열교환기 내 구리

Copper in heat exchangers

열교환기는 원하는 난방이나 냉각을 달성하기 위해 열을 전달하는 장치다. 열교환기 기술의 중요한 설계 측면은 열을 빠르고 효율적으로 전도하고 전달하기 위한 적절한 물질의 선택이다.

구리는 열효율적이고 내구성 있는 열교환기에 많은 바람직한 성질을 가지고 있다. 무엇보다도 구리는 열의 훌륭한 전도체다. 구리의 열전도율이 높아 열이 빠르게 통과할 수 있다는 의미다. 열교환기에서 구리의 기타 바람직한 특성은 부식 저항성, 생물불화 저항성, 최대 허용 응력과 내부 압력, 크리프 파열 강도, 피로 강도, 경도, 열팽창, 특정 열, 항균성 특성, 인장 강도, 항복 강도, 높은 용융점, 합금, 섬유 용이성 등이다.쉽게 가입할 수 있도록.

이러한 특성들의 조합을 통해 산업시설, HVAC 시스템, 차량용 냉각기 및 방사기의 열교환기에 구리를 지정할 수 있으며 컴퓨터, 디스크 드라이브, 텔레비전, 컴퓨터 모니터 및 기타 전자장비를 냉각시키기 위한 열제거원으로서 구리를 지정할 수 있다.[1] 구리 역시 금속이 열을 빨리 전도하여 고르게 분배하기 때문에 고품질 조리용기의 밑바닥에 편입된다.

비코퍼 열 교환기도 이용할 수 있다. 대체 재료로는 알루미늄, 탄소강, 스테인리스강, 니켈합금, 티타늄 등이 있다.

이 글에서는 열교환기에서 구리의 유익한 특성과 일반적인 용도에 초점을 맞추고 있다. 특정 용도를 위한 구리 열교환기 기술도 새롭게 도입된다.

역사

구리와 그 합금을 이용한 열교환기는 지난 수백 년 동안 열전달 기술과 함께 진화해 왔다. 구리 콘덴서 튜브는 1769년에 증기 엔진에 처음 사용되었다. 처음에, 그 관들은 무합동 구리로 만들어졌다. 1870년까지 60% Cu-40% Zn 황동 합금인 문츠 금속이 해수 냉각의 응축기에 사용되었다. 내식성 개선을 위해 70% Cu-30% Zn 황동합금, 1% 주석 첨가된 황동합금인 해군 금속은 1890년 해수 서비스를 위해 도입되었다.[2] 1920년대까지 70% Cu-30% Ni 합금이 해군용 콘덴서용으로 개발되었다. 곧, 더 나은 침식 저항성을 위해 망간 2%와 철 구리 합금이 도입되었다. 90% Cu-10% Ni 합금은 처음에 해수 배관을 위해 1950년대에 처음 사용 가능해졌다. 이 합금은 현재 해상 열교환기에서 가장 널리 사용되는 구리-니켈 합금이 되었다.

오늘날, 증기, 증발기, 콘덴서 코일은 구리와 구리 합금으로 만들어진다.[3] 이러한 열교환기는 냉난방 시스템, 산업 및 중앙 냉난방 시스템, 방사기, 온수 탱크 및 바닥 밑 난방 시스템에 사용된다.

구리 기반 열 교환기는 구리 튜브/알루미늄 핀, 큐프로 니켈 또는 올코퍼 구조로 제조할 수 있다. 튜브와 핀의 내식성을 높이기 위해 다양한 코팅이 적용될 수 있다.[3][4]

구리 열교환기의 유익한 특성

열전도도

열전도율(k, λ 또는 κ라고도 함)은 물질의 열 전도능력의 척도다. 열전도율이 높은 물질에 걸친 열전달은 열전도율이 낮은 물질에 비해 높은 비율로 발생한다. 국제 단위계(SI)에서는 열전도도를 미터 켈빈(W/(m•K)) 당 와트로 측정한다. 제국 측정 시스템(영국 제국 또는 제국 단위)에서는 열전도도를 Btu/(hr•ft⋅F)로 측정한다.

