热交换器是传递热量以实现所需加热或冷却的装置。换热器技术的一个重要设计方面是选择合适的材料来快速有效地传导和传递热量。
铜对于热效率高且耐用的热交换器具有许多理想的性能。首先，铜是一种优秀的导热材料。这意味着铜的高导热性允许热量快速通过。热交换器中铜的其他理想性能包括其耐腐蚀性、抗生物污损性、最大容许应力和内压、蠕变断裂强度、疲劳强度、硬度、热膨胀、比热、抗微生物性能、拉伸强度、屈服强度、高熔点、合金化、易于制造和易于连接。
这些特性的结合使得铜能够被指定用于工业设施、暖通空调系统、车辆冷却器和散热器中的换热器，以及作为冷却计算机、磁盘驱动器、电视、计算机监视器和其他电子设备的散热器。[1] 铜也融入到高品质炊具的底部，因为这种金属导热快，使热量分布均匀。
也有非铜热交换器。一些替代材料包括铝、碳钢、不锈钢、镍合金和钛。
本文重点介绍铜的良好特性及其在换热器中的常见应用。还介绍了用于特定应用的新型铜换热器技术。
在过去的几百年里，使用铜及其合金的热交换器随着传热技术一起发展。1769年，铜冷凝管首次用于蒸汽机。起初，管子是由纯铜制成的。到1870年，孟茨金属，一种60%铜-40%锌黄铜合金，被用于海水冷却的冷凝器。海军金属是一种70%铜-30%锌黄铜合金，添加1%锡以提高耐腐蚀性，于1890年引入海水应用。[2] 到20世纪20年代，一种70%铜-30%镍合金被开发用于海军冷凝器。不久之后，为了获得更好的耐腐蚀性，引入了2%锰和2%铁铜合金。90%铜-10%镍合金最早出现在20世纪50年代，最初用于海水管道。这种合金现在是船用换热器中使用最广泛的铜镍合金。
今天，蒸汽、蒸发器和冷凝器盘管由铜和铜合金制成。[3] 这些换热器用于空调和制冷系统、工业和中央供暖和制冷系统、散热器、热水罐和地板下供暖系统。
热导率(k，也称为λ或κ)是材料导热能力的量度。高导热率材料之间的热传递速率高于低导热率材料之间的热传递速率。在国际单位制中，热导率是以瓦特每米开尔文(瓦/(米·克))为单位测量的。在英制测量系统(英制或英制单位)中，热导率是以Btu/(hr•ft⋅F).测量的
铜的热导率为231 Btu/(hr-ft-F)。这比除了贵金属银以外的所有其他金属都高。铜的导热率比铝高60%，比不锈钢高3000%。[5]
| 金属 | 热导率 | |
|---|---|---|
| (Btu/(hr-ft-F)) | (W/(m•K)) | |
| 银 | 247.87 | 429 |
| 铜 | 231 | 399 |
| 金 | 183 | 316 |
| 铝 | 136 | 235 |
| 铜锌合金 | 69.33 | 120 |
| 铸铁 | 46.33 | 80.1 |
| 不锈钢 | 8.1 | 14.0 |
关于所选金属热导率的更多信息是可用的。[7]
在涉及流体的传热应用中，如在热水箱、散热器等中，耐腐蚀性是很重要的的。唯一可提供的与铜具有相似耐腐蚀性的材料是不锈钢。然而，不锈钢的热导率是铜的1/30。铝管不适合应用于饮用水或未经处理的水，因为它在酸碱度小于7.0时会腐蚀并释放氢气。[8][9][10]
铜合金管的内表面可以涂上保护膜，以提高耐腐蚀性。对于某些应用，薄膜由铁组成。在发电厂冷凝器中，采用由内部钛层和外部铜镍合金组成的双管。这使得能够利用铜优良的机械和化学性能(例如应力腐蚀开裂、氨侵蚀)以及钛优异的耐腐蚀性。内部为铝黄铜或铜镍和外部为不锈钢或低碳钢的双管可用于炼油和石油化工行业的冷却。[11]
相对于替代材料，铜和铜镍合金对生物污垢具有高的天然抵抗力。换热器中使用的其他金属，如钢、钛和铝，容易结垢。防止生物污损，特别是在海洋结构件中，可以用铜金属长时间完成。
多年来，铜镍合金已经在海水管道和其他海洋应用中得到证实。这些合金在公海上抵抗生物污染，因为它们不允许微生物粘液积聚并支持大规模污染。[12]
研究人员将铜对生物污损的抵抗力，甚至在温带水域中，归因于两种可能的机制:1)通过腐蚀过程中铜离子的缓慢释放来延缓定殖序列，从而抑制微生物层附着到海洋表面；[13] 和/或，2)分离含有腐蚀性产物的层和巨壳生物的幼虫。[14] 后一种机制阻止了浮游生物幼虫阶段在金属表面的沉降，而不是杀死生物体。
