Cobre en intercambiadores de calor, Historia, Propiedades beneficiosas de los intercambiadores de calor de cobre, Las aplicaciones más comunes para intercambiadores de calor de cobre, Nuevas tecnologías

Los intercambiadores de calor son dispositivos de transferencia de calor que con el fin de conseguir un calentamiento o enfriamiento deseado. Otro aspecto importante en el diseño de la tecnología intercambiador de calor es la selección de materiales apropiados para llevar a cabo y transferir el calor rápida y eficientemente.

El cobre tiene muchas propiedades deseables para intercambiadores de calor térmicamente eficientes y duraderos. Primero y ante todo, el cobre es un excelente conductor de calor. Esto significa que la alta conductividad térmica del cobre permite que el calor pase a través de él rápidamente. Otras propiedades deseables de cobre en los intercambiadores de calor incluyen su resistencia a la corrosión, resistencia a la incrustación biológica, la tensión máxima admisible y la presión interna, resistencia a la rotura por fluencia, resistencia a la fatiga, la dureza, la expansión térmica, calor específico, propiedades antimicrobianas, resistencia a la tracción, resistencia a la fluencia, alto punto de fusión , alloyability, facilidad de fabricación, y facilidad de unión.

La combinación de estas propiedades permiten cobre a especificar para los intercambiadores de calor en las plantas industriales, sistemas HVAC, enfriadores vehiculares y radiadores, y como disipadores de calor para enfriar los ordenadores, unidades de disco, televisores, monitores de ordenador y otros equipos electrónicos. El cobre también se incorpora en el fondo de los utensilios de cocina de alta calidad debido a que el metal conduce el calor rápidamente y lo distribuye uniformemente.

No cobre intercambiadores de calor basado también están disponibles. Algunos materiales alternativos incluyen aluminio, acero al carbono, acero inoxidable, aleaciones de níquel y titanio.

Este artículo se centra en las propiedades beneficiosas y las aplicaciones comunes de cobre en los intercambiadores de calor. También se introducen nuevas tecnologías de intercambiadores de calor de cobre para aplicaciones específicas.

Historia

Intercambiadores de calor que utilizan el cobre y sus aleaciones han evolucionado junto con las tecnologías de transferencia de calor en los últimos cien años. Tubos del condensador de cobre fueron utilizados por primera vez en 1769 para los motores de vapor. En un principio, los tubos fueron hechos de cobre no aleado. Por 1870, metal Muntz, un 40% de Cu-Zn aleación de latón 60%, se utilizó para condensadores de enfriamiento de agua de mar. Metales Almirantazgo, un 70% de Cu-30% Zn aleación de latón amarillo con 1% de estaño añadido para mejorar la resistencia a la corrosión, se introdujo en 1890 para el servicio de agua de mar. Por la década de 1920, un 70% de Cu-30% de aleación de Ni fue desarrollado para condensadores navales. Poco después, un 2% de manganeso y 2% de aleación de cobre de hierro se introdujo para una mejor resistencia a la erosión. A Cu-10% de aleación de Ni 90% por primera vez disponible en la década de 1950, inicialmente para las tuberías de agua de mar. Esta aleación es ahora el de aleación de cobre-níquel más ampliamente utilizado en intercambiadores de calor marinos.

Hoy en día, vapor de agua, evaporador, condensador y bobinas están hechas de cobre y aleaciones de cobre. Estos intercambiadores de calor se utilizan en los sistemas de aire acondicionado y refrigeración, calefacción industrial y central y los sistemas de refrigeración, radiadores, acumuladores de agua caliente y sistemas de calefacción radiante.

Intercambiadores de calor de cobre base pueden ser fabricados con tubo de cobre/aluminio de la aleta, cuproníquel o Construcciones de cobre. Varios recubrimientos se pueden aplicar para mejorar la resistencia a la corrosión de los tubos y las aletas.

Propiedades beneficiosas de los intercambiadores de calor de cobre

Conductividad térmica

La conductividad térmica es una medida de la capacidad de un material para conducir el calor. La transferencia de calor a través de materiales de alta conductividad térmica se produce a una tasa más alta que a través de materiales de baja conductividad térmica. En el Sistema Internacional de Unidades, la conductividad térmica se mide en vatios por metro Kelvin). En el sistema de medida imperial, la conductividad térmica se mide en Btu /.

El cobre tiene una conductividad térmica de 231 Btu /. Este es mayor que todos los demás metales, excepto plata, un metal precioso. El cobre tiene una calificación mejor conductividad térmica de 60% de aluminio y una calificación de 3,000% mejor que el acero inoxidable.