구리의 열전도도는 231Btu/(hr-ft-F)이다. 이는 귀금속인 은을 제외한 다른 모든 금속보다 높다. 구리는 알루미늄보다 열전도율이 60% 더 높고 스테인리스강보다 등급이 3000% 더 높다.[5]

일부 일반 금속의[6] 열전도도
금속 열전도도
(Btu/(hr-ft-F) (W/(m•K)
은색 247.87 429
구리 231 399
금 183 316
알루미늄 136 235
황동 69.33 120
주철 46.33 80.1
스테인리스강 8.1 14.0

선택된 금속의 열전도도에 대한 추가 정보를 이용할 수 있다.[7]

부식 저항성

온수 탱크, 라디에이터 등 유체가 포함된 열 전달 용도에 내식성이 필수적이다. 구리와 내식성이 비슷한 유일한 적당한 재료는 스테인리스강이다. 그러나 스테인리스강의 열전도율은 구리의 1/30이다. 알루미늄 튜브는 pH(7.0)에서 부식되고 수소 가스를 방출하기 때문에 음용수 또는 처리되지 않은 물 용도에 적합하지 않다.[8][9][10]

구리 합금 튜브의 내부 표면에 보호막을 발라 부식 저항성을 높일 수 있다. 특정 용도를 위해 이 영화는 철로 구성되어 있다. 발전소 콘덴서에는 외부 구리-니켈 합금이 있는 내부 티타늄층으로 구성된 이중 튜브가 사용된다. 이를 통해 티타늄의 우수한 부식 저항성과 함께 구리의 유익한 기계적 및 화학적 특성(예: 응력 부식 균열, 암모니아 공격)을 사용할 수 있다. 내측 알루미늄 황동 또는 구리 니켈과 외부 스테인리스 또는 연강으로 구성된 2중 튜브는 정유 및 석유화학 산업에서 냉각에 사용될 수 있다.[11]

바이오풀링 저항성

구리와 구리 니켈 합금은 대체 물질에 비해 바이오풀링에 대한 내성이 높다. 강철, 티타늄, 알루미늄과 같은 열교환기에 사용되는 다른 금속은 쉽게 오염된다. 특히 해양 구조물에서 생물 불링에 대한 보호는 구리 금속으로 장기간에 걸쳐 수행될 수 있다.

구리-니켈 합금은 수년 동안 바닷물 파이프 구조와 다른 해양 용도에서 입증되었다. 이 합금은 미생물 슬라임이 쌓이고 매크로풀링을 지원하지 않는 외해에서 바이오풀링에 저항한다.[12]

연구원들은 생물 부착에, 온대 해역에서도 두가지 가능한 메커니즘:식민지화 구리 이온의 부식 과정에서 느린 방출을 통해 1)retarding 순서, 그에 따라 미생물 층의 해양 표면에 부착 억제,[13]는 구리 선의 저항 속성 및/또는, 2)는 부식성 프로가 포함된 계층들이니까 말이다.덕트s와 매크로 러스트 유기체의 애벌레.[14] 후자의 메커니즘은 유기체를 죽이기보다는 금속 표면의 펠로릭 애벌레 단계의 정착을 방해한다.

항균 특성

구리의 강력한 항균성 때문에 구리 지느러미는 에어컨 시스템에 흔히 쌓이는 박테리아, 곰팡이, 바이러스성 성장을 억제할 수 있다. 따라서 구리 기반 열교환기의 표면은 다른 금속으로 만든 열교환기보다 장기간 더 깨끗하다. 이러한 이점은 열교환기 사용 수명을 크게 확장하고 대기질 개선에 기여한다. 전면 HVAC 시스템에서 항균동 및 알루미늄과 별도로 제작된 열교환기는 단일패스 외부공기를 이용해 정상 유량 조건에서 미생물 성장을 제한하는 능력을 평가받았다. 흔히 사용되는 알루미늄 성분이 작동 4주 만에 박테리아와 곰팡이의 안정적인 생체 여름을 개발했다. 같은 기간 동안 항균 구리는 구리 열교환기 핀과 관련된 박테리아 하중을 99.99%, 곰팡이 하중을 99.74%[15][16][17] 제한할 수 있었다.

