铜管和不锈钢管换热效果的对比分析

铜管和不锈钢管都是常用的材料，经常要在二者之间做出选择。如果作为换热管使用，二者谁更优秀呢？本文就解决这个问题，我们将通过铜管和不锈钢管换热效果的对比分析，得出可靠的结论。

一、不锈钢换热管具有的优点

1、换热管采用 0.5-0.8mm 的薄壁管材，提高了整体换热性能，在相同的换热面积下，不锈钢管比铜管总体的传热系数比铜管提高 2.121-8.408%。
2、由于材质采用 SUS304 优质不锈合金钢，使其具有较高的硬度，管子的钢度也明显提高，因此，具有很强的抗冲击性能及抗振性能。
3、由于管子内壁光滑，使得其边界层流底层厚度减薄，既强化换热，又提高了抗结垢性能。
4、为了消除焊接应力，在保护气体中以 1050℃高温进行热处理。
5、钢管均采用压差进行泄漏检查，气压试验至 10MPa，5 分钟无压降。

二、详细性能比较

1、导热

　　由于铜管的导热系数为 100W/m ℃，不锈钢管的导热系数为 13W/m ℃，这当然要影响总体传热系数。但是，不锈钢管的壁厚可以减薄以 0.5~0.8mm，而铜管因强度及冲蚀磨损等原
因，其壁厚不能低于 1.2mm。

根据公式：Rc= （1）

式中：
Rc—— 导热热阻， m2k/w 。
λ——导热系数， W/(m.k) 。
δ——管壁厚度， m

　　管材一定，λ不变时，根据公式（1），δ越小，Rc 越小，传热系数越大。这就可以缩小不锈钢管与铜管总体传热系数的差距。

　　由于铜管内外壁比不锈钢更粗糙，容易结垢，增加了铜管的热阻，这又使铜管与不锈钢管总体传热系数的差距缩小。

2、对流放热

　　使用不锈钢管或使用铜管，管内流速都是紊流。影响对流放热的最大因素是层流底层的厚度，因为层流底层中的传热是导热，而水的导热系数很低。在流动状态相同的情况下，层流底层的厚度取决于管内壁的粗糙度。铜管内表面有氧化物，其粗糙度比不锈钢管大得多，铜管的层流底层的厚度比不锈钢管的层流底层厚度更大。这就使不锈钢管的对流放热系数比铜管的对流放热系数大。

Rw= (2)

式中：
Rw—— 对流放热热阻， m2k/w 。
αw——对流放热系数， w/m2.k 。
根据公式（2） αw 越大，Rw 越小。

3、凝结放热系数

　　凝结放热系数有膜状凝结和珠状凝结两种，珠状凝结放热系数比膜状凝结放热系数大得多。但不锈钢管外壁和铜管外壁哪种管材的珠状凝结更多尚不清楚，但可以说两种管材外壁大部份是膜状凝结。膜状凝结的放热系数大小与膜的薄厚关系很大，因为在膜的内部是导热，水膜的导热系数数特别低而膜的厚度又取决于管外壁的粗糙度。铜管外壁因氧化层的关系，比不锈钢管粗糙得多。因此，不锈钢管外壁的凝结放热系数比铜管外壁的凝结放热系数大。

Rm=（3）

其中：
Rm—— 管外壁的凝结放热热阻，m2k/w 。
αm——管外壁的凝结放热系数，w/m2.k 。
根据公式（3），αm 越大、Rm 越小。

4、总体传热系数

K=（4）

其中：
R—— 总热阻， m2k/w 。
K—— 总体传热系数， w/m2.k 。
由（4）可知：对流热阻、导热阻和凝结放热热阻都减小，则总热阻减小：总热阻减小，总体传热系数增大。

　　在壁厚相同的情况下，不锈钢管的总体传热系数比铜管低 6%。由于使用比铜管薄的不锈钢管，不锈钢管的总体传热系数和凝结放热系数都比铜管大，使不锈钢管的总体传热系数得到提高。

换热性能对照表

5、长远的经济性

　　随着运行时间的增长，铜管氧化层将越来越厚，传热效果会越来越差。而不锈钢基本不会氧化，或氧化速度很慢。因此，不锈钢管的换热器与铜管的换热器如果同时投运，运行时间越长， 不锈钢管的换热器的经济性将会比铜管的换热器越来越更好。同时，铜管对冷却水中的杂物的吸附能力比不锈钢管更强得多，大大降低了设备的经济性。

6、安全性能比较

不锈钢管与铜管的工程特性

　　从上表可以看出：不锈钢管的屈服强度和抗拉强度都比铜管高，不锈钢管的使用寿命必然要比铜管长，热胀系数比铜管低，与管板更接近，因此，不易因热胀冷缩面损伤了管子或影响胀口。

不锈钢管与铜管的抗腐蚀性能

注：表中的数值 2-6 表示抗腐蚀能力由小到大。

　　由上表可知：不锈钢管与铜管相比具有的优点：抗冲蚀性能好，能抗蒸汽带水滴在高速中的冲击腐蚀；抗氨腐蚀性能好：耐水侧冲击腐蚀，实现无铜离子系统，且 PH 值可提高，以减少腐蚀产生率，可提高冷却水流速，达 2.3m/s，最高可达 3.5m/s，这样既可提高总体传热系数，又可减少管内杂质的沉积。

三、效益评估与结论

　　不锈钢管的热传导系数比铜管低，但通过减小壁厚使它们的热传导系数的差值缩小，由于不锈钢管内壁比铜管更光滑，对流换热系数比铜管高，不锈钢管外壁比铜管光滑，凝结放热系数比铜管高，根据多台机组的测试和计算，壁厚为 0.7mm 的不锈钢管比壁厚为 1mm 的铜管的总体传热系数高 2.124%左右；随着运行时间的增长，不锈钢管的总体传热系数下降很缓慢，而铜管的总体传热系数下降速度比不锈钢管大得多。

　　同时，不锈钢管比铜管更耐腐蚀，抗振性和耐磨性能好，使用寿命是铜管的三倍。从长远考虑，使用不锈钢管整体上提高机组的经济性显而易见，同时也提高了机组的安全性。

　　铜管虽然是好材料但不是万能的，当适用的材料有多种选项时，就要对性能、寿命、价格等因素耐心对比，选择最优方案，只有这样才能花费最少的成本完成合格的工作。