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制冷系統(tǒng)：銅管該如何選擇和設(shè)計(jì)？

發(fā)布時間：2024年8月19日 | 文章來源：制冷空調(diào)換熱器 | 瀏覽次數(shù)：2,270 | 訪問原文

制冷系統(tǒng)中,銅管是最常用的管材之一。銅管具有導(dǎo)熱性好、強(qiáng)度高、塑性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于冷凝器、蒸發(fā)器等換熱部件以及連接管路中。本文將從銅管分類、制冷用銅管的技術(shù)要求、銅管壁厚計(jì)算等方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。

一、銅管的分類及性能特點(diǎn)
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1、按照材質(zhì)成分：
銅管可分為紫銅管(TP2)、黃銅管(H62/H65/H68)、青銅管(QSn6.5-0.1)、白銅管(Ni-Cu合金)等。其中,紫銅管導(dǎo)熱性能最佳,但價格較貴;黃銅管強(qiáng)度高,但導(dǎo)熱率較低;青銅管和白銅管耐腐蝕性好,但加工性能差[1]。
2、按生產(chǎn)工藝分：
銅管可分為無氧銅管、含氧銅管、內(nèi)螺紋銅管等。無氧銅管純度高,一般用于制作毛細(xì)管等精密部件;含氧銅管強(qiáng)度和硬度適中,可焊性好,多用作連接管;內(nèi)螺紋銅管內(nèi)壁帶有螺紋,具有良好的強(qiáng)化傳熱效果[2]。
3、按硬度：
銅管可分為軟態(tài)(O態(tài))、半硬態(tài)(1/2H)、硬態(tài)(H態(tài))三類。O態(tài)銅管質(zhì)軟,塑性和延展性好,但強(qiáng)度低;H態(tài)銅管強(qiáng)度和硬度高,但塑性差;1/2H銅管強(qiáng)度和塑性適中,加工性能好,是制冷管路的首選[3]。

二、制冷系統(tǒng)用銅管的技術(shù)要求
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1、材質(zhì)要求? ?
制冷系統(tǒng)多采用1/2H態(tài)紫銅管(TP2M),其化學(xué)成分應(yīng)符合GB/T 17505-2010的規(guī)定[4]:
Cu+Ag≥99.90%
0.015%≤P≤0.040%
雜質(zhì)元素含量應(yīng)滿足:Bi≤0.001%,Sb≤0.002%,As≤0.002%,Fe≤0.005%,Pb≤0.005%,S≤0.005%,Zn≤0.005%,Ni≤0.002%,Sn≤0.002%。
2、力學(xué)性能? ?
1/2H態(tài)紫銅管的力學(xué)性能應(yīng)符合以下要求[4]:
抗拉強(qiáng)度Rm≥295MPa
屈服強(qiáng)度Rp0.2≥255MPa
斷后伸長率A≥3%
表：管材的室溫力學(xué)性能
3、尺寸偏差? ??
紫銅管外徑(D)、壁厚(s)的極限偏差應(yīng)符合表1的規(guī)定[5]。米克重(M)按公式M=0.02566·D·s計(jì)算[6],偏差應(yīng)在±8%以內(nèi)。
表：光銅管尺寸及偏差（mm）
表?1/2H態(tài)紫銅管尺寸極限偏差 (mm)
三、銅管壁厚計(jì)算方法
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1、壓力容器規(guī)范方法? ?
根據(jù)ASME壓力容器規(guī)范,銅管在內(nèi)壓作用下的最小壁厚可按下式計(jì)算[7]:
t=PD/(2S+0.8P)
式中:t-最小壁厚(mm),P-設(shè)計(jì)壓力(MPa),D-管道外徑(mm),S-銅管的許用應(yīng)力(MPa),一般可取銅管屈服強(qiáng)度的1/3~1/4。
2、流體力學(xué)方法? ? ?
考慮到流體流動時的壓力損失,銅管壁厚還應(yīng)滿足流體力學(xué)強(qiáng)度條件[8]:
t=D·(3ξρv^2/8σ[s])^0.5
式中:ξ-沿程阻力系數(shù),與雷諾數(shù)和相對粗糙度有關(guān);ρ-制冷劑密度(kg/m3);v-制冷劑流速(m/s);σ[s]-銅管許用切應(yīng)力(MPa),可取屈服強(qiáng)度的1/3。
3、振動疲勞方法? ? ?
制冷系統(tǒng)中的銅管往往承受交變應(yīng)力作用,需要驗(yàn)算振動疲勞強(qiáng)度[9]:
σ[a]=Cf·σ[-1]·(2N[f])^m≤[σ]
式中:σ[a]-交變應(yīng)力幅值(MPa),Cf-表面質(zhì)量系數(shù),σ[-1]-銅管材料的疲勞極限(MPa),取屈服強(qiáng)度的0.40.5,Nf-疲勞壽命(次),m-疲勞強(qiáng)度指數(shù),取34,[σ]-許用交變應(yīng)力(MPa),取屈服強(qiáng)度的0.6~0.7。由此可估算出所需的最小壁厚。
為保證銅管在高溫高壓、振動等苛刻工況下的安全可靠,設(shè)計(jì)時一般應(yīng)按上述三種方法分別計(jì)算,擇其中最大值為銅管的公稱壁厚。

四、結(jié)語
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制冷系統(tǒng)用銅管的選擇和設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,需要綜合考慮材料、加工、連接、安裝、使用等諸多因素。設(shè)計(jì)時應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的冷量、工質(zhì)、溫度、壓力等參數(shù),合理選擇銅管材質(zhì)、狀態(tài)、規(guī)格尺寸。銅管壁厚的確定需要從承壓能力、流體阻力、振動疲勞等方面進(jìn)行校核計(jì)算,以保證系統(tǒng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。
需要指出的是,本文給出的壁厚計(jì)算公式僅供參考,實(shí)際設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮銅管彎曲半徑、支撐間距、連接方式等因素的影響。設(shè)計(jì)人員應(yīng)及時了解銅管及管件產(chǎn)品的最新標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)發(fā)展,完善設(shè)計(jì)方法,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。同時要加強(qiáng)施工過程控制,嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行銅管運(yùn)輸、儲存、加工連接和系統(tǒng)安裝調(diào)試,從而確保制冷系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。