구리 지느러미 에어컨은 상하이 시내 버스에 배치돼 이전에 비코퍼 지느러미에서 번성하고 계통 주위를 순환할 수 있었던 박테리아, 바이러스, 곰팡이 등을 빠르고 완전하게 죽인다. 알루미늄을 구리로 대체하기로 한 결정은 2010년부터 2012년까지 상하이시 질병관리본부(SCDC)의 항균 테스트에 이은 것이다. 구리 지느러미 표면의 미생물 수치가 알루미늄보다 현저히 낮아 버스 승객의 건강 보호에 도움이 된다는 연구 결과가 나왔다.[17][18]

HVAC 시스템에서 항균 구리의 이점에 대한 추가 정보를 이용할 수 있다.[19][20][21]

내부 그루빙의 용이성

더 작은 직경의 내부 홈이 있는 구리 튜브는 열효율적이고, 물질적으로 효율적이며, 구부러지고 플레어(flare)를 일으키거나 다른 방법으로 작업하기 쉽다. 일반적으로 매우 부드러운 금속인 구리로 내부 홈이 파여진 관을 만드는 것이 더 쉽다.

구리 열교환기의 공통적 용도

산업시설 및 발전소

구리합금은 화석 및 원자력 발전소에서 열교환기 관으로 광범위하게 사용되고 있으며, 발전소는 화학과 석유화학 발전소, 해양 서비스 및 담수화 발전소 등이 있다.

단위당 구리합금 열교환기 관을 가장 많이 사용하는 것은 유틸리티 발전소에 있다. 이들 식물에는 표면 응축기, 난방기, 냉각기가 들어 있는데, 모두 구리 튜브가 들어 있다. 터빈-증기 방출을 받아들이는 주 표면 응축기는 가장 많은 양의 구리를 사용한다.[2]

구리 니켈은 담수화 공장의 증발기, 공정 산업 공장, 화력발전소의 공기 냉각 구역, 고압 공급 온수기, 선박의 해수 배관의 열 교환기나 콘덴서 튜브에 일반적으로 명시된 합금 그룹이다.[11] 합금의 구성은 90% Cu–10% Ni에서 70% Cu–30% Ni까지 다양할 수 있다.

한때 비소성 황동(Cu-Zn-Sn-As)의 콘덴서와 열교환기 튜빙이 산업시설 시장을 장악했다. 알루미늄 놋쇠는 부식 저항성이 강화되어 후에 인기가 높아졌다.[22] 오늘날 알루미늄 브라스, 90%Cu-10%Ni 및 기타 구리 합금은 해수, 기수, 담수 등의 관형 열교환기와 배관 시스템에 널리 사용되고 있다. 알루미늄 브라스, 90% Cu-10%, 70% Cu-30% Ni 합금은 고온 탈열 해수 및 다단계 플래시 담수화 공장의 브라인에서 부식 저항성이 양호하다.[23][24]

해양 및 가혹한 용도에 특히 적합한 고정관 액체 냉각 열 교환기는 황동 쉘, 구리관, 황동 배플 및 단조 황동 일체형 엔드 허브로 조립할 수 있다.[25]

