Cuivre dans les échangeurs de chaleur - Copper in heat exchangers
Les échangeurs de chaleur sont des dispositifs qui transfèrent la chaleur pour obtenir le chauffage ou le refroidissement souhaité. Un aspect de conception important de la technologie des échangeurs de chaleur est la sélection de matériaux appropriés pour conduire et transférer la chaleur rapidement et efficacement.
Le cuivre possède de nombreuses propriétés souhaitables pour les échangeurs thermiques efficaces et durables . D'abord et avant tout, le cuivre est un excellent conducteur de chaleur. Cela signifie que la conductivité thermique élevée du cuivre permet à la chaleur de le traverser rapidement. D'autres propriétés souhaitables du cuivre dans les échangeurs de chaleur comprennent sa résistance à la corrosion , sa résistance à l' encrassement biologique , sa contrainte maximale admissible et sa pression interne, sa résistance à la rupture en fluage, sa résistance à la fatigue , sa dureté , sa dilatation thermique , sa chaleur spécifique , ses propriétés antimicrobiennes , sa résistance à la traction , sa limite d'élasticité , son point de fusion élevé , alliable , facilité de fabrication et facilité d'assemblage.
La combinaison de ces propriétés permet de spécifier le cuivre pour les échangeurs de chaleur dans les installations industrielles, les systèmes CVC, les refroidisseurs et radiateurs de véhicules, et comme dissipateurs de chaleur pour refroidir les ordinateurs, lecteurs de disque , téléviseurs, écrans d'ordinateur et autres équipements électroniques. Le cuivre est également incorporé au fond des ustensiles de cuisine de haute qualité car le métal conduit rapidement la chaleur et la répartit uniformément.
Des échangeurs de chaleur sans cuivre sont également disponibles. Certains matériaux alternatifs comprennent l'aluminium, l'acier au carbone , l' acier inoxydable , les alliages de nickel et le titane .
Cet article se concentre sur les propriétés bénéfiques et les applications courantes du cuivre dans les échangeurs de chaleur. De nouvelles technologies d'échangeurs de chaleur en cuivre pour des applications spécifiques sont également introduites.
L'histoire
Les échangeurs de chaleur utilisant le cuivre et ses alliages ont évolué avec les technologies de transfert de chaleur au cours des dernières centaines d'années. Les tubes de condenseur en cuivre ont été utilisés pour la première fois en 1769 pour les moteurs à vapeur . Au départ, les tubes étaient en cuivre non allié. En 1870, le métal Muntz , un alliage de laiton à 60% Cu-40% Zn , était utilisé pour les condenseurs de refroidissement par eau de mer. Le métal Admiralty, un alliage de laiton jaune à 70% Cu-30% Zn avec 1% d' étain ajouté pour améliorer la résistance à la corrosion, a été introduit en 1890 pour le service en eau de mer. Dans les années 1920, un alliage 70% Cu-30% Ni a été développé pour les condenseurs navals. Peu de temps après, un alliage à 2% de manganèse et 2% de fer et de cuivre a été introduit pour une meilleure résistance à l'érosion. Un alliage 90% Cu-10% Ni est devenu disponible pour la première fois dans les années 1950, initialement pour les canalisations d'eau de mer. Cet alliage est aujourd'hui l'alliage cuivre-nickel le plus utilisé dans les échangeurs de chaleur marins.
Aujourd'hui, les serpentins de vapeur, d'évaporateur et de condenseur sont fabriqués à partir d'alliages de cuivre et de cuivre. Ces échangeurs de chaleur sont utilisés dans les systèmes de climatisation et de réfrigération, les systèmes de chauffage et de refroidissement industriels et centraux, les radiateurs , les réservoirs d'eau chaude et les systèmes de chauffage par le sol.
Les échangeurs de chaleur à base de cuivre peuvent être fabriqués avec des tubes en cuivre / ailettes en aluminium, en cupro-nickel ou tout en cuivre. Divers revêtements peuvent être appliqués pour améliorer la résistance à la corrosion des tubes et des ailettes.
