Projektējot siltummaini, kas darbojas ar tīru, aukstu ūdeni, viens no lielākajiem šķēršļiem efektīvai siltuma plūsmai bieži vien ir pati caurules siena. Augsti vadoša caurules materiāla izvēle var ievērojami uzlabot siltuma pārneses efektivitāti un samazināt siltummaiņa izmēru. Tāpēc nerūsējošā tērauda cauruļu aizstāšana ar augstas -vadītspējas vara sakausējumu ir viens no efektīvākajiem veidiem, kā izveidot kompaktāku un atsaucīgāku zemas-temperatūras siltummaini.
Salīdzinājums arfosforizēts varš pret nerūsējošā tērauda siltumvadītspējuizceļ galveno inženiertehnisko kompromisu starp termisko veiktspēju un izturību pret koroziju.
Izpratne par fosforu{0}}deoksidētu varu
Kas ir DHP varš?
Fosfora-deoksidēts varš, ko parasti sauc par DHP varu, ir komerciāli tīrs vara sakausējums, kas satur ļoti mazu fosfora piedevu. Fosfors uzlabo lodēšanas un metināšanas īpašības, samazinot skābekļa saturu metāla konstrukcijā.
Pateicoties lieliskajai formējamībai un termiskajai veiktspējai, DHP varš tiek plaši izmantots:
Sadzīves ūdens cauruļvadi
Saldēšanas kondensatori
HVAC siltummaiņi
Dzesēšanas spoles
Zemas-temperatūras šķidruma sistēmas
Materiāls apvieno augstu siltumvadītspēju ar salīdzinoši vieglu izgatavošanu un savienošanu.
Siltumvadītspējas salīdzinājums
Varš pret nerūsējošo tēraudu
DHP vara galvenā priekšrocība ir tā īpaši augstā siltumvadītspēja. Aptuveni 20 grādu temperatūrā fosfora -deoksidētais varš parasti uzrāda siltumvadītspēju netālu no:
kDHP Vara≈340 W/(m⋅K)k_{\\mathrm{DHP\\ Copper}} \\aptuveni 340\\ \\mathrm{W/(m\\cdot K)}kDHP Vara≈340 W/(m⋅K)
Salīdzinājumam, standarta 316L nerūsējošais tērauds vada siltumu tikai:
k316L≈16 W/(m⋅K)k_{\\mathrm{316L}} \\aptuveni 16\\ \\mathrm{W/(m\\cdot K)}k316L≈16 W/(m⋅K)
Tas nozīmē, ka varš pārnes siltumu caur sienu aptuveni divdesmit reizes efektīvāk nekā 316L nerūsējošais tērauds.
Varš ir termiskā supermaģistrāle, salīdzinot ar tērauda līkumaino joslu. Siltums ātri pārvietojas pa vara caurulēm ar minimālu temperatūras kritumu visā caurules sieniņā.
DHP vara siltumvadītspēja nedaudz samazinās, paaugstinoties temperatūrai, taču tā joprojām ir ievērojami augstāka nekā nerūsējošā tērauda vairumā zemas temperatūras -temperatūras darbības apstākļu.
Kāpēc siltumvadītspēja ir svarīga siltummaiņos
Sienu pretestības samazināšana
Cauruļveida siltummainī termiskā pretestība nāk no vairākiem avotiem:
Karstā -puses šķidruma plēve
Caurules siena
Aukstā -pusējā šķidruma plēve
Piesārņojošie slāņi
Ja abās pusēs tiek izmantots tīrs ūdens, caurules sienas pretestība kļūst par svarīgu kopējā siltuma pārneses ceļa daļu.
Vadošo siltuma plūsmu caur sienu var raksturot šādi:
q=kAΔTLq=\\frac{kA\\Delta T}{L}q=LkAΔT
kur augstāka siltumvadītspēja nodrošina lielāku siltuma pārnesi caur to pašu sienu biezumu.
Tā kā DHP varš tik efektīvi vada siltumu, sienas pretestība kļūst ārkārtīgi maza salīdzinājumā ar nerūsējošo tēraudu.
Ietekme uz siltummaiņa izmēru
Kompakti dizaini kļūst iespējami
Dramatiskā atšķirībafosforizēts varš pret nerūsējošā tērauda siltumvadītspējuļauj vara siltummaiņiem sasniegt tādu pašu dzesēšanas pienākumu, izmantojot daudz mazāk materiālu un mazāku virsmas laukumu.
Tikai cauruļu sienas pretestības daļai vara siltummainim teorētiski var būt nepieciešama tikai daļa no nerūsējošajam tēraudam nepieciešamās platības.
Tomēr praksē kopējais siltummaiņa izmēra samazinājums nav divdesmit{0}}kārtīgs, jo ūdens-puses plēves koeficienti joprojām ierobežo kopējo siltuma pārneses veiktspēju.
