Cobre em trocadores de calor - Copper in heat exchangers
Trocadores de calor são dispositivos que transferem calor para atingir o aquecimento ou resfriamento desejado. Um aspecto importante do projeto da tecnologia de trocador de calor é a seleção de materiais apropriados para conduzir e transferir calor de forma rápida e eficiente.
O cobre tem muitas propriedades desejáveis para trocadores de calor duráveis e termicamente eficientes . Em primeiro lugar, o cobre é um excelente condutor de calor. Isso significa que a alta condutividade térmica do cobre permite que o calor passe por ele rapidamente. Outras propriedades desejáveis de cobre em permutadores de calor incluem a sua corrosão resistência, biofouling resistência, tensão máxima permissível e pressão interna, resistência à fluência, resistência à fadiga , a dureza , a expansão térmica , calor específico , antimicrobianos propriedades, resistência à tracção , resistência ao escoamento , elevado ponto de fusão , capacidade de liga , facilidade de fabricação e facilidade de união.
A combinação dessas propriedades permite que o cobre seja especificado para trocadores de calor em instalações industriais, sistemas HVAC, resfriadores e radiadores veiculares e como dissipadores de calor para resfriar computadores, unidades de disco , televisores, monitores de computador e outros equipamentos eletrônicos. O cobre também é incorporado ao fundo de panelas de alta qualidade porque o metal conduz o calor rapidamente e o distribui uniformemente.
Trocadores de calor sem cobre também estão disponíveis. Alguns materiais alternativos incluem alumínio, aço carbono , aço inoxidável , ligas de níquel e titânio .
Este artigo enfoca as propriedades benéficas e as aplicações comuns do cobre em trocadores de calor. Também são introduzidas novas tecnologias de trocador de calor de cobre para aplicações específicas.
História
Os trocadores de calor que usam cobre e suas ligas evoluíram junto com as tecnologias de transferência de calor nas últimas centenas de anos. Os tubos condensadores de cobre foram usados pela primeira vez em 1769 para motores a vapor . Inicialmente, os tubos eram feitos de cobre não ligado. Em 1870, o metal Muntz , uma liga de latão 60% Cu-40% Zn , foi usado para condensadores no resfriamento com água do mar. O metal almirantado, uma liga de latão amarelo 70% Cu-30% Zn com 1% de estanho adicionado para melhorar a resistência à corrosão, foi introduzido em 1890 para o serviço de água do mar. Na década de 1920, uma liga 70% Cu-30% Ni foi desenvolvida para condensadores navais. Em seguida, foi introduzida uma liga de 2% de manganês e 2% de ferro e cobre para melhor resistência à erosão. Uma liga de 90% Cu-10% Ni foi disponibilizada pela primeira vez na década de 1950, inicialmente para tubulações de água do mar. Esta liga é agora a liga de cobre-níquel mais amplamente usada em trocadores de calor marítimos.
Hoje, as serpentinas de vapor, evaporador e condensador são feitas de cobre e ligas de cobre. Esses trocadores de calor são usados em sistemas de ar condicionado e refrigeração , sistemas de aquecimento e refrigeração industriais e centrais, radiadores , tanques de água quente e sistemas de aquecimento de piso.
Os trocadores de calor à base de cobre podem ser fabricados com tubo de cobre / aleta de alumínio, cupro-níquel ou construções totalmente de cobre. Vários revestimentos podem ser aplicados para aumentar a resistência à corrosão dos tubos e aletas.
Propriedades benéficas de trocadores de calor de cobre
Condutividade térmica
A condutividade térmica (k, também denotada como λ ou κ) é uma medida da capacidade de um material de conduzir calor . A transferência de calor em materiais de alta condutividade térmica ocorre em uma taxa mais alta do que em materiais de baixa condutividade térmica. No Sistema Internacional de Unidades (SI), a condutividade térmica é medida em watts por metro Kelvin (W / (m • K)). No Sistema Imperial de Medição ( unidades Imperial Britânica ou Imperial ), a condutividade térmica é medida em Btu / (hr • ft⋅F).
O cobre tem uma condutividade térmica de 231 Btu / (hr-ft-F). Isso é mais alto do que todos os outros metais, exceto prata, um metal precioso . O cobre tem uma classificação de condutividade térmica 60% melhor do que o alumínio e uma classificação 3.000% melhor do que o aço inoxidável.
| Metal | Condutividade térmica | |
|---|---|---|
| (Btu / (hr-ft-F)) | (W / (m • K)) | |
| Prata | 247,87 | 429 |
| Cobre | 231 | 399 |
| Ouro | 183 | 316 |
| Alumínio | 136 | 235 |
| Latão amarelo | 69,33 | 120 |
| Ferro fundido | 46,33 | 80,1 |
| Aço inoxidável | 8,1 | 14,0 |
Mais informações sobre a condutividade térmica de metais selecionados estão disponíveis.