구리 합금 튜브는 밝은 금속 표면(CuNiO) 또는 얇고 단단히 부착된 산화층(알루미늄 황동)으로 공급될 수 있다. 이러한 피니시 타입은 보호층을 형성할 수 있다.[24] 산화 방지 표면은 냉각수가 함유된 깨끗한 산소로 시스템을 몇 주 동안 작동할 때 가장 잘 달성된다. 보호층이 형성되는 동안 황산철 첨가나 간헐적인 튜브 세척 등 공정을 개선하기 위한 지원 조치를 실시할 수 있다. 공기식 해수에서 Cu-Ni 합금에 형성되는 보호막은 약 3개월 후 60°F에서 성숙되어 시간이 지날수록 보호막이 강화된다. 그 영화는 오염된 물, 불규칙한 속도, 그리고 다른 가혹한 조건들에 저항적이다. 더 자세한 내용은 이용할 수 있다.[26]

Cu-Ni 합금의 바이오풀링 저항은 기계적 청소 사이에서 열교환기가 몇 달 동안 작동할 수 있게 한다. 그럼에도 불구하고 원래의 열 전달 능력을 회복하기 위해서는 청소가 필요하다. 염소 주입은 Cu-Ni 합금에 해로운 영향 없이 기계적 세척 간격을 1년 이상으로 연장할 수 있다.

산업시설용 구리합금 열교환기에 대한 추가 정보를 이용할 수 있다.[27][28][29][30]

태양열수계

태양열 온수기는 세계 여러 지역의 가정에 온수를 발생시키는 비용 효율적인 방법이 될 수 있다. 구리 열교환기는 구리의 높은 열전도율, 대기 및 물 부식에 대한 저항성, 납땜에 의한 밀봉 및 접합성, 기계적 강도로 인해 태양열 냉난방 시스템에 중요하다. 구리는 태양열 열수 시스템의 수신기와 일차 회로(수조용 송풍기와 열 교환기)에 모두 사용된다.[31]

주거용 태양열 집열기는 직접 순환(즉, 물을 가열하여 가정에서 직접 사용) 또는 간접 순환(즉, 열 교환기를 통해 열 전달 액을 펌핑하여 가정으로 유입되는 물을 가열) 시스템으로 사용할 수 있다.[32] 간접 순환 시스템이 있는 진공관 태양열 온수기에서는 진공관에는 핀에 부착된 유리 외부 튜브와 금속 흡수기 튜브가 들어 있다. 태양열 에너지는 진공관 내에서 흡수되어 사용 가능한 농축 열로 변환된다. 대피한 유리관에는 이중층이 있다. 유리관 안에는 구리 열관이 있다. 밀폐된 중공 구리관으로, 열전달액(물 또는 글리콜 혼합물)이 소량 함유되어 있으며, 저압에서는 매우 낮은 온도에서 끓는다. 구리 히트 파이프는 태양관 내부의 열 에너지를 구리 헤더로 전달한다. 용액이 구리 헤더를 통해 순환하면서 온도가 상승한다.

구리를 포함하는 태양열 열수계통의 다른 구성품으로는 펌프 및 제어기와 함께 태양열교환기 탱크 및 태양열펌프장이 있다.[33][34][35][36][37]

HVAC 시스템

건물과 자동차의 냉난방은 열교환기의 가장 큰 응용 분야 중 하나이다. 대부분의 에어컨과 냉장 시스템에 구리 튜브가 사용되는 반면, 일반적인 에어컨 장치는 현재 알루미늄 지느러미를 사용하고 있다. 이 시스템은 박테리아와 곰팡이를 억제할 수 있고 악취와 악취를 발생시킬 수 있으며, 악취와 악취를 발생시킬 수 있다.[38] 운영 효율성 향상과 유해 배출물 감소 또는 제거에 대한 요구와 같은 엄격한 새로운 요구사항은 현대 HVAC 시스템에서 구리의 역할을 향상시키고 있다.[39]

