Kupferrohre gehören zu den am häufigsten verwendeten Rohren in Kühlsystemen. Kupferrohre haben die Vorteile einer guten Wärmeleitfähigkeit, hohen Festigkeit, guten Formbarkeit und Korrosionsbeständigkeit und werden häufig in Wärmeaustauschkomponenten wie Kondensatoren und Verdampfern sowie in Verbindungsrohren verwendet. In diesem Artikel werden die Klassifizierung von Kupferrohren, die technischen Anforderungen an Kühlkupferrohre und die Berechnung der Wandstärke von Kupferrohren ausführlich erläutert.
1, Klassifizierung und Leistungsmerkmale von Kupferrohren
1. Nach Materialzusammensetzung:
Kupferrohre können in Kupferrohre (TP2), Messingrohre (H62/H65/H68), Bronzerohre (QSn6.5-0.1), Weißkupferrohre (Ni-Cu-Legierung) usw. unterteilt werden. Unter ihnen haben Kupferrohre die beste Wärmeleitfähigkeit, sind aber teurer; Gelbkupferrohre haben eine hohe Festigkeit, aber eine geringe Wärmeleitfähigkeit; Bronze- und Weißkupferrohre haben eine gute Korrosionsbeständigkeit, aber eine schlechte Verarbeitungsleistung.
2. Aufgeteilt nach Produktionsverfahren:
Kupferrohre können in sauerstofffreie Kupferrohre, sauerstoffhaltige Kupferrohre, Kupferrohre mit Innengewinde usw. unterteilt werden. Sauerstofffreie Kupferrohre haben eine hohe Reinheit und werden im Allgemeinen zur Herstellung von Präzisionskomponenten wie Kapillaren verwendet. Sauerstoffhaltige Kupferrohre haben eine mäßige Festigkeit und Härte, sind gut schweißbar und werden häufig als Verbindungsrohre verwendet. Die Innenwand des Kupferrohrs mit Innengewinde ist mit einem Gewinde versehen, was eine gute Wirkung zur Verbesserung der Wärmeübertragung hat.
3. Nach Härte:
Kupferrohre können in drei Kategorien unterteilt werden: weicher Zustand (O-Zustand), halbharter Zustand (1/2H) und harter Zustand (H-Zustand). Das O-Zustand-Kupferrohr ist weich, mit guter Plastizität und Duktilität, aber geringer Festigkeit; H-Zustand-Kupferrohre haben eine hohe Festigkeit und Härte, aber eine schlechte Plastizität; 1/2H-Kupferrohre haben eine mäßige Festigkeit und Plastizität, gute Verarbeitungseigenschaften und sind die bevorzugte Wahl für Kühlleitungen.
2. Technische Anforderungen an Kupferrohre für Kälteanlagen
1. Materielle Anforderungen
In Kälteanlagen kommen häufig Kupferrohre des Typs 1/2H (TP2M) zum Einsatz, deren chemische Zusammensetzung den Bestimmungen von GB/T 17505-2010 [4] entsprechen sollte:
Cu+Ag Größer oder gleich 99,90 %
{{0}},015 % Kleiner oder gleich P Kleiner oder gleich 0,040 %
Der Gehalt an Verunreinigungselementen sollte die Anforderungen von Bi kleiner oder gleich {{0}}.001 %, Sb kleiner oder gleich 0.{{10}}02 %, As kleiner oder gleich 0.002 %, Fe kleiner oder gleich 0,005 %, Pb kleiner oder gleich 0,005 %, S kleiner oder gleich 0,005 %, Zn kleiner oder gleich 0,005 %, Ni kleiner oder gleich 0,002 %, Sn kleiner oder gleich 0,002 % erfüllen.
2. Mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften von Kupferrohren im 1/2H-Zustand sollten die folgenden Anforderungen erfüllen [4]:
Zugfestigkeit Rm größer oder gleich 295 MPa
Streckgrenze Rp0.2 Größer oder gleich 255MPa
Dehnung nach Bruch A größer oder gleich 3 %
Tabelle: Mechanische Eigenschaften von Rohren bei Raumtemperatur
3. Maßabweichung
Die Grenzabweichung des Außendurchmessers (D) und der Wanddicke (s) von Kupferrohren muss den Bestimmungen der Tabelle 1 [5] entsprechen. Das Mick-Gewicht (M) muss nach der Formel M=0.02566 · D · s [6] berechnet werden, und die Abweichung muss innerhalb von ± 8 % liegen.