Propriétés bénéfiques des échangeurs de chaleur en cuivre
Conductivité thermique
La conductivité thermique (k, également notée λ ou κ) est une mesure de la capacité d'un matériau à conduire la chaleur . Le transfert de chaleur entre les matériaux à conductivité thermique élevée se produit à une vitesse plus élevée que dans les matériaux à faible conductivité thermique. Dans le Système international d'unités (SI), la conductivité thermique est mesurée en watts par mètre Kelvin (W / (m • K)). Dans le système impérial de mesure ( unités impériales britanniques ou impériales ), la conductivité thermique est mesurée en Btu / (h • ft⋅F).
Le cuivre a une conductivité thermique de 231 Btu / (h-ft-F). C'est plus élevé que tous les autres métaux à l'exception de l'argent, un métal précieux . Le cuivre a une conductivité thermique supérieure de 60% à celle de l'aluminium et une valeur de 3 000% supérieure à celle de l'acier inoxydable.
| Métal | Conductivité thermique | |
|---|---|---|
| (Btu / (h-pi-F)) | (W / (m • K)) | |
| argent | 247,87 | 429 |
| Cuivre | 231 | 399 |
| Or | 183 | 316 |
| Aluminium | 136 | 235 |
| Laiton jaune | 69,33 | 120 |
| Fonte | 46,33 | 80,1 |
| Acier inoxydable | 8.1 | 14,0 |
De plus amples informations sur la conductivité thermique de certains métaux sont disponibles.
Résistance à la corrosion
La résistance à la corrosion est essentielle dans les applications de transfert de chaleur où des fluides sont impliqués, comme dans les réservoirs d'eau chaude, les radiateurs, etc. Le seul matériau abordable qui a une résistance à la corrosion similaire au cuivre est l'acier inoxydable. Cependant, la conductivité thermique de l'acier inoxydable est 1/30 de celle du cuivre. Les tubes en aluminium ne conviennent pas aux applications d'eau potable ou non traitée car ils se corrodent à pH <7,0 et libèrent de l'hydrogène gazeux.
Des films protecteurs peuvent être appliqués sur la surface intérieure des tubes en alliage de cuivre pour augmenter la résistance à la corrosion. Pour certaines applications, le film est composé de fer. Dans les condenseurs de centrales électriques, des tubes duplex constitués d'une couche interne de titane avec des alliages externes de cuivre-nickel sont utilisés. Cela permet d'utiliser les propriétés mécaniques et chimiques avantageuses du cuivre (par exemple, la fissuration par corrosion sous contrainte, l'attaque à l'ammoniac) ainsi que l'excellente résistance à la corrosion du titane. Un tube duplex avec intérieur en laiton d'aluminium ou cuivre-nickel et extérieur en acier inoxydable ou doux peut être utilisé pour le refroidissement dans les industries du raffinage du pétrole et de la pétrochimie.
Résistance au bio-encrassement
Les alliages de cuivre et de cuivre-nickel ont une résistance naturelle élevée à l'encrassement biologique par rapport aux matériaux alternatifs. D'autres métaux utilisés dans les échangeurs de chaleur, tels que l'acier, le titane et l'aluminium, s'encrassent facilement. La protection contre l'encrassement biologique, en particulier dans les structures marines, peut être réalisée sur de longues périodes avec des métaux cuivreux.
Les alliages cuivre-nickel ont fait leurs preuves depuis de nombreuses années dans les conduites d'eau de mer et dans d'autres applications marines. Ces alliages résistent à l'encrassement biologique en haute mer où ils ne permettent pas à la boue microbienne de s'accumuler et de soutenir le macrofouling.
Les chercheurs attribuent la résistance du cuivre à l'encrassement biologique, même dans les eaux tempérées, à deux mécanismes possibles: 1) une séquence retardatrice de colonisation par libération lente d'ions cuivre pendant le processus de corrosion, inhibant ainsi l'attachement des couches microbiennes aux surfaces marines; et / ou, 2) des couches de séparation contenant des produits corrosifs et les larves d'organismes macro-incrustants. Ce dernier mécanisme empêche l'installation des stades larvaires pélagiques sur la surface du métal, plutôt que de tuer les organismes.