구리의 항균 성질은 HVAC 시스템의 성능 및 관련 실내 공기 질을 향상시킬 수 있다. 광범위한 실험 후, 구리는 박테리아, 곰팡이, 곰팡이로부터 난방과 에어컨 장비 표면을 보호하는 등록 재료가 되었다. 게다가, 미 국방부의 자금 지원을 받는 테스트는 올코퍼 에어컨이 냄새를 유발하는 박테리아, 곰팡이, 곰팡이, 곰팡이의 성장을 억제하고 시스템의 에너지 효율을 떨어뜨린다는 것을 보여주고 있다. 알루미늄으로 만든 유닛은 이러한 장점을 보여주지 않았다.[40][41]

구리는 다른 합금이 있는 곳에서 갈바닉 반응을 일으켜 부식을 일으킬 수 있다.[42]

가스온수기

물난방은 가정에서 두 번째로 많은 에너지 사용량이다. 가스 연료에서 3~300kWh(kWth)의 열로 열을 전달하는 가스-물 열 교환기는 온수 가열 보일러 기기 용도에 주거용과 상업용 사용이 광범위하다.

에너지 효율이 높은 소형 물 난방 시스템에 대한 수요가 증가하고 있다. 탱크가 없는 가스 온수기는 필요할 때 뜨거운 물을 생산한다. 구리 열교환기는 열전도도가 높고 제작이 용이하기 때문에 이들 유닛에서 선호되는 소재다. 산성 환경에서 이러한 장치를 보호하기 위해 내구성 있는 코팅 또는 기타 표면 처리를 이용할 수 있다. 내산성 코팅은 1000 °C의 온도를 견딜 수 있다.[43][44]

강제 공기 냉난방

공기 발생 열 펌프는 여러 해 동안 주거용 및 상업용 냉난방용으로 사용되어 왔다. 이들 장치는 에어컨에 사용되는 것과 유사한 증발기 장치를 통한 공기 대 공기 열 교환에 의존한다. 옥외 목재 용해로, 보일러 및 스토브와 같은 강제 공기 냉난방 시스템에 핀으로 고정된 용수 대 공기 열 교환기가 가장 일반적으로 사용된다. 또한 액체 냉각 애플리케이션에도 적합할 수 있다. 구리는 공급 및 리턴 다지관과 튜브 코일에 명시되어 있다.[8]

직교류(DX) 지열 난방/냉방

지열 열펌프 기술은 '지열원', '지열결합', '직접교환' 등으로 다양하게 알려져 있으며, 열교환을 위해 매설된 구리관을 통해 냉매를 순환시키는 데 의존하고 있다. 이들 장치는 공기 공급원보다 상당히 효율적이며 열 전달을 위해 서리 구역 아래의 지반 온도의 항상성에 의존한다. 가장 효율적인 지상원 열펌프는 ACR, L형식 또는 지면에 묻힌 특수 크기의 구리 튜브를 사용하여 조건부 공간과 열을 전달한다. 유연한 구리관(일반적으로 1/4인치에서 5/8인치)은 깊은 수직 구멍, 비교적 얕은 그리드 패턴의 수평, 중간 깊이의 참호 안의 수직 울타리 같은 배열 또는 맞춤 구성으로 매립할 수 있다. 추가 정보가 제공된다.[45]

전자 시스템

구리와 알루미늄은 전자 냉각 애플리케이션에서 열제거원과 열 파이프로 사용된다. 열제거원은 주변 공기로 열을 분산시켜 반도체와 광전자 소자를 냉각시키는 패시브 부품이다. 열제거원은 주변 환경보다 온도가 높아 대류, 방사선, 전도에 의해 열이 공기 중으로 전달될 수 있다.

알루미늄은 비용이 저렴하기 때문에 가장 많이 사용되는 열제거원 재료다.[46] 구리 열제거원은 더 높은 수준의 열전도율이 필요할 때 필요하다. 올코퍼 또는 올 알루미늄 열제거원 대안은 구리 밑면에 알루미늄 핀을 접합하는 것이다.[47]

구리 열제거원은 다이캐스트되고 접시에 함께 묶여 있다. 그들은 열을 발생원에서 구리나 알루미늄 지느러미로 그리고 주변 공기로 빠르게 확산시킨다.