Más información sobre la conductividad térmica de los metales seleccionados está disponible.

Resistencia a la corrosión

Resistencia a la corrosión es esencial en aplicaciones de transferencia de calor que están implicados líquidos, tales como en los tanques de agua caliente, radiadores, etc El único material que tiene resistencia a la corrosión similar a la de cobre es de acero inoxidable. Sin embargo, la conductividad térmica del acero inoxidable es 30 veces menor que el cobre. Los tubos de aluminio no son adecuados para aplicaciones de agua potable o sin tratar, ya que corroe a pH <7,0 y gas hidrógeno comunicados.

Las películas de protección se pueden aplicar a la superficie interior de tubos de aleación de cobre para aumentar la resistencia a la corrosión. Para ciertas aplicaciones, la película se compone de hierro. En condensadores de plantas de energía, se emplean tubos de dúplex que consisten en una capa de titanio interior con aleaciones de cobre-níquel exteriores. Esto permite el uso de cobres propiedades mecánicas y químicas beneficiosas a lo largo de titaniums con excelente resistencia a la corrosión. Un tubo de dúplex con latón interior de aluminio o de cobre-níquel y acero inoxidable o leve exterior se puede utilizar para la refrigeración en las industrias petroquímicas y de refino de petróleo.

Resistencia a la contaminación biológica

Cobre y aleaciones de cobre y níquel tienen una alta resistencia natural a la contaminación biológica en relación con materiales alternativos. Otros metales utilizados en intercambiadores de calor, tales como el acero, el titanio y el aluminio, falta fácilmente. Protección contra la contaminación biológica, particularmente en estructuras marinas, puede llevarse a cabo durante largos períodos de tiempo con los metales de cobre.

Aleaciones de cobre-níquel han demostrado durante muchos años en la tubería de agua de mar y otras aplicaciones marinas. Estas aleaciones resisten la contaminación biológica en alta mar, donde no permiten limo microbiano para construir y apoyar macroepibiosis.

Los investigadores atribuyen la resistencia a la contaminación biológica de cobre, incluso en aguas templadas, a dos posibles mecanismos: 1) una secuencia de retardo de la colonización a través de la liberación lenta de los iones de cobre durante el proceso de corrosión, inhibiendo de este modo la fijación de las capas microbianas a las superficies marinas, y/o, 2) la separación de las capas que contienen productos agresivos y las larvas de los organismos macro-incrustantes. El último mecanismo disuade a la solución de las etapas larvales pelágicas en la superficie de metal, en lugar de matar a los organismos.

Resistencia a los antimicrobianos

Debido a cobres fuertes propiedades antimicrobianas, aletas de cobre pueden inhibir crecimientos bacterianos, fúngicos y virales que comúnmente se acumulan en los sistemas de aire acondicionado. Por lo tanto, las superficies de los intercambiadores de calor basados en cobre son más limpios para períodos de tiempo más largos que los intercambiadores de calor hechos de otros metales. Este beneficio ofrece un intercambiador de calor de la vida de servicio considerablemente ampliado y contribuye a mejorar la calidad del aire. Intercambiadores de calor fabricados por separado a partir de cobre antimicrobiano y aluminio en un sistema de climatización a gran escala han sido evaluadas por su capacidad para limitar el crecimiento microbiano en condiciones de velocidades de flujo normales que utilizan aire exterior de un solo paso. Componentes de aluminio usados comúnmente desarrollan biofilms estables de bacterias y hongos dentro de las cuatro semanas de la operación. Durante el mismo período de tiempo, el cobre antimicrobiano era capaz de limitar las cargas bacterianas asociadas a las aletas del intercambiador de calor de cobre de 99.99% y un montón de hongos de 99,74%.

Acondicionadores de aire de aletas de cobre han sido desplegados en los autobuses en Shanghai para rápidamente y matar completamente las bacterias, virus y hongos que fueron prosperando previamente en las aletas no cobre y puedan circular alrededor de los sistemas. La decisión de reemplazar aluminio con cobre siguió pruebas antimicrobianas por el Centro Municipal de Shanghai para el Control y Prevención de Enfermedades 2010 a 2012 - El estudio encontró que los niveles microbianos en las superficies de las aletas de cobre fueron significativamente menores que en el aluminio, lo que ayuda a proteger la salud de bus pasajeros.

Más información acerca de los beneficios del cobre antimicrobianos en los sistemas de HVAC está disponible.

