تعتبر أنابيب النحاس من أكثر الأنابيب استخدامًا في أنظمة التبريد. تتمتع أنابيب النحاس بمزايا التوصيل الحراري الجيد والقوة العالية والمرونة الجيدة ومقاومة التآكل، وتُستخدم على نطاق واسع في مكونات تبادل الحرارة مثل المكثفات والمبخرات، بالإضافة إلى خطوط الأنابيب المتصلة. ستتناول هذه المقالة بالتفصيل تصنيف أنابيب النحاس والمتطلبات الفنية لأنابيب النحاس المستخدمة في أنظمة التبريد وحساب سمك جدار أنابيب النحاس.
1- تصنيف وخصائص أداء الأنابيب النحاسية
1. وفقا لتكوين المواد:
يمكن تقسيم الأنابيب النحاسية إلى أنابيب نحاسية (TP2)، وأنابيب نحاسية (H62/H65/H68)، وأنابيب برونزية (QSn6.5-0.1)، وأنابيب نحاسية بيضاء (سبائك Ni Cu)، إلخ. ومن بينها، يتمتع أنبوب النحاس بأفضل موصلية حرارية، ولكنه أكثر تكلفة؛ يتمتع أنبوب النحاس الأصفر بقوة عالية، ولكن موصلية حرارية منخفضة؛ تتمتع أنابيب البرونز والنحاس الأبيض بمقاومة جيدة للتآكل، ولكن أداء المعالجة ضعيف.
2. مقسمة حسب عملية الإنتاج:
يمكن تقسيم الأنابيب النحاسية إلى أنابيب نحاسية خالية من الأكسجين، وأنابيب نحاسية تحتوي على الأكسجين، وأنابيب نحاسية ملولبة داخليًا، وما إلى ذلك. تتمتع الأنابيب النحاسية الخالية من الأكسجين بنقاء عالي وتستخدم عمومًا في صنع مكونات دقيقة مثل الشعيرات الدموية؛ تتميز الأنابيب النحاسية المحتوية على الأكسجين بقوة وصلابة معتدلة وقابلية لحام جيدة، وتستخدم عادة كأنابيب توصيل؛ الجدار الداخلي للأنبوب النحاسي الملولب داخليًا ملولب، مما له تأثير تعزيز نقل الحرارة الجيد.
3. وفقا للصلابة:
يمكن تقسيم أنابيب النحاس إلى ثلاث فئات: الحالة اللينة (حالة O)، والحالة شبه الصلبة (1/2H)، والحالة الصلبة (حالة H). أنبوب النحاس في الحالة O ناعم، مع مرونة ومرونة جيدة، ولكن قوة منخفضة؛ أنابيب النحاس في الحالة H لها قوة وصلابة عالية، ولكن مرونة ضعيفة؛ أنبوب النحاس 1/2H له قوة ومرونة معتدلة، وأداء معالجة جيد، وهو الخيار المفضل لأنابيب التبريد.
2- المتطلبات الفنية لأنابيب النحاس المستخدمة في أنظمة التبريد
1. متطلبات المواد
غالبًا ما تستخدم أنظمة التبريد أنابيب نحاسية بحالة 1/2H (TP2M)، ويجب أن يتوافق تركيبها الكيميائي مع أحكام GB/T 17505-2010 [4]:
Cu+Ag أكبر من أو يساوي 99.90%
{{0}.015% أقل من أو يساوي P أقل من أو يساوي 0.040%
يجب أن يفي محتوى العناصر الشوائب بمتطلبات Bi أقل من أو يساوي {{0}}.001٪، Sb أقل من أو يساوي 0.{{10}}02٪، As أقل من أو يساوي 0.002٪، Fe أقل من أو يساوي 0.005٪، Pb أقل من أو يساوي 0.005٪، S أقل من أو يساوي 0.005٪، Zn أقل من أو يساوي 0.005٪، Ni أقل من أو يساوي 0.002٪، Sn أقل من أو يساوي 0.002٪.
2. الخصائص الميكانيكية
يجب أن تلبي الخصائص الميكانيكية لأنابيب النحاس ذات الحالة 1/2H المتطلبات التالية [4]:
قوة الشد Rm أكبر من أو تساوي 295 ميجا باسكال
قوة الخضوع Rp0.2 أكبر من أو يساوي 255 ميجا باسكال
استطالة ما بعد الكسر أ أكبر من أو يساوي 3%
الجدول: الخواص الميكانيكية للأنابيب عند درجة حرارة الغرفة
3. الانحراف البعدي
يجب أن يتوافق الانحراف الحدي للقطر الخارجي (D) وسمك الجدار (s) لأنابيب النحاس مع أحكام الجدول 1 [5]. يجب حساب وزن الميك (M) وفقًا للصيغة M=0.02566 · D · s [6]، ويجب أن يكون الانحراف في حدود ± 8٪.
