Warum werden Kupferrohre in Gegenstromwärmetauschern verwendet?
Könnte ich die Wärmeübertragung verbessern, indem ich ein Rohr aus einem anderen Material verwende?
Was uns normalerweise bei der Auswahl eines Materials für einen Wärmetauscher wichtig ist, ist seine Wärmeleitfähigkeit. Je höher die Wärmeleitfähigkeit, desto einfacher ist es, Wärme zwischen den beiden Flüssigkeiten zu übertragen. Dies bedeutet, dass wir entweder (a) einen größeren Temperaturunterschied mit einem Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit in einem Wärmetauscher einer bestimmten Größe erzeugen können oder (b) einen kleineren Wärmetauscher für einen bestimmten Temperaturunterschied verwenden können.
Diese Tabelle zeigt eine Liste der Wärmeleitfähigkeiten üblicher Materialien in . Leider kann es nicht in der Reihenfolge vom höchsten zum niedrigsten sortiert werden. Wenn Sie es jedoch durchsuchen, sehen Sie, dass das höchste ist, das sie auflisten aus Diamant ( ). Ein Wärmetauscher aus Diamant wäre zwar sehr cool, aber auch sehr teuer. Die nächsthöheren Wärmeleitfähigkeiten nach Kupfer sind für Silber und Gold, die ebenfalls nicht billig sind.
Es gibt jedoch einen wichtigen Fall, in dem die Verwendung von Kupfer trotz seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und relativ geringen Kosten nicht akzeptabel ist. Wie dieses Dokument (2-seitiges PDF) zeigt, reagiert Kupfer schlecht mit Ammoniak, das immer noch häufig als Kältemittel (bekannt als R717) verwendet wird, insbesondere in industriellen Anwendungen, in denen eine große Menge Kältemittel benötigt wird (es ist billig) und die Toxizität (biologisch, nicht umweltbezogen) ist kein Thema. Sie werden es nicht in Ihrem Kühlschrank finden, aber es ist wahrscheinlich das, was die Eisbahn in Ihrer Nähe kühlt (oder es wird bald sein). In diesem Fall würden wir also ein Material mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit auswählen der Verwendung von Kupfer vorzuziehen und das Ammoniak durch das System korrodieren zu lassen.
Wenn Ihre Frage lautet: "Gibt es für eine bestimmte Oberfläche und Wandstärke etwas, das besser funktioniert als Kupfer?", Lautet die Antwort:
"Wenn Sie nicht bereit sind, Ihren Wärmetauscher aus Diamant oder Silber herzustellen, nein."
Wenn Sie Ihre Frage jedoch geringfügig in "Ist ein anderes Material als Kupfer manchmal effektiver" ändern, lautet die Antwort manchmal "Ja". Zumindest Aluminium und Stahl sind in einigen Fällen potenzielle Starter, und andere Materialien können es sein.
"Wirksamkeit" kann je nach Anforderung auf verschiedene Arten gemessen werden.
Ein CFHE (Counter Flow Heat Exchanger) mit einer bestimmten Wärmeleistung kann kostengünstiger sein, wenn er aus einer Form von Eisen oder Stahl mit einem TC von 15% bis 20% Kupfer hergestellt wird. Dies würde eine fünfmal höhere Zahl für wall_area / wall_thickness erfordern als für Kupfer. Wenn Größe und Gewicht keine oder nur eine geringe Rolle spielen, kann es akzeptabel sein, sie nur mit einer wesentlich geringeren Materialrechnung zu vergrößern. (z. B. In vielen HLK-Situationen, in denen der Platz nicht äußerst kritisch ist und zusätzliches Gewicht akzeptabel ist, wäre ein verzinkter Wärmetauscher aus Eisenkanälen akzeptabel, wenn die Kosten insgesamt erheblich niedriger wären.)
Die folgende Tabelle 1 ist eine sortierte Teilmenge der Tabelle in der von Trevor zitierten Referenz. Ich habe es eingestellt, als die Wärmeleitfähigkeiten auf mit ziemlicher Sicherheit unpraktische Werte abfielen.
Es ist ersichtlich, dass Stähle TCs haben, die 5+ x schlechter sind als Kupfer.
Aluminium ist ungefähr halb so gut.
Die nachstehende Tabelle 2 gibt die spezifischen Gewichte für einige Metalle an.
Kupfer und Aluminium haben SGs von 8,96 bzw. 2,7. dh für ein Metallstück mit gegebenen Abmessungen wiegt Cu 8,96 / 2,7 = 3,3+ mal so viel.
Aluminium
Vereinfacht gesagt müsste ein Al-Wärmetauscher mit gleicher Leistung und gleicher Metalldicke doppelt so groß sein wie Cu - aber ES WÜRDE 2 / 3,3 = ~ 60% des Gewichts eines Cu-Wärmetauschers wiegen. Wenn also das Gewicht wichtiger als die Größe war und der Korrosionsschutz angemessen war, kann Al in diesem Fall "besser als" Cu sein. Noch besser - in dem unwahrscheinlichen Fall, dass Sie das Metall auf die Hälfte der Kupferdicke verdünnen könnten, so dass der Wärmewiderstand der gleiche wie bei Cu ist, würde das Gewicht ungefähr 1/2 x 1 / 3,3 = ~ 15% des Gewichts von betragen Cu. In der Praxis wird der vereinfachte Fall durch verschiedene Effekte zweiter Ordnung kompliziert (z. B. erfordert die Herstellung wahrscheinlich unterschiedliche Methoden), aber es kann durchaus möglich sein, ein Al-CFHE mit einer geringeren Masse als ein funktional äquivalentes Kupfer aufzubauen.
Stahl oder Eisen
Stahl hat typischerweise eine etwas geringere Dichte als Kupfer.
Die Wärmeleitfähigkeit von Eisen in Tabelle 1 ist als 20% derjenigen von Kupfer angegeben, und verschiedene Stähle liegen typischerweise im Bereich von 10% bis 15%. Es ist wahrscheinlich, dass ein Material auf Stahlbasis mit einem TC von etwa 20% desjenigen von Cu hergestellt werden könnte.
Ein solches Material hat keine Aussicht, mit Cu in einem CFHE auf Gewichts- oder Volumenbasis zu konkurrieren - hat jedoch gute Gewinnchancen auf Kostenbasis, abhängig von verschiedenen Gewichtungen. Stahl ist in einer Vielzahl von Dicken und Blechgrößen sehr leicht erhältlich und lässt sich industriell leichter verbinden und versiegeln als Kupfer. Kupferlote gut. Es kann geschweißt oder gelötet werden. Stahl ist im Allgemeinen nicht so lötbar, aber die geringere Wärmeleitfähigkeit hilft beim Löten und kann punktgeschweißt, geschweißt, gelötet und mehr werden.
In HLK-Anwendungen, bei denen Größe und Gewicht keine großen Rolle spielen, kann Stahl wahrscheinlich kostengünstig für die Verwendung von CFHE verwendet werden.
Einige andere Materialien in Tabelle 1 weisen gegenüber Stahl eine überlegene Wärmeleitfähigkeit auf, können jedoch aus Preis- oder anderen Gründen unattraktiv sein.
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Nein, kein Material. Nur Materialien mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als Kupfer erhöhen die Wärmeübertragungsrate. In einigen Fällen können Sie eine bessere Wärmeübertragung erzielen, indem Sie ein stärkeres Material verwenden, das zu einem dünneren Rohr geformt werden kann. Im Allgemeinen ist es jedoch besser, die Wärmeleitfähigkeit zu wählen.
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