Propriétés antimicrobiennes
En raison des fortes propriétés antimicrobiennes du cuivre, les ailettes en cuivre peuvent inhiber les croissances bactériennes, fongiques et virales qui s'accumulent couramment dans les systèmes de climatisation. Par conséquent, les surfaces des échangeurs de chaleur à base de cuivre sont plus propres pendant de plus longues périodes que les échangeurs de chaleur fabriqués à partir d'autres métaux. Cet avantage offre une durée de vie de l'échangeur de chaleur considérablement allongée et contribue à une meilleure qualité de l'air. Les échangeurs de chaleur fabriqués séparément du cuivre et de l'aluminium antimicrobiens dans un système CVC à grande échelle ont été évalués pour leur capacité à limiter la croissance microbienne dans des conditions de débits normaux en utilisant de l'air extérieur à passage unique. Les composants en aluminium couramment utilisés ont développé des biofilms stables de bactéries et de champignons dans les quatre semaines suivant l'opération. Au cours de la même période, le cuivre antimicrobien a pu limiter les charges bactériennes associées aux ailettes de l'échangeur de chaleur en cuivre de 99,99% et les charges fongiques de 99,74%.
Des climatiseurs à ailettes en cuivre ont été déployés dans des bus à Shanghai pour tuer rapidement et complètement les bactéries, virus et champignons qui se développaient auparavant sur des ailettes sans cuivre et permettaient de circuler dans les systèmes. La décision de remplacer l'aluminium par du cuivre fait suite à des tests antimicrobiens effectués par le Centre municipal de contrôle et de prévention des maladies (SCDC) de Shanghai de 2010 à 2012. L'étude a révélé que les niveaux microbiens sur les surfaces des ailettes en cuivre étaient nettement inférieurs à ceux de l'aluminium, contribuant ainsi à protéger le santé des passagers des bus.
De plus amples informations sur les avantages du cuivre antimicrobien dans les systèmes HVAC sont disponibles.
Facilité de rainurage intérieur
Le tube de cuivre à rainure interne de plus petits diamètres est plus efficace thermiquement, matériellement efficace et plus facile à plier et à évaser et à travailler autrement. Il est généralement plus facile de fabriquer des tubes intérieurs rainurés en cuivre, un métal très mou.
Applications courantes des échangeurs de chaleur en cuivre
Installations industrielles et centrales électriques
Les alliages de cuivre sont largement utilisés comme tubes d'échangeur de chaleur dans les centrales électriques à vapeur fossile et nucléaire, les usines chimiques et pétrochimiques , les services maritimes et les usines de dessalement .
La plus grande utilisation de tubes d'échangeurs de chaleur en alliage de cuivre sur une base unitaire est dans les centrales électriques. Ces usines contiennent des condenseurs de surface, des radiateurs et des refroidisseurs, qui contiennent tous des tubes en cuivre. Le condenseur de surface principal qui accepte les décharges de vapeur de la turbine utilise le plus de cuivre.
Le cuivre-nickel est le groupe d'alliages couramment spécifié dans les échangeurs de chaleur ou les tubes de condenseur des évaporateurs des usines de dessalement, des usines de transformation, des zones de refroidissement de l'air des centrales thermiques, des chauffe-eau haute pression et des conduites d'eau de mer des navires. La composition des alliages peut varier de 90% Cu – 10% Ni à 70% Cu – 30% Ni.
Les tubes de condenseur et d'échangeur de chaleur en laiton amirauté arsenical (Cu-Zn-Sn-As) dominaient autrefois le marché des installations industrielles. Le laiton en aluminium a par la suite gagné en popularité en raison de sa meilleure résistance à la corrosion. Aujourd'hui, l'aluminium-laiton, 90% Cu-10% Ni et d'autres alliages de cuivre sont largement utilisés dans les échangeurs de chaleur tubulaires et les systèmes de tuyauterie dans l' eau de mer , l'eau saumâtre et l'eau douce . Les alliages aluminium-laiton, 90% Cu-10% Ni et 70% Cu-30% Ni présentent une bonne résistance à la corrosion dans l'eau de mer désaérée à chaud et dans les saumures dans les usines de dessalement flash à plusieurs étages.
Les échangeurs de chaleur à tube fixe refroidis par liquide particulièrement adaptés aux applications marines et difficiles peuvent être assemblés avec des coques en laiton, des tubes en cuivre, des chicanes en laiton et des moyeux d'extrémité intégraux en laiton forgé.