Las aplicaciones más comunes para intercambiadores de calor de cobre

Las instalaciones industriales y centrales eléctricas

Las aleaciones de cobre son ampliamente utilizados como tubos de intercambiadores de calor en fósiles y nucleares de generación de vapor centrales eléctricas, plantas petroquímicas servicios marítimos plantas de desalinización química y, y.

El mayor uso de aleación de cobre tubo de intercambiador de calor en una base por unidad se encuentra en las plantas de energía de servicios públicos. Estas plantas contienen condensadores de superficie, calentadores y enfriadores, todos los cuales contienen la tubería de cobre. El condensador de superficie principal que acepta las descargas de turbina de vapor utiliza la mayor cantidad de cobre.

Níquel de cobre es el grupo de aleaciones que se especifican comúnmente en el intercambiador de calor o tubos del condensador en evaporadores de plantas desalinizadoras, plantas de procesos industriales, zonas de aire de refrigeración de las centrales térmicas, calentadores de agua de alimentación de alta presión y tuberías de agua de mar en los buques. La composición de las aleaciones puede variar de 90% de Cu-10% de Ni a 70% de Cu-30% de Ni.

Condensador y el tubo de intercambiador de calor de latón estañado arsenical una vez dominaron el mercado de las instalaciones industriales. Aluminio latón se levantó más adelante en popularidad debido a su mayor resistencia a la corrosión. Hoy en día, el aluminio-bronce, 90% de Cu-10% de Ni, y otras aleaciones de cobre son ampliamente utilizados en los intercambiadores de calor tubulares y sistemas de tuberías de agua de mar, agua salobre y agua dulce. Aluminio-bronce, 90% de Cu-10% Ni y 70% de Cu-30% aleaciones de Ni muestran una buena resistencia a la corrosión en agua de mar de-gaseosas calientes y en salmueras en plantas de desalinización de flash multi-etapa.

Tubos intercambiadores de calor refrigerados por líquido fijos especialmente adecuados para aplicaciones marinas y dura se pueden montar con conchas de latón, tubos de cobre, latón, tabiques y forjados de latón hubs finales integrales.

Tubos de aleación de cobre se pueden suministrar ya sea con una superficie metálica brillante o con una fina capa de óxido, firmemente adjunta. Estos tipos de acabado permiten la formación de una capa protectora. La superficie de óxido protectora se logra mejor cuando el sistema se hace funcionar durante varias semanas con, el oxígeno que contiene agua refrigerante limpio. Mientras que las formas de capa de protección, las medidas de apoyo pueden llevarse a cabo para mejorar el proceso, tales como la adición de sulfato de hierro o de limpieza de tubos intermitente. La película protectora que se forma en las aleaciones de Cu-Ni en agua de mar con gas alcanza la madurez en unos tres meses en el 60F y se vuelve cada vez más protectora con el tiempo. La película es resistente a las aguas contaminadas, velocidades irregulares, y otras condiciones duras. Más detalles están disponibles.

La resistencia a la contaminación biológica de aleaciones Cu-Ni permite a las unidades de intercambio de calor para operar durante varios meses entre limpiezas mecánicas. Limpiezas son sin embargo necesarias para restablecer la capacidad de transferencia de calor originales. Inyección de cloro puede extender los intervalos de limpieza mecánicos a un año o más sin efectos perjudiciales sobre las aleaciones de Cu-Ni.

Más información acerca de aleación de cobre intercambiadores de calor para instalaciones industriales está disponible.

Sistemas de agua de energía solar térmica

Calentadores de agua solares pueden ser una manera rentable de generar agua caliente para viviendas en muchas regiones del mundo. Intercambiadores de calor de cobre son importantes en la calefacción solar térmica y los sistemas de refrigeración, porque de cobre de alta conductividad térmica, resistencia a la corrosión atmosférica y el agua, sellado y unión por soldadura, y la resistencia mecánica. El cobre se utiliza tanto en los receptores y en los circuitos primarios de los sistemas de agua de energía solar térmica.

Varios tipos de colectores solares para aplicaciones residenciales están disponibles con circulación directa o sistemas de circulación indirectos. En un tubo calentador de agua caliente solar evacuado con un sistema de circulación indirecta, los tubos de vacío contienen un tubo de vidrio exterior y el tubo absorbedor de metal unida a una aleta. La energía solar térmica es absorbida dentro de los tubos de vacío y se convierte en calor concentrado utilizable. Tubos de vidrio al vacío tienen una capa doble. En el interior del tubo de vidrio es la pipa de calor de cobre. Se trata de un tubo de cobre hueco sellado que contiene una pequeña cantidad de fluido de transferencia térmica que hierve bajo baja presión a una temperatura muy baja. El tubo de calor de cobre transfiere energía térmica dentro del tubo solar en un encabezado de cobre. Como la solución circula a través de la cabecera de cobre, la temperatura se eleva.