Resistência à corrosão
A resistência à corrosão é essencial em aplicações de transferência de calor onde fluidos estão envolvidos, como em tanques de água quente, radiadores, etc. O único material acessível que tem resistência à corrosão semelhante ao cobre é o aço inoxidável. No entanto, a condutividade térmica do aço inoxidável é 1/30 da do cobre. Tubos de alumínio não são adequados para aplicações de água potável ou não tratada porque corrói em pH <7,0 e libera gás hidrogênio.
Películas protetoras podem ser aplicadas à superfície interna dos tubos de liga de cobre para aumentar a resistência à corrosão. Para certas aplicações, o filme é composto de ferro. Em condensadores de usinas de energia, tubos duplex consistindo de uma camada interna de titânio com ligas externas de cobre-níquel são empregados. Isso permite o uso das propriedades mecânicas e químicas benéficas do cobre (por exemplo, corrosão sob tensão, ataque de amônia) junto com a excelente resistência à corrosão do titânio. Um tubo duplex com latão de alumínio interno ou cobre-níquel e aço inoxidável externo ou carbono pode ser usado para resfriamento nas indústrias de refino de petróleo e petroquímica.
Resistência à bioincrustação
O cobre e as ligas de cobre-níquel têm uma alta resistência natural à bioincrustação em relação aos materiais alternativos. Outros metais usados em trocadores de calor, como aço, titânio e alumínio, sujam prontamente. A proteção contra a incrustação biológica, particularmente em estruturas marinhas, pode ser realizada por longos períodos de tempo com metais de cobre.
As ligas de cobre-níquel foram comprovadas ao longo de muitos anos em tubulações de água do mar e outras aplicações marítimas. Essas ligas resistem à bioincrustação em mar aberto, onde não permitem que o limo microbiano se acumule e suporte a macrofouling.
Os pesquisadores atribuem a resistência do cobre à bioincrustação, mesmo em águas temperadas, a dois mecanismos possíveis: 1) uma sequência retardadora de colonização por meio da liberação lenta de íons de cobre durante o processo de corrosão, inibindo assim a fixação de camadas microbianas às superfícies marinhas; e / ou, 2) separar camadas que contêm produtos corrosivos e as larvas de organismos macro-incrustantes. O último mecanismo impede o estabelecimento dos estágios larvais pelágicos na superfície do metal, em vez de matar os organismos.
Propriedades antimicrobianas
Devido às fortes propriedades antimicrobianas do cobre, as barbatanas de cobre podem inibir o crescimento de bactérias, fungos e vírus que comumente se acumulam em sistemas de ar condicionado. Conseqüentemente, as superfícies dos trocadores de calor à base de cobre são mais limpas por períodos mais longos do que os trocadores de calor feitos de outros metais. Este benefício oferece uma vida útil muito maior do trocador de calor e contribui para melhorar a qualidade do ar. Trocadores de calor fabricados separadamente de cobre e alumínio antimicrobiano em um sistema HVAC em escala real foram avaliados por sua capacidade de limitar o crescimento microbiano em condições de taxas de fluxo normais usando ar externo de passagem única. Componentes de alumínio comumente usados desenvolveram biofilmes estáveis de bactérias e fungos dentro de quatro semanas de operação. Durante o mesmo período, o cobre antimicrobiano foi capaz de limitar as cargas bacterianas associadas às aletas do trocador de calor de cobre em 99,99% e as cargas fúngicas em 99,74%.
Os condicionadores de ar de barbatana de cobre foram implantados em ônibus em Xangai para matar rápida e completamente bactérias, vírus e fungos que anteriormente prosperavam em barbatanas que não eram de cobre e permitiam circular pelos sistemas. A decisão de substituir o alumínio por cobre seguiu os testes antimicrobianos do Centro Municipal de Controle e Prevenção de Doenças (SCDC) de Xangai de 2010 a 2012. O estudo descobriu que os níveis microbianos nas superfícies das aletas de cobre eram significativamente mais baixos do que no alumínio, ajudando assim a proteger o saúde dos passageiros dos ônibus.
Mais informações sobre os benefícios do cobre antimicrobiano em sistemas HVAC estão disponíveis.