由于铜具有很强的抗菌性能，铜翅可以抑制空调系统中常见的细菌、真菌和病毒生长。因此，铜基换热器的表面比由其他金属制成的换热器清洁更长时间。这一优势大大延长了换热器的使用寿命，并有助于改善空气质量。在一个全尺寸暖通空调系统中，分别由抗菌铜和铝制造的换热器，已经评估了与在正常流速条件下使用单程外部空气下限制微生物生长的能力。常用的铝部件在运行四周内形成了稳定的细菌和真菌生物膜。在同一时期，抗菌铜能够限制减小与铜换热器翅片相关的细菌负荷99.99%，真菌负荷99.74%。[15][16][17]
铜翅空调已经在上海的公共汽车上部署，以快速彻底地杀死细菌、病毒和真菌，这些细菌、病毒和真菌以前在非铜翅上滋生，并被允许在系统中流通。从2010年到2012年，上海市疾病预防控制中心(SCDC)进行了抗菌试验，随后决定用铜代替铝。研究发现，铜翅表面的微生物水平明显低于铝翅表面，从而有助于保护公共汽车乘客的健康。[17][18]
关于抗菌铜在暖通空调系统中的益处的更多信息可以获得。[19][20][21]
直径较小的内螺纹铜管热效率更高，材料效率更高，更容易弯曲和扩口，也更容易使用。用铜(一种非常软的金属)制造内槽管通常更容易。
铜合金广泛用作化石和核蒸汽发电电厂、化学和石化厂、船舶服务和海水淡化厂的换热器管道。
按单位计算，铜合金换热器管道的最大用途是在公用电厂。这些工厂包含表面冷凝器、加热器和冷却器，所有这些都包含铜管。接受汽轮机蒸汽排放的主表面冷凝器使用最多的铜。[2]
铜镍是一组合金，通常用于海水淡化厂蒸发器、加工工业厂、火力发电厂空气冷却区、高压给水加热器和船舶海水管道中的换热器或冷凝管。[11] 合金的成分可以从90%铜-10%镍到70%铜-30%镍变化。
砷酸海军黄铜(铜锌锡砷)冷凝器和换热管曾主导工业设施市场。铝黄铜后来因其增强的耐腐蚀性而越来越受欢迎。[22] 今天，铝黄铜、90%铜-10%镍和其他铜合金广泛用于海水、微咸水和淡水中的管式换热器和管道系统。铝黄铜、90%铜-10%镍和70%铜-30%镍合金在热脱气海水和多级闪蒸脱盐设备的盐水中表现出良好的耐腐蚀性。[23][24]
固定管液冷换热器特别适用于船舶和恶劣应用场合，可与黄铜外壳、铜管、黄铜挡板和锻造黄铜整体端毂组装在一起。[25]
铜合金管可以提供明亮的金属表面(CuNiO)或薄的牢固附着的氧化层(铝黄铜)。这些抛光类型允许保护层的形成。[24] 当系统使用清洁的含氧冷却水运行数周时，保护性氧化物表面达到最佳效果。当保护层形成时，可以采取支持措施来增强该过程，例如添加硫酸铁或间歇式管道清洁。在充气海水中铜镍合金上形成的保护膜在60°F温度下大约三个月后变得成熟，并随着时间的推移变得越来越具有保护性。这种薄膜耐污染的水、不规则的速度和其他恶劣条件。[26]
铜镍合金的抗生物污染性使得在机械清洗之间，换热器单元可以运行几个月。然而，需要清洗来恢复原始的传热能力。氯气注入可将机械清洗间隔延长至一年或更长时间，而不会对铜镍合金产生有害影响。[27][28][29][30]
太阳能热水器是世界上许多地区为家庭提供热水的一种经济有效的方式。铜换热器在太阳能加热和冷却系统中非常重要，因为铜具有高导热性、抗大气和水腐蚀、焊接密封和连接以及机械强度。铜用于太阳能热水系统的接收器和主回路(水箱的管道和换热器)。[31]
用于住宅应用的各种类型的太阳能收集器可用于直接循环(即加热水并将其直接带回家使用)或间接循环(即泵送传热流体通过热交换器，然后加热流入家庭的水)系统。[32] 在带有间接循环系统的真空管太阳能热水器中，真空管包含玻璃外管和附着在散热片上的金属吸收管。太阳能被真空管吸收，并转化为可用的集中热量。真空玻璃管有双层。玻璃管里面是铜热管。它是一种密封的空心铜管，内含少量传热流体(水或乙二醇混合物)，在低压下，在非常低的温度下沸腾。铜热管将太阳能管内的热能传递到铜头中。当溶液循环通过铜头时，温度上升。
含铜太阳能热水系统的其他部件包括太阳能热交换器水箱和太阳能泵站，以及泵和控制器。[33][34][35][36][37]
建筑和机动车辆中的空调和供暖是换热器的两个最大应用。虽然铜管用于大多数空调和制冷系统，但典型的空调机组目前使用铝制翅片。这些系统可能滋生细菌和霉菌，并产生气味和污垢，使它们功能不佳。[38] 严格的新要求，包括提高运行效率和减少或消除有害排放的要求，正在增强铜在现代暖通空调系统中的作用。[39]