Otros componentes de los sistemas de agua de energía solar térmica que contienen cobre incluyen tanques solares de intercambiadores de calor y estaciones de bombeo solar, junto con las bombas y controladores.

Los sistemas HVAC

Aire acondicionado y calefacción en edificios y vehículos de motor son dos de las aplicaciones más grandes para los intercambiadores de calor. Mientras tubo de cobre se utiliza en la mayoría de sistemas de refrigeración y aire acondicionado, unidades típicas de aire acondicionado utilizan actualmente aletas de aluminio. Estos sistemas pueden albergar bacterias y el moho y el desarrollo de malos olores e incrustaciones que pueden hacer que no funcionan bien. Nuevos requisitos rigurosos, incluyendo las demandas de aumento de la eficiencia operativa y la reducción o eliminación de las emisiones nocivas son mejorar la función del cobre en los sistemas HVAC moderno.

Propiedades antimicrobianas Coppers pueden mejorar el rendimiento de los sistemas de climatización y calidad del aire interior asociado. Tras numerosas pruebas, el cobre se convirtió en una materia registrada en los EE.UU. para la protección de calefacción y aire acondicionado superficies del equipo contra bacterias, moho y hongos. Por otra parte, las pruebas financiado por el Departamento de Defensa de EE.UU. está demostrando que el aire acondicionado todo-cobre suprimen el crecimiento de bacterias, moho y hongos que causan olores y reducir la eficiencia energética del sistema. Las unidades hechas con aluminio no se han manifestado este beneficio.

Calentadores de agua de gas

Calentamiento de agua es el segundo mayor consumo de energía en el hogar. Intercambiadores de calor de gas-agua que la transferencia de calor a partir de combustibles gaseosos al agua entre 3 a 300 kilovatios térmica tiene uso residencial y comercial generalizada en calentamiento de agua de la caldera de calefacción y aplicaciones en aparatos.

La demanda es cada vez mayor para los sistemas de calefacción de agua compactas de bajo consumo. Calentadores de agua sin tanque producen agua caliente cuando sea necesario. Intercambiadores de calor de cobre son el material preferido en estas unidades debido a su alta conductividad térmica y facilidad de fabricación. Para proteger estas unidades en ambientes ácidos, revestimientos duraderos u otros tratamientos superficiales están disponibles. Recubrimientos resistentes a los ácidos son capaces de soportar temperaturas de 1000C.

Calefacción de aire forzado y enfriamiento

Bombas de calor de fuente de aire se han utilizado para la calefacción y la refrigeración residencial y comercial durante muchos años. Estas unidades se basan en aire de intercambio de calor de aire a través del evaporador unidades similares a los utilizados para los acondicionadores de aire. Agua aletas para intercambiadores de calor de aire son los más utilizados para la calefacción de aire forzado y sistemas de refrigeración, como los hornos de interior y exterior de madera, calderas y estufas. También pueden ser adecuados para aplicaciones de refrigeración líquidos. El cobre se especifica en la oferta y colectores de retorno y en rollos de tubo.

Comunicación directa Geotérmica Calefacción/Refrigeración

Tecnología de bomba de calor geotérmica, conocida por varios nombres como "fuente de tierra", "tierra de acoplamiento", o "intercambio directo", se basa en la circulación de un refrigerante a través de la tubería de cobre enterrada para el intercambio de calor. Estas unidades, que son mucho más eficientes que sus homólogos de aire de origen, dependen de la constancia de la temperatura del suelo por debajo de la zona de heladas para la transferencia de calor. Las bombas de calor geotérmicas más eficaces utilizan ACR, tipo L o de tubo de cobre de tamaño especial enterrada en la tierra para transferir el calor hacia o desde el espacio acondicionado. Tubo de cobre flexible puede ser enterrado en agujeros verticales profundos, horizontalmente en un patrón de rejilla relativamente poco profunda, en una disposición vertical de cerca-como en zanjas de profundidad media, o como configuraciones personalizadas. Hay más información disponible.

Sistemas electrónicos

El cobre y el aluminio se utilizan como disipadores de calor y los tubos de calor en aplicaciones de refrigeración electrónicos. Un disipador de calor es un componente pasivo que enfría dispositivos optoelectrónicos semiconductores y mediante la disipación de calor en el aire circundante. Los disipadores de calor tienen temperaturas superiores a sus entornos circundantes para que el calor se puede transferir en el aire por convección, radiación y conducción.