Tabelle: Abmessungen und Abweichungen von Kupferrohren (mm)
Tabelle 1/2H gibt die Grenzabweichungen der Kupferrohrgröße an (mm)
3. Berechnungsmethode für die Wandstärke von Kupferrohren
1. Standardmethoden für Druckbehälter
Nach dem ASME Pressure Vessel Code kann die Mindestwanddicke von Kupferrohren unter Innendruck mit folgender Formel berechnet werden [7]:
t=PD/(2S+0.8P)
In der Formel: t – Mindestwandstärke (mm), P – Auslegungsdruck (MPa), D – Außendurchmesser des Rohrs (mm), S – zulässige Spannung des Kupferrohrs (MPa), im Allgemeinen angenommen als 1/3 bis 1/4 der Streckgrenze des Kupferrohrs.
2. Methoden der Strömungsmechanik
Unter Berücksichtigung des Druckverlustes bei der Strömung sollte die Wandstärke von Kupferrohren auch den strömungsmechanischen Festigkeitsbedingungen genügen [8]:
t=D·(3ξρv^2/8σ[s])^0.5
In der Formel: ξ - Widerstandskoeffizient entlang des Pfads, bezogen auf die Reynoldszahl und die relative Rauheit; ρ - Kältemitteldichte (kg/m³); V - Kältemitteldurchflussrate (m/s); σ [s] - zulässige Scherspannung des Kupferrohrs (MPa), die als 1/3 der Streckgrenze angenommen werden kann.
3. Vibrationsermüdungsmethode
Kupferrohrleitungen in Kälteanlagen sind häufig wechselnden Beanspruchungen ausgesetzt und müssen hinsichtlich ihrer Schwingfestigkeit nachgewiesen werden [9]:
σ[a]=Cf·σ[-1]·(2N[f])^m Kleiner oder gleich [σ]
In der Formel: σ [a] - Amplitude der Wechselspannung (MPa), Cf - Oberflächenqualitätskoeffizient, σ [-1] - Dauerfestigkeit des Kupferrohrmaterials (MPa), angenommen als 0.40.5 der Streckgrenze, Nf - Dauerfestigkeitslebensdauer (Zeiten), m-Dauerfestigkeitsindex, angenommen als 34, [σ] - zulässige Wechselspannung (MPa), angenommen als 0.6~0.7 der Streckgrenze. Daraus kann die erforderliche Mindestwandstärke geschätzt werden.
Um die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Kupferrohren unter rauen Arbeitsbedingungen wie hohen Temperaturen, hohem Druck und Vibrationen zu gewährleisten, sollte die Konstruktion im Allgemeinen separat nach den oben genannten drei Methoden berechnet und der Maximalwert als Nennwandstärke des Kupferrohrs ausgewählt werden.
4. Fazit
Die Auswahl und Konstruktion von Kupferrohren für Kühlsysteme ist ein systematisches Projekt, bei dem verschiedene Faktoren wie Materialien, Verarbeitung, Anschluss, Installation und Verwendung umfassend berücksichtigt werden müssen. Bei der Konstruktion sollten Material, Zustand und Spezifikationen der Kupferrohre basierend auf der Kühlleistung, dem Arbeitsmedium, der Temperatur, dem Druck und anderen Parametern des Systems angemessen ausgewählt werden. Die Bestimmung der Wandstärke von Kupferrohren erfordert eine Überprüfung und Berechnung unter Aspekten wie Druckbelastbarkeit, Flüssigkeitsbeständigkeit, Vibrationsermüdung usw., um die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit des Systems zu gewährleisten.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in diesem Artikel angegebene Formel zur Berechnung der Wandstärke nur als Referenz dient. Bei der tatsächlichen Konstruktion muss auch der Einfluss von Faktoren wie Biegeradius des Kupferrohrs, Stützabstand und Verbindungsmethode berücksichtigt werden. Designer sollten sich rechtzeitig mit den neuesten Standards und technologischen Entwicklungen von Kupferrohren und -armaturen vertraut machen, ihre Konstruktionsmethoden verbessern und die Konstruktionsqualität steigern. Gleichzeitig ist es notwendig, die Kontrolle des Bauprozesses zu verstärken und die Spezifikationen für Transport, Lagerung, Verarbeitung, Anschluss sowie Systeminstallation und Inbetriebnahme von Kupferrohren strikt einzuhalten, um einen sicheren und effizienten Betrieb des Kühlsystems zu gewährleisten.