Facilidade de ranhura interna
Tubos de cobre ranhurados internamente de diâmetros menores são mais eficientes do ponto de vista térmico, material e mais fácil de dobrar, alargar e trabalhar com outros. Geralmente é mais fácil fazer tubos ranhurados internos de cobre, um metal muito macio.
Aplicações comuns para trocadores de calor de cobre
Instalações industriais e usinas de energia
As ligas de cobre são amplamente utilizadas como tubos trocadores de calor em usinas de energia elétrica de geração de vapor fóssil e nuclear , usinas químicas e petroquímicas , serviços marítimos e usinas de dessalinização .
O maior uso de tubos trocadores de calor de liga de cobre em uma base por unidade é em usinas de energia elétrica. Essas plantas contêm condensadores de superfície, aquecedores e resfriadores, todos com tubos de cobre. O condensador de superfície principal que aceita descargas de vapor de turbina usa a maior quantidade de cobre.
Cobre-níquel é o grupo de ligas comumente especificadas em tubos de trocador de calor ou condensador em evaporadores de usinas de dessalinização, usinas de indústria de processo, zonas de resfriamento de ar de usinas térmicas, aquecedores de água de alimentação de alta pressão e tubulação de água do mar em navios. A composição das ligas pode variar de 90% Cu – 10% Ni a 70% Cu – 30% Ni.
Condensadores e tubos de trocador de calor de latão almirantado arsênico (Cu-Zn-Sn-As) já dominaram o mercado de instalações industriais. Posteriormente, o latão de alumínio ganhou popularidade devido à sua maior resistência à corrosão. Hoje, alumínio-latão, 90% Cu-10% Ni e outras ligas de cobre são amplamente utilizadas em trocadores de calor tubulares e sistemas de tubulação em água do mar , água salobra e água doce . As ligas de alumínio-latão, 90% Cu-10% Ni e 70% Cu-30% Ni apresentam boa resistência à corrosão em água do mar desaerada a quente e em salmouras em plantas de dessalinização flash de vários estágios.
Trocadores de calor refrigerados a líquido de tubo fixo especialmente adequados para aplicações marítimas e severas podem ser montados com conchas de latão, tubos de cobre, defletores de latão e cubos de extremidade integral de latão forjado.
Os tubos de liga de cobre podem ser fornecidos com uma superfície metálica brilhante (CuNiO) ou com uma fina camada de óxido firmemente fixada (latão de alumínio). Esses tipos de acabamento permitem a formação de uma camada protetora. A superfície protetora de óxido é melhor alcançada quando o sistema é operado por várias semanas com água de resfriamento limpa e contendo oxigênio. Enquanto a camada protetora se forma, medidas de suporte podem ser realizadas para aprimorar o processo, como a adição de sulfato de ferro ou limpeza intermitente do tubo. A película protetora que se forma nas ligas de Cu-Ni na água do mar aerada amadurece em cerca de três meses a 60 ° F e se torna cada vez mais protetora com o tempo. O filme é resistente a águas poluídas, velocidades irregulares e outras condições adversas. Mais detalhes estão disponíveis.
A resistência à bioincrustação das ligas Cu-Ni permite que as unidades de troca de calor operem por vários meses entre as limpezas mecânicas. No entanto, limpezas são necessárias para restaurar as capacidades originais de transferência de calor. A injeção de cloro pode estender os intervalos de limpeza mecânica para um ano ou mais, sem efeitos prejudiciais nas ligas Cu-Ni.
Mais informações sobre trocadores de calor de liga de cobre para instalações industriais estão disponíveis.
Sistemas solares de água térmica
Aquecedores solares de água podem ser uma forma econômica de gerar água quente para residências em muitas regiões do mundo. Trocadores de calor de cobre são importantes no aquecimento solar térmico e sistemas de resfriamento por causa da alta condutividade térmica do cobre, resistência à corrosão atmosférica e hídrica, vedação e união por soldagem e resistência mecânica. O cobre é utilizado tanto em receptores como em circuitos primários (tubos e trocadores de calor para tanques de água) de sistemas solares de água térmica.