Šķidruma robežslāņi katrā caurules pusē rada papildu pretestību, ko nevar novērst pat perfekta vadītspēja.
Tā rezultātā faktiskais siltummaiņa izmēra samazinājums parasti ir tuvāks:
Divas līdz trīs reizes mazāks
Mazāks kopējais svars
Samazināts materiālu patēriņš
Kompaktāks uzstādīšanas laukums
Pat šis reālistiskākais uzlabojums joprojām ir ārkārtīgi nozīmīgs saldēšanas, atdzesētā ūdens un kompakto procesu dzesēšanas sistēmu jomā.
Lietojumprogrammas, kur varš Excels
Tīra ūdens un saldēšanas sistēmas
DHP varš darbojas ārkārtīgi labi sistēmās, kurās tiek izmantoti tīri, -nekorozīvi šķidrumi.
Kopējās lietojumprogrammas ietver:
Saldēšanas kondensatori
Sadzīves ūdens siltummaiņi
HVAC iztvaicētāji
Dzesētā ūdens sistēmas
Siltumsūkņi
Zemas{0}}temperatūras dzesēšanas cilpas
Materiāla augstās vadītspējas un labas izgatavojamības kombinācija padara to īpaši pievilcīgu tur, kur prioritāte ir kompaktums un energoefektivitāte.
Korozijas ierobežojums
Termiskā veiktspēja pret ķīmisko izdzīvošanu
Neskatoties uz izcilo vadītspēju, vara darbojas slikti daudzās agresīvās ķīmiskās vidēs.
Vara piedāvā ierobežotu izturību pret:
Spēcīgas skābes
Sārmu šķīdumi
hlorīdu{0}}bagāti šķidrumi
Oksidējošās ķīmiskās sistēmas
amonjaku{0}}saturoša vide
Šajos lietojumos korozija var ātri sabojāt vara caurules, izraisot noplūdi un piesārņojumu.
316L nerūsējošais tērauds, lai gan tas ir daudz mazāk vadošs, nodrošina ievērojami labāku ķīmisko izturību daudzās rūpniecisko procesu vidēs.
Tāpēc nerūsējošais tērauds joprojām tiek plaši izmantots:
Ķīmiskās pārstrādes rūpnīcas
Farmaceitiskās sistēmas
Jūras dzesēšanas iekārtas
Skābju apstrādes sistēmas
Kodīgo procesu apmainītāji
Augstākā izturība pret koroziju bieži pārsniedz termisko trūkumu.
Materiālu izvēles kompromisi
Inženierzinātnes ir prioritāšu līdzsvars
Izvēloties siltummaiņa materiālus, vienmēr ir jāsabalansē vairāki konkurējoši faktori:
Siltumvadītspēja
Izturība pret koroziju
Mehāniskā izturība
Izmaksas
Izgatavošanas sarežģītība
Kalpošanas laiks
Varš palielina termisko efektivitāti, bet upurē ķīmisko izturību. Nerūsējošais tērauds iztur ķīmiski agresīvu vidi, bet siltumu pārnes daudz mazāk efektīvi.
Galīgā izvēle lielā mērā ir atkarīga no šķidruma ķīmijas un darbības vides, nevis tikai no vadītspējas.
Secinājums
Fosfora-deoksidētais varš joprojām ir viens no labākajiem-praktiskajiem siltummaiņa materiāliem tīram-ūdens un zemas{3}}temperatūras apkalpošanai. Ar siltumvadītspēju gandrīz 340 W/m·K istabas temperatūrā, DHP varš pārnes siltumu aptuveni divdesmit reizes efektīvāk nekā 316 l nerūsējošais tērauds, nodrošinot kompaktu, vieglu un ļoti efektīvu siltummaiņu dizainu.
Lai gan reālo -pasaules siltummaiņa izmēru samazināšanu regulē šķidruma-puses siltuma pārneses ierobežojumi, vara sistēmas joprojām parasti samazina izmēru divas līdz trīs reizes, salīdzinot ar nerūsējošā tērauda alternatīvām. Tas padara varu īpaši vērtīgu saldēšanas kondensatoros, HVAC sistēmās un sadzīves ūdens iekārtās.
Tomēr vara izcilajai vadītspējai ir liels ierobežojums: slikta izturība pret agresīvu ķīmisko vidi. Kad procesā nonāk skābes, sārmi vai kodīgi piesārņotāji, nerūsējošais tērauds bieži kļūst par izturīgāku izvēli, neskatoties uz daudz zemāku vadītspēju.
Termiskās sistēmas projektēšanā materiālu izvēle joprojām ir nemainīgs līdzsvars starp siltuma pārneses veiktspēju un ķīmisko vielu izdzīvošanu. Varš var dominēt tīra-ūdens siltuma apmaiņas pasaulē, taču korozija galu galā nosaka, kur šī dominēšana var turpināties.