El aluminio es el material del disipador de calor más utilizado prominente debido a su menor costo. Disipadores de calor de cobre son una necesidad cuando se necesitan niveles más altos de conductividad térmica. Una alternativa a los disipadores de calor de aluminio todo-cobre o es la unión de las aletas de aluminio a la base de cobre.

Disipadores de calor de cobre son inyectadas y unidos en placas. Se propagan rápidamente el calor de la fuente de calor a las aletas de cobre o aluminio y en el aire circundante.

Las pipas de calor se utilizan para mover el calor fuera de las unidades de procesamiento centrales y unidades de procesamiento gráfico y hacia los disipadores de calor, donde la energía térmica se disipa en el medio ambiente. Tubos de calor de cobre y aluminio son ampliamente utilizados en los sistemas informáticos modernos en los mayores requisitos de alimentación asociada y las emisiones de calor resultado en una mayor demanda de sistemas de refrigeración.

Un tubo de calor típicamente consiste en un tubo sellado o tubo en los extremos calientes y fríos. Las pipas de calor utilizan enfriamiento por evaporación para transferir la energía térmica a partir de un punto a otro por la evaporación y condensación de un fluido de trabajo o refrigerante. Son fundamentalmente mejor en la conducción de calor en distancias más grandes que los disipadores de calor debido a su conductividad térmica efectiva es varios órdenes de magnitud mayor que la del conductor sólido equivalente.

Cuando es deseable para mantener las temperaturas de unión por debajo de 125-150C, se utilizan típicamente tubos de calor de cobre/agua. Tubos de calor de cobre/metanol se utilizan si la aplicación requiere operaciones de tubos de calor por debajo de 0C.

Nuevas tecnologías

CuproBraze

CuproBraze es una tecnología de intercambiadores de calor de cobre y aleación desarrollada específicamente para aplicaciones que necesitan para soportar duras condiciones. La tecnología es particularmente susceptible a mayor temperatura y presión ambientes necesarios en los motores diesel más limpios que se están estipulados por los reglamentos ambientales a nivel mundial.

Las solicitudes de CuproBraze incluyen enfriadores de aire de carga, radiadores, enfriadores de aceite, sistemas de climatización, y núcleos de transferencia de calor. CuproBraze es especialmente adecuado para los enfriadores de aire de carga y radiadores en las industrias intensivas en capital en maquinaria debe funcionar durante largos períodos de tiempo en condiciones muy duras y sin fallas prematuras. Por estas razones, CuproBraze es particularmente adecuado para el vehículo todo terreno, camiones, autobuses, motores industriales, generadores, locomotora, y los mercados de equipos militares. La tecnología también puede ser objeto de camionetas, todo terrenos y vehículos de pasajeros.

CuproBraze está sustituyendo el cobre/bronce soldadas placa aleta, soldar cobre latón fin serpentina, serpentina y soldadas aleta de aluminio en las aplicaciones más exigentes. La tecnología permite a las aletas de cobre soldadas serpentina para ser utilizados en cobre-latón diseños de intercambiadores de calor. Estos son menos costosos de fabricar que los diseños de aleta serpentina soldadas. También son más fuertes, más ligeros, más duraderos y tienen articulaciones más fuertes.

Microsurco

Microsurco cobre es una tecnología de bobina de pequeño diámetro. Bobinas de diámetros más pequeños tienen mejores tasas de transferencia de calor que las bobinas de tamaño convencional y pueden soportar presiones mayores que requiere la nueva generación de refrigerantes que dañan el medio ambiente. Bobinas de diámetros más pequeños también tienen menores costes de material, ya que requieren menos refrigerante, aleta, y los materiales de la bobina, y que permiten el diseño de los aparatos de aire acondicionado y refrigeradores más pequeños y ligeros de alta eficiencia porque los evaporadores y condensadores, bobinas son más pequeños y ligeros.

Las ventajas de rendimiento de más de cobre de aluminio como un material de transferencia de calor incluyen un mayor intercambio de calor, mejor durabilidad a largo plazo y resistencia a la corrosión, un menor coste de mantenimiento, y cobres beneficios antimicrobianos. Un punto culminante único de la tecnología microsurco es que la transferencia de calor se ve reforzada por el ranurado de la superficie interior del tubo. Esto aumenta la relación de superficie a volumen, se mezcla el refrigerante, y homogeniza temperaturas de refrigerante a través del tubo.