Les tubes en alliage de cuivre peuvent être fournis soit avec une surface métallique brillante (CuNiO), soit avec une fine couche d'oxyde fermement attachée (laiton d'aluminium). Ces types de finition permettent la formation d'une couche protectrice. La surface protectrice d'oxyde est mieux obtenue lorsque le système fonctionne pendant plusieurs semaines avec de l'eau de refroidissement propre et contenant de l'oxygène. Pendant la formation de la couche protectrice, des mesures de soutien peuvent être prises pour améliorer le processus, telles que l'ajout de sulfate de fer ou le nettoyage intermittent des tubes. Le film protecteur qui se forme sur les alliages Cu-Ni dans l'eau de mer aérée devient mature en environ trois mois à 60 ° F et devient de plus en plus protecteur avec le temps. Le film résiste aux eaux polluées, aux vitesses irrégulières et à d'autres conditions difficiles. De plus amples détails sont disponibles.
La résistance au bio-encrassement des alliages Cu-Ni permet aux unités d'échange thermique de fonctionner pendant plusieurs mois entre les nettoyages mécaniques. Des nettoyages sont néanmoins nécessaires pour restaurer les capacités de transfert de chaleur d'origine. L' injection de chlore peut prolonger les intervalles de nettoyage mécanique jusqu'à un an ou plus sans effets néfastes sur les alliages Cu-Ni.
De plus amples informations sur les échangeurs de chaleur en alliage de cuivre pour les installations industrielles sont disponibles.
Installations solaires thermiques
Les chauffe-eau solaires peuvent être un moyen rentable de produire de l'eau chaude pour les habitations de nombreuses régions du monde. Les échangeurs de chaleur en cuivre sont importants dans les systèmes de chauffage et de refroidissement solaires thermiques en raison de la conductivité thermique élevée du cuivre, de sa résistance à la corrosion atmosphérique et de l'eau, de son étanchéité et de son assemblage par brasage et de sa résistance mécanique. Le cuivre est utilisé à la fois dans les réservoirs et dans les circuits primaires (tuyaux et échangeurs de chaleur pour réservoirs d'eau) des systèmes solaires thermiques.
Différents types de capteurs solaires pour les applications résidentielles sont disponibles avec une circulation directe (c.-à-d., Chauffe l'eau et l'amène directement à la maison pour utilisation) ou une circulation indirecte (c.-à-d. Pompe un fluide caloporteur à travers un échangeur de chaleur, qui chauffe ensuite l'eau qui s'écoule dans les systèmes domestiques). Dans un chauffe-eau solaire à tube sous vide avec un système de circulation indirecte, les tubes sous vide contiennent un tube extérieur en verre et un tube absorbeur métallique attaché à une ailette. L'énergie thermique solaire est absorbée dans les tubes sous vide et est convertie en chaleur concentrée utilisable. Les tubes en verre sous vide ont une double couche. À l'intérieur du tube en verre se trouve le caloduc en cuivre. Il s'agit d'un tube en cuivre creux scellé qui contient une petite quantité de fluide caloporteur (eau ou mélange de glycol) qui, sous basse pression, bout à très basse température. Le caloduc en cuivre transfère l'énergie thermique de l'intérieur du tube solaire dans un collecteur en cuivre. Au fur et à mesure que la solution circule à travers le collecteur en cuivre, la température augmente.
Les autres composants des systèmes solaires thermiques d'eau qui contiennent du cuivre comprennent les réservoirs d'échangeurs de chaleur solaires et les stations de pompage solaires, ainsi que les pompes et les contrôleurs.
Systèmes CVC
La climatisation et le chauffage dans les bâtiments et les véhicules automobiles sont deux des plus grandes applications des échangeurs de chaleur . Alors que le tube de cuivre est utilisé dans la plupart des systèmes de climatisation et de réfrigération, les unités de climatisation typiques utilisent actuellement des ailettes en aluminium. Ces systèmes peuvent héberger des bactéries et des moisissures et développer des odeurs et des salissures qui peuvent les faire mal fonctionner. De nouvelles exigences rigoureuses, y compris des demandes d'efficacité opérationnelle accrue et la réduction ou l'élimination des émissions nocives, renforcent le rôle du cuivre dans les systèmes HVAC modernes.