الجدول: أبعاد وانحراف أنبوب النحاس (مم)
الجدول 1/2H انحراف حد حجم أنبوب النحاس (مم)
3، طريقة حساب سمك جدار أنبوب النحاس
1. الطرق القياسية لأوعية الضغط
وفقًا لقانون أوعية الضغط ASME، يمكن حساب الحد الأدنى لسمك جدار الأنابيب النحاسية تحت الضغط الداخلي باستخدام الصيغة التالية [7]:
ت=PD/(2S+0.8P)
في الصيغة: الحد الأدنى لسمك الجدار (مم)، ضغط التصميم P (ميجا باسكال)، القطر الخارجي للأنبوب D (مم)، الإجهاد المسموح به S لأنبوب النحاس (ميجا باسكال)، والتي تؤخذ عمومًا على أنها 1/3~1/4 من قوة الخضوع لأنبوب النحاس.
2. طرق ميكانيكا الموائع
مع الأخذ بعين الاعتبار فقدان الضغط أثناء تدفق السوائل، يجب أن يتوافق سمك جدار الأنابيب النحاسية أيضًا مع شروط قوة ميكانيكا السوائل [8]:
t=D·(3ξρv^2/8σ[s])^0.5
في الصيغة: ξ - معامل السحب على طول المسار، المرتبط برقم رينولدز والخشونة النسبية؛ ρ - كثافة المبرد (كجم/م³)؛ معدل تدفق المبرد V (م/ثانية)؛ σ [s] - إجهاد القص المسموح به لأنبوب النحاس (ميجا باسكال)، والذي يمكن اعتباره 1/3 من قوة الخضوع.
3. طريقة التعب الاهتزازي
غالبًا ما تتعرض الأنابيب النحاسية في أنظمة التبريد لضغوط متناوبة، ويجب التحقق من قوة التعب والاهتزاز [9]:
σ[a]=Cf·σ[-1]·(2N[f])^m أقل من أو يساوي [σ]
في الصيغة: σ [a] - سعة الإجهاد المتناوب (MPa)، Cf - معامل جودة السطح، σ [-1] - حد التعب لمادة أنبوب النحاس (MPa)، والذي يُؤخذ على أنه 0.40.5 من قوة الخضوع، Nf - عمر التعب (مرات)، مؤشر قوة التعب m، والذي يُؤخذ على أنه 34، [σ] - الإجهاد المتناوب المسموح به (MPa)، والذي يُؤخذ على أنه 0.6~0.7 من قوة الخضوع. ومن هذا، يمكن تقدير الحد الأدنى المطلوب لسمك الجدار.
لضمان سلامة وموثوقية الأنابيب النحاسية في ظل ظروف العمل القاسية مثل درجات الحرارة العالية والضغط العالي والاهتزاز، يجب عمومًا حساب التصميم بشكل منفصل وفقًا للطرق الثلاث المذكورة أعلاه، ويجب اختيار القيمة القصوى كسمك الجدار الاسمي لأنبوب النحاس.
4. الخاتمة
إن اختيار وتصميم أنابيب النحاس لأنظمة التبريد هو مشروع منهجي يتطلب دراسة شاملة لعوامل مختلفة مثل المواد والمعالجة والتوصيل والتركيب والاستخدام. عند التصميم، يجب اختيار مادة وحالة ومواصفات أنابيب النحاس بشكل معقول بناءً على قدرة التبريد للنظام وسائل العمل ودرجة الحرارة والضغط والمعلمات الأخرى. يتطلب تحديد سمك جدار أنبوب النحاس التحقق والحساب من جوانب مثل قدرة تحمل الضغط ومقاومة السوائل وإجهاد الاهتزاز وما إلى ذلك، لضمان سلامة النظام وموثوقيته واقتصاده.
تجدر الإشارة إلى أن صيغة حساب سمك الجدار المقدمة في هذه المقالة هي للإشارة فقط. في التصميم الفعلي، يجب أيضًا مراعاة تأثير عوامل مثل نصف قطر انحناء أنبوب النحاس، وتباعد الدعامات، وطريقة التوصيل. يجب على المصممين فهم أحدث المعايير والتطورات التكنولوجية لأنابيب النحاس والتجهيزات في الوقت المناسب، وتحسين أساليب التصميم، وتعزيز جودة التصميم. في الوقت نفسه، من الضروري تعزيز السيطرة على عملية البناء، واتباع المواصفات الصارمة للنقل والتخزين والمعالجة والتوصيل وتركيب النظام وتشغيل أنابيب النحاس، من أجل ضمان التشغيل الآمن والفعال لنظام التبريد.