Vários tipos de coletores solares para aplicações residenciais estão disponíveis com circulação direta (ou seja, aquece a água e a leva diretamente para a casa para uso) ou circulação indireta (ou seja, bombeia um fluido de transferência de calor através de um trocador de calor, que então aquece a água que flui para os sistemas domésticos). Em um aquecedor solar de água quente de tubo evacuado com um sistema de circulação indireta, os tubos evacuados contêm um tubo externo de vidro e um tubo absorvedor de metal preso a uma aleta. A energia solar térmica é absorvida pelos tubos evacuados e é convertida em calor concentrado utilizável. Os tubos de vidro evacuados possuem uma camada dupla. Dentro do tubo de vidro está o tubo de calor de cobre. É um tubo oco de cobre selado que contém uma pequena quantidade de fluido de transferência térmica (água ou mistura de glicol) que sob baixa pressão ferve a uma temperatura muito baixa. O tubo de calor de cobre transfere energia térmica de dentro do tubo solar para um coletor de cobre. Conforme a solução circula pelo coletor de cobre, a temperatura aumenta.
Outros componentes em sistemas de água térmica solar que contêm cobre incluem tanques de trocador de calor solar e estações de bombeamento solar, junto com bombas e controladores.
Sistemas HVAC
Ar condicionado e aquecimento em edifícios e veículos motorizados são duas das maiores aplicações para trocadores de calor . Enquanto o tubo de cobre é usado na maioria dos sistemas de ar condicionado e refrigeração, as unidades de ar condicionado típicas usam aletas de alumínio. Esses sistemas podem abrigar bactérias e fungos e desenvolver odores e incrustações que podem fazer com que funcionem mal. Novos requisitos rigorosos, incluindo demandas por maior eficiência operacional e a redução ou eliminação de emissões prejudiciais, estão aprimorando o papel do cobre nos sistemas modernos de HVAC .
As propriedades antimicrobianas do cobre podem melhorar o desempenho dos sistemas HVAC e a qualidade do ar interno associada . Após extensos testes, o cobre se tornou um material registrado nos Estados Unidos para proteger as superfícies de equipamentos de aquecimento e ar condicionado contra bactérias, mofo e bolor . Além disso, os testes financiados pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos estão demonstrando que os condicionadores de ar totalmente em cobre suprimem o crescimento de bactérias, mofo e bolor que causam odores e reduzem a eficiência energética do sistema. As unidades feitas de alumínio não demonstram esse benefício.
O cobre pode causar uma reação galvânica na presença de outras ligas, levando à corrosão.
Aquecedores de água a gás
O aquecimento de água é o segundo maior uso de energia em casa. Trocadores de calor gás-água que transferem calor de combustíveis gasosos para água entre 3 e 300 quilowatts térmicos (kWth) têm amplo uso residencial e comercial em aquecimento de água e aplicações de aparelhos de caldeira de aquecimento.
A demanda está aumentando por sistemas compactos de aquecimento de água com eficiência energética. Aquecedores de água a gás sem tanque produzem água quente quando necessário. Os trocadores de calor de cobre são o material preferido nessas unidades por causa de sua alta condutividade térmica e facilidade de fabricação. Para proteger essas unidades em ambientes ácidos , revestimentos duráveis ou outros tratamentos de superfície estão disponíveis. Os revestimentos resistentes a ácidos são capazes de suportar temperaturas de 1000 ° C.
Aquecimento e resfriamento por ar forçado
As bombas de calor de fonte de ar têm sido usadas para aquecimento e resfriamento residencial e comercial por muitos anos. Essas unidades dependem da troca de calor ar-ar por meio de unidades evaporadoras semelhantes às usadas para condicionadores de ar. Trocadores de calor de água para ar com aletas são mais comumente usados para sistemas de aquecimento e resfriamento de ar forçado, como fornos de madeira internos e externos, caldeiras e fogões. Eles também podem ser adequados para aplicações de refrigeração líquida. O cobre é especificado em coletores de suprimento e retorno e em bobinas de tubo.
Aquecimento / resfriamento geotérmico de troca direta (DX)
A tecnologia de bomba de calor geotérmica , também conhecida como "fonte no solo", "acoplada à terra" ou "troca direta", depende da circulação de um refrigerante através de tubos de cobre enterrados para troca de calor. Essas unidades, que são consideravelmente mais eficientes do que suas contrapartes de fonte de ar, dependem da constância das temperaturas do solo abaixo da zona de gelo para a transferência de calor. As bombas de calor de fonte de solo mais eficientes usam ACR, Tipo L ou tubulação de cobre de tamanho especial enterrada no solo para transferir calor de ou para o espaço condicionado. Tubo de cobre flexível (normalmente 1/4 pol. A 5/8 pol.) Pode ser enterrado em buracos verticais profundos, horizontalmente em um padrão de grade relativamente raso, em um arranjo tipo cerca vertical em trincheiras de profundidade média ou como configurações personalizadas . Mais informações estão disponíveis.