Les propriétés antimicrobiennes du cuivre peuvent améliorer les performances des systèmes CVC et la qualité de l'air intérieur associée . Après des tests approfondis, le cuivre est devenu un matériau enregistré aux États-Unis pour protéger les surfaces des équipements de chauffage et de climatisation contre les bactéries, la moisissure et la moisissure . En outre, des tests financés par le département américain de la Défense démontrent que les climatiseurs entièrement en cuivre suppriment la croissance des bactéries, des moisissures et des moisissures qui causent des odeurs et réduisent l'efficacité énergétique du système. Les unités en aluminium n'ont pas démontré cet avantage.
Le cuivre peut provoquer une réaction galvanique en présence d'autres alliages, conduisant à la corrosion.
Chauffe-eau à gaz
Le chauffage de l'eau est la deuxième plus grande consommation d'énergie à la maison. Les échangeurs de chaleur gaz-eau qui transfèrent la chaleur des combustibles gazeux à l'eau entre 3 et 300 kilowatts thermiques (kWth) ont une utilisation résidentielle et commerciale répandue dans les applications d'appareils de chauffage de l'eau et des chaudières.
La demande augmente pour des systèmes de chauffe-eau compacts écoénergétiques. Les chauffe-eau à gaz sans réservoir produisent de l'eau chaude en cas de besoin. Les échangeurs de chaleur en cuivre sont le matériau préféré dans ces unités en raison de leur conductivité thermique élevée et de leur facilité de fabrication. Pour protéger ces unités dans des environnements acides , des revêtements durables ou d'autres traitements de surface sont disponibles. Les revêtements résistants aux acides sont capables de résister à des températures de 1000 ° C.
Chauffage et refroidissement à air pulsé
Les pompes à chaleur à air sont utilisées pour le chauffage et la climatisation résidentiels et commerciaux depuis de nombreuses années. Ces unités reposent sur l'échange de chaleur air-air à travers des unités d'évaporateur similaires à celles utilisées pour les climatiseurs. Les échangeurs de chaleur eau-air à ailettes sont le plus souvent utilisés pour les systèmes de chauffage et de refroidissement à air pulsé, comme les appareils de chauffage au bois, les chaudières et les poêles à bois intérieurs et extérieurs. Ils peuvent également convenir aux applications de refroidissement liquide. Le cuivre est spécifié dans les collecteurs d'alimentation et de retour et dans les serpentins tubulaires.
Chauffage / refroidissement géothermique à échange direct (DX)
La technologie de la pompe à chaleur géothermique , connue sous le nom de «source souterraine», «couplée à la terre» ou «échange direct», repose sur la circulation d'un réfrigérant à travers des tubes de cuivre enterrés pour l'échange de chaleur. Ces unités, qui sont considérablement plus efficaces que leurs homologues à air, reposent sur la constance des températures du sol sous la zone de gel pour le transfert de chaleur. Les pompes à chaleur géothermiques les plus efficaces utilisent des tubes de cuivre ACR, de type L ou de taille spéciale enfouis dans le sol pour transférer la chaleur vers ou depuis l'espace climatisé. Le tube de cuivre flexible (généralement de 1/4 po à 5/8 po) peut être enterré dans des trous verticaux profonds, horizontalement dans un motif de grille relativement peu profond, dans un agencement en forme de clôture verticale dans des tranchées de profondeur moyenne, ou en tant que configurations personnalisées . De plus amples informations sont disponibles.
Systèmes électroniques
Le cuivre et l'aluminium sont utilisés comme dissipateurs thermiques et caloducs dans les applications de refroidissement électronique . Un dissipateur thermique est un composant passif qui refroidit les dispositifs semi - conducteurs et optoélectroniques en dissipant la chaleur dans l'air ambiant. Les dissipateurs thermiques ont des températures plus élevées que leurs environnements environnants, de sorte que la chaleur peut être transférée dans l'air par convection , rayonnement et conduction .
