。
奥氏体不锈钢一般而言，除氯离子应力 腐蚀开裂外，耐蚀损性能比铜及黄铜都好。从 表*冷凝管材相对抗蚀损对比的材料!也可以看出。表中抗蚀损能力的强弱以数码表示， 数码越小能力越弱，数码越大表示能力越 强。 所谓蚀损包括腐蚀、冲蚀、磨损和微振磨损等引起的金属消耗，表&中主要列出腐蚀 与冲蚀的形式。
铜材及不锈钢材都有应力腐蚀开裂问 题，但其环境不同，奥氏体不锈钢是氯离子的 应力腐蚀开裂；而铜及铜合金主要是铵离子的应力腐蚀开裂。 特殊黄铜的采用 普通黄铜是以铜锌为主的二元合金，若 为了改善其性能，再加入少量其他元素的黄 铜，称为特殊黄铜，也称复杂黄铜。在换热器 的材质中有时也采用特殊黄铜。 为了提高黄铜的抗蚀损能力，於黄铜中 加少量的镍，就成为镍黄铜，例如牌号为HNi65-5的镍黄铜，其成分为Cu 64 ~ 67% Ni 5 ~ 6.5%。从表&可以看出镍 黄铜的抗蚀损能力，每项都强于普通黄铜。在 三七黄铜中加砷后可耐海水腐蚀如：70/30 砷黄铜（三七铜加0. 002~0. 006%砷）或海军 黄铜（Cu 71 Zn 28 Sn 1 As 0.04）。
2.氨对铜材的腐蚀问题 防止氨对铜材的腐蚀，是铜材最突出的问题，一般在氨的气氛中应尽量避免用铜材， 例如在氨制冷的冷凝设备中。这是由于有氨 存在，特别是有氧同时存在时，Cu变成,Cu2+与氨形成四氨合铜铬离子[Cu(NH3)2+4]。一般来说供热系统不存在氨，但在特殊 情况下，也有存在的可能。例如，有些地区地 下水中碱度很高，低压锅炉有时采用铵―钠离子交换软化，经铵离子交换的水，其暂硬成 为重碳酸铵 (NH4HCO3)受热后重碳酸铵分 解： 起到部分除碱和脱盐的作用，这时锅炉 的汽或水中有可能有氨存在。
3、奥氏体不锈钢的氯离子应力腐蚀开裂 问题 防止氯离子应力腐蚀开裂，是奥氏体钢最突出的问题。产生氯离子应力腐蚀开裂，必 须是有拉应力及氯离子同时存在，并且与温 度有关。在换热器中虽然拉应力不太大，但一 般都有拉应力存在，因此，是否可以防止这种 开裂的产生，主要就看温度与氯离子含量。 在奥氏体不锈钢中加钼就成为316,316比304有更强的耐氯离子应力腐蚀 开裂的能力。
丹麦对区域供热系统中水质的要求比较 严格，其在不同温度下对水中氯化 物含量的要求!。当采用304不锈钢，而水温≤95度时；当
采用316不锈钢，而水温≤130度时，不论氯化物含量高低都无应力腐蚀。
五、关于流速的限制问题 冲蚀是指由于高速流体，特别是含有固 体细粒的高速流体冲刷传热表面而引起的磨 损，防止冲蚀常采用限制流速的方法，材质耐 冲蚀的性能不同，其允许最大流速也不相 同。表5所示为三类材质最大水流速的限制 数值
一般换热器在压降允许的条件下，希望 流速大些，因为可以提高传热系数，而降低造 价。当管内、外换热系数相差较大时，增加换
热系数小的一侧的流速，可以有效地提高传热效率。水流速越慢，结垢而使热阻增加的可 能性也较大。当然流速也不易过高，不仅流速 过高，压降过大，而且有时还会对换热器的结构上带来不利，例如，为了获取高流速，需要 管子数目较少，为达到所需要的传热面积，就 不得不采用长管或增加管程。若流入的水是 含有溶解氧的，则水流速度高时，溶解氧容易 得到补充，可能产生冲刷腐蚀和入口管端的 腐蚀。对管壳式换热器一般要求管程水流速 达1~2.5m/S，壳程达0.5~1.5m/S。显然 采用黄铜，特别是纯铜，难以达到较高流速， 而限制了在板式换热器和汽水换热器上使 用。
六、资源及价格的比较 从资源的角度来看，铜在地壳中的储量 毕竟有限，因此，其使用范围受到一定的限 制，但是还有价格这个经济因素。以上所述的 各种管材，钛最贵这是可以肯定的；为了降低 其价格，多采用焊接管，焊接管比无缝管便 宜。铜材及不锈钢材的价格难以比较，因为除 了材质而外，加工方式不同，加工费用也不 同；材料价格都是以重量吨为单位，管材厚度 不同，费用也不相同；管理机制及方法不同， 成本也不相同。更重要的是市场还存在供需 关系。一般而言316L不锈钢及铜材略贵于304不锈钢。
七、结论
不锈钢、普通黄铜及工业纯铜都是制 造换热器的良好材料，选用何种材料应进行 全面的技术经济比较确定。加热用的换热器 应优先采用不锈钢；冷凝用的换热器应优先 使用黄铜螺纹管；球状冷凝的换热器应采用 工业纯铜。不锈钢的强度、耐蚀损性能都比铜材 好，允许最大流速远大于铜材，因此最多采 用。但应注意防止产生氯离子应力腐蚀开 裂。一般水温≤95度时可采用304不锈钢；水 温 95≤130时可采用316,或316L不锈 钢；水温 95≤130且Cl -=50ppm时亦 可采用304不锈钢。 铜材的导热系数比不锈钢大得多，但管壁热阻在热阻总值中所占分额很小，因而 对传热系数的影响很不显著。有氨的环境中 不得用铜材。为了改善性能可采用特殊黄铜，防止海水腐蚀，推荐用加砷黄铜；提高耐蚀损 能力建议采用镍黄铜。工业纯铜机械性能不 高，耐蚀损能力低，但制翅片管或弹簧状盘管有其有利之处，此外非特殊要求不宜多采用。
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