铜的抗菌性能可以提高暖通空调系统的性能和相关的室内空气质量。经过广泛测试，铜成为美国的注册材料，用于保护供暖和空调设备表面免受细菌和霉菌的侵害。此外，由美国国防部资助的测试表明，全铜空调抑制细菌和霉菌的生长，这些细菌、霉菌和霉菌会产生异味，降低系统能效。铝制单元还没有证明这种好处。[40][41]
铜在其他合金存在的情况下会引起电化学反应，导致腐蚀。[42]
热水是家庭中第二大能源消耗。将热量从气体燃料传递到3到300千瓦热量(kWth)的水的气水换热器在水加热和加热锅炉设备应用中具有广泛的住宅和商业用途。
对节能紧凑型热水系统的需求正在增加。无水箱燃气热水器在需要时产生热水。铜热交换器是这些装置中的优选材料，因为它们具有高导热性和易于制造。为了在酸性环境中保护这些装置，可以使用耐用涂层或其他表面处理方法。耐酸涂层能够承受1000℃的温度。[43][44]
空气源热泵已经用于住宅和商业加热和冷却很多年了。这些单元依赖于通过蒸发器单元进行的空气-空气热交换，蒸发器单元类似于用于空调的蒸发器单元。翅片式水-空气热交换器最常用于强制空气加热和冷却系统，例如室内和室外木材炉、锅炉和炉灶。它们也适用于液体冷却应用。铜在供应和回流歧管以及盘管中有规定。[8]
地热热泵技术，被称为“地源”、“土壤耦合”或“直接交换”，依赖于制冷剂通过埋在地下的铜管进行热交换。这些装置比空气源装置效率高得多，它们依靠霜层以下地面温度的恒定性进行传热。最有效的地源热泵使用埋在地下的ACR、L型或特殊尺寸的铜管将热量传入或传出调节空间。柔性铜管(通常为1/4英寸至5/8英寸)可以埋在深的垂直孔中，以相对浅的网格图案水平埋置，以中等深度沟槽中的垂直栅栏状排列埋置，或者作为定制配置埋置。[45]
铜和铝在电子冷却应用中用作散热器和热管。散热器是一种无源元件，通过向周围空气散热来冷却半导体和光电器件。散热器的温度高于周围环境，因此热量可以通过对流、辐射和传导传递到空气中。
铝是最主要的散热材料，因为它成本较低。[46] 当需要更高水平的导热性时，铜散热器是必不可少的。全铜或全铝散热器的另一种选择是将铝散热片连接到铜基座上。[47]
铜散热器是压铸而成的，用板材粘合在一起。它们将热量从热源迅速扩散到铜或铝散热片，并扩散到周围的空气中。
热管用于将热量从中央处理器(CPu)和图形处理器(GPu)转移到散热器，热量在散热器中散发到环境中。铜和铝热管广泛应用于现代计算机系统，在这些系统中，增加的功率需求和相关的热量排放导致对冷却系统的更高要求。
热管通常由热端和冷端处的密封管或管组成。热管利用蒸发冷却通过工作流体或冷却剂的蒸发和冷凝将热能从一点传递到另一点。从根本上说，它们比散热器更擅长长距离导热，因为它们的有效导热系数比等效固体导体大几个数量级。[48]
当希望保持结温低于125-150℃时，通常使用铜/水热管。如果应用需要0℃以下的热管操作，则使用铜/甲醇热管。[49]
铜热交换器是一种铜合金热交换器技术，为需要承受恶劣条件的应用而开发。该技术特别适用于全球环境法规要求的更清洁柴油发动机所需的更高温度和压力环境。[50][51]
铜铍的应用包括增压空气冷却器、散热器、油冷却器、气候控制系统和传热芯。[51][52] 铜铍特别适用于资本密集型行业的增压空气冷却器和散热器，在这些行业中，机械必须在恶劣条件下长时间运行而不会过早出现故障。由于这些原因，铜铍特别适合越野车、卡车、公共汽车、工业发动机、发电机、机车和军事设备市场。这项技术也适用于轻型卡车、越野车和乘用车。[52][53][54]
铜铍是钎焊铜/黄铜板翅、钎焊铜黄铜蛇形翅和钎焊铝蛇形翅的替代品。[51] 该技术使铜焊蛇形翅片能够用于铜黄铜热交换器设计。这些比焊接蛇形翅片设计制造成本低。它们也更结实、更轻、更耐用，关节也更坚硬。[51]
小直径内螺纹铜管在传热方面的好处已有很好的记录。[55][56]
直径较小的盘管比传统尺寸的盘管具有更好的传热速率，并且能够承受新一代环保制冷剂所需的更高压力。较小直径的盘管也具有较低的材料成本，因为它们需要较少的制冷剂、翅片和盘管材料；因为蒸发器和冷凝器盘管更小更轻，所以它们能够设计更小更轻的高效空调和冰箱。微槽使用管的带槽内表面来增加表面与体积之比，并增加湍流以混合制冷剂并使管内温度均匀。[57][58][59]
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