Sistemas eletrônicos
Cobre e alumínio são usados como dissipadores de calor e tubos de calor em aplicações de resfriamento eletrônico . Um dissipador de calor é um componente passivo que resfria dispositivos semicondutores e optoeletrônicos , dissipando o calor no ar circundante. Os dissipadores de calor têm temperaturas mais altas do que os ambientes circundantes, de modo que o calor pode ser transferido para o ar por convecção , radiação e condução .
O alumínio é o material de dissipador de calor mais usado devido ao seu custo mais baixo. Dissipadores de calor de cobre são uma necessidade quando níveis mais altos de condutividade térmica são necessários. Uma alternativa aos dissipadores de calor totalmente em cobre ou alumínio é a união de aletas de alumínio a uma base de cobre.
Os dissipadores de calor de cobre são fundidos sob pressão e unidos em placas. Eles espalham o calor rapidamente da fonte de calor para as aletas de cobre ou alumínio e para o ar circundante.
Os tubos de calor são usados para afastar o calor das unidades de processamento central (CPUs) e unidades de processamento gráfico (GPUs) e para os dissipadores de calor, onde a energia térmica é dissipada no ambiente. Os tubos de calor de cobre e alumínio são amplamente usados em sistemas de computador modernos, onde os requisitos de energia aumentados e as emissões de calor associadas resultam em maiores demandas nos sistemas de resfriamento.
Um tubo de calor normalmente consiste em um tubo ou tubo selado nas extremidades quente e fria. Tubos de calor utilizam resfriamento evaporativo para transferir energia térmica de um ponto a outro pela evaporação e condensação de um fluido de trabalho ou refrigerante. Eles são fundamentalmente melhores na condução de calor em distâncias maiores do que os dissipadores de calor porque sua condutividade térmica efetiva é várias ordens de magnitude maior do que a do condutor sólido equivalente.
Quando é desejável manter as temperaturas de junção abaixo de 125-150 ° C, tubos de aquecimento de cobre / água são normalmente usados. Os tubos de calor de cobre / metanol são usados se a aplicação exigir operações de tubo de calor abaixo de 0 ° C.
Novas tecnologias
CuproBraze
CuproBraze é uma tecnologia de trocador de calor de liga de cobre desenvolvida para aplicações que precisam resistir a condições adversas. A tecnologia é particularmente adequada para ambientes de alta temperatura e pressão exigidos em motores a diesel mais limpos que estão sendo exigidos por regulamentações ambientais globais .
As aplicações do CuproBraze incluem refrigeradores de ar , radiadores , refrigeradores de óleo , sistemas de controle de temperatura e núcleos de transferência de calor. CuproBraze é particularmente adequado para refrigeradores de ar e radiadores em indústrias de capital intensivo , onde as máquinas devem operar por longos períodos de tempo sob condições adversas sem falhas prematuras. Por essas razões, CuproBraze é particularmente adequado para os mercados de veículos off-road , caminhões, ônibus, motores industriais, geradores , locomotivas e equipamentos militares . A tecnologia também é adequada para caminhões leves, SUVs e automóveis de passageiros.
CuproBraze é uma alternativa para aleta de placa de cobre / latão soldada, aleta de serpentina de cobre soldada e aleta de serpentina de alumínio brasado. A tecnologia permite que aletas serpentinas de cobre soldadas sejam usadas em projetos de trocadores de calor de cobre-latão. Eles são menos caros de fabricar do que os designs de aletas serpentinas soldadas. Eles também são mais fortes, mais leves, mais duráveis e têm juntas mais resistentes.
Ranhurado internamente
Os benefícios do tubo de cobre ranhurado internamente de diâmetro menor para transferência de calor estão bem documentados.
Bobinas de diâmetro menor têm melhores taxas de transferência de calor do que bobinas de tamanho convencional e podem suportar pressões mais altas exigidas pela nova geração de refrigerantes ecologicamente corretos. Bobinas de diâmetro menor também têm custos de material mais baixos porque requerem menos refrigerante, aletas e materiais de bobina; e eles permitem o projeto de condicionadores de ar e refrigeradores menores e mais leves de alta eficiência porque as bobinas dos evaporadores e condensadores são menores e mais leves. O MicroGroove usa uma superfície interna ranhurada do tubo para aumentar a razão entre a superfície e o volume e aumentar a turbulência para misturar o refrigerante e homogeneizar as temperaturas ao longo do tubo.