L'aluminium est le matériau de dissipateur de chaleur le plus utilisé en raison de son moindre coût. Les dissipateurs de chaleur en cuivre sont une nécessité lorsque des niveaux plus élevés de conductivité thermique sont nécessaires. Une alternative aux dissipateurs de chaleur tout en cuivre ou tout en aluminium est l'assemblage d'ailettes en aluminium à une base en cuivre.
Les dissipateurs de chaleur en cuivre sont moulés sous pression et liés ensemble dans des plaques. Ils diffusent rapidement la chaleur de la source de chaleur aux ailettes en cuivre ou en aluminium et dans l'air ambiant.
Les caloducs sont utilisés pour évacuer la chaleur des unités centrales de traitement (CPU) et des unités de traitement graphique (GPU) et vers les dissipateurs de chaleur, où l'énergie thermique est dissipée dans l'environnement. Les caloducs en cuivre et en aluminium sont largement utilisés dans les systèmes informatiques modernes où les besoins en énergie accrus et les émissions de chaleur associées entraînent une plus grande demande sur les systèmes de refroidissement.
Un caloduc se compose généralement d'un tuyau ou d'un tube scellé aux extrémités chaude et froide. Les caloducs utilisent le refroidissement par évaporation pour transférer l'énergie thermique d'un point à un autre par évaporation et condensation d'un fluide de travail ou d'un liquide de refroidissement. Ils sont fondamentalement meilleurs pour la conduction thermique sur de plus grandes distances que les dissipateurs thermiques car leur conductivité thermique effective est de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle du conducteur solide équivalent.
Lorsqu'il est souhaitable de maintenir les températures de jonction en dessous de 125-150 ° C, des caloducs cuivre / eau sont généralement utilisés. Des caloducs en cuivre / méthanol sont utilisés si l'application nécessite des opérations de caloducs en dessous de 0 ° C.
Nouvelles technologies
CuproBraze
CuproBraze est une technologie d'échangeur de chaleur en alliage de cuivre développée pour les applications qui doivent résister à des conditions difficiles. La technologie est particulièrement adaptée aux environnements à température et pression plus élevées requises dans les moteurs diesel plus propres qui sont exigés par les réglementations environnementales mondiales .
Les applications de CuproBraze comprennent les refroidisseurs d'air de suralimentation , les radiateurs , les refroidisseurs d'huile , les systèmes de climatisation et les noyaux de transfert de chaleur. CuproBraze est particulièrement adapté aux refroidisseurs d'air de suralimentation et aux radiateurs dans les industries à forte intensité de capital où les machines doivent fonctionner pendant de longues périodes dans des conditions difficiles sans pannes prématurées. Pour ces raisons, CuproBraze est particulièrement adapté aux marchés des véhicules tout-terrain , des camions, des bus, des moteurs industriels, des générateurs , des locomotives et des équipements militaires . La technologie est également adaptée aux camions légers, aux SUV et aux voitures particulières.
CuproBraze est une alternative à l'ailette en cuivre / laiton soudé, à l'ailette serpentine en cuivre et laiton soudé et à l'ailette serpentine en aluminium brasé. La technologie permet d'utiliser des ailettes serpentines en cuivre brasé dans les conceptions d'échangeurs de chaleur cuivre-laiton. Ceux-ci sont moins coûteux à fabriquer que les conceptions d'ailettes en serpentin soudées. Ils sont également plus solides, plus légers, plus durables et ont des articulations plus résistantes.
Rainuré en interne
Les avantages d' un tube en cuivre à rainure interne de plus petit diamètre pour le transfert de chaleur sont bien documentés.
Les serpentins de plus petit diamètre ont de meilleurs taux de transfert de chaleur que les serpentins de taille conventionnelle et ils peuvent résister à des pressions plus élevées requises par la nouvelle génération de réfrigérants plus respectueux de l'environnement. Les bobines de plus petit diamètre ont également des coûts de matériaux inférieurs car elles nécessitent moins de réfrigérant, d'ailettes et de matériaux de bobine; et ils permettent la conception de climatiseurs et de réfrigérateurs à haut rendement plus petits et plus légers, car les évaporateurs et les serpentins des condenseurs sont plus petits et plus légers. MicroGroove utilise une surface intérieure rainurée du tube pour augmenter le rapport surface / volume et augmenter la turbulence pour mélanger le réfrigérant et homogénéiser les températures à travers le tube.