열 파이프는 열을 중앙처리장치(CPU)와 그래픽처리장치(GPU)에서 멀리 떨어뜨리고 열 에너지가 환경으로 방출되는 열제거원 쪽으로 이동시키기 위해 사용된다. 구리 및 알루미늄 히트 파이프는 전력 요구량 증가와 관련 열 방출로 냉각 시스템에 대한 수요가 증가하는 현대 컴퓨터 시스템에서 광범위하게 사용된다.

히트 파이프는 일반적으로 뜨거운 끝과 차가운 끝 양쪽에 밀봉된 파이프 또는 튜브로 구성된다. 히트 파이프는 증발식 냉각을 이용하여 작동 유체 또는 냉각제의 증발 및 응축에 의해 한 지점에서 다른 지점으로 열 에너지를 전달한다. 그들은 열전도의 유효성이 등가 고체 도체의 그것보다 몇 배나 크기 때문에 기본적으로 열전도에 있어 열전도가 열제거원보다 더 좋다.[48]

접점 온도를 125~150°C 이하로 유지하는 것이 바람직할 경우 일반적으로 구리/수열 파이프를 사용한다. 구리/메탄올 히트 파이프는 응용 프로그램이 0°C미만의 히트 파이프를 작동해야 하는 경우에 사용된다.[49]

신기술

큐프로브라제

주요 기사: 큐프로브라제

CuproBraze는 가혹한 조건을 견뎌야 하는 애플리케이션을 위해 개발된 구리 알로이 열교환기 기술이다. 이 기술은 특히 글로벌 환경 규제에 의해 의무화되고 있는 청정 디젤 엔진에서 요구되는 높은 온도와 압력 환경에 적합하다.[50][51]

CuproBraze 애플리케이션에는 차지 에어쿨러, 라디에이터, 오일 쿨러, 실내 온도 조절 시스템 및 열 전달 코어가 포함된다.[51][52] CuproBraze는 특히 기계가 가혹한 조건에서 조기 고장 없이 장시간 작동해야 하는 자본 집약적인 산업에서 차지 에어쿨러와 라디에이터에 적합하다. 이러한 이유로 큐프로브레이즈는 특히 오프로드 차량, 트럭, 버스, 산업용 엔진, 발전기, 기관차, 군사 장비 시장에 적합하다. 이 기술은 또한 경트럭, SUV, 승용차에도 적용 가능하다.[52][53][54]

CuproBraze는 납땜 구리/브래스 판 지느러미, 납땜 구리 황동 뱀핀 지느러미, 납땜 알루미늄 뱀핀 지느러미의 대안이다.[51] 이 기술을 통해 구리 뱀핀을 구리-브래스 열교환기 설계에 사용할 수 있다. 이것들은 땜질한 뱀 지느러미 디자인보다 제조에 덜 비싸다. 또한 튼튼하고 가벼우며 내구성이 뛰어나며 관절이 튼튼하다.[51]

내부 그루브드

열 전달을 위해 내부 홈이 파여진 구리 튜브의 이점은 잘 설명되어 있다.[55][56]

직경이 작은 코일은 기존 크기의 코일보다 열전달률이 우수하며 환경 친화적인 신세대 냉매에 요구되는 높은 압력을 견딜 수 있다. 직경이 작은 코일은 냉매, 지느러미, 코일 소재가 덜 필요하기 때문에 재료비용이 저렴하고, 증발기와 콘덴서 코일이 작고 가벼워 더 작고 가벼운 고효율 에어컨과 냉장고를 설계할 수 있다. 마이크로그루브는 홈이 파진 튜브 내부 표면을 사용해 표면 대 부피 비율을 높이고 난류를 증가시켜 냉매를 혼합하고 튜브 전체에서 온도를 균질화한다.[57][58][59]

참조

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