Las tuberías de cobre son una de las tuberías más utilizadas en los sistemas de refrigeración. Las tuberías de cobre tienen las ventajas de una buena conductividad térmica, alta resistencia, buena plasticidad y resistencia a la corrosión, y se utilizan ampliamente en componentes de intercambio de calor como condensadores y evaporadores, así como en tuberías de conexión. Este artículo explicará en detalle la clasificación de las tuberías de cobre, los requisitos técnicos de las tuberías de cobre para refrigeración y el cálculo del espesor de pared de las tuberías de cobre.
1. Clasificación y características de rendimiento de los tubos de cobre
1. Según la composición del material:
Los tubos de cobre se pueden dividir en tubos de cobre (TP2), tubos de latón (H62/H65/H68), tubos de bronce (QSn6.5-0.1), tubos de cobre blanco (aleación Ni Cu), etc. Entre ellos, el tubo de cobre tiene la mejor conductividad térmica, pero es más caro; el tubo de cobre amarillo tiene alta resistencia, pero baja conductividad térmica; los tubos de bronce y cobre blanco tienen buena resistencia a la corrosión, pero bajo rendimiento de procesamiento.
2. Dividido por proceso de producción:
Los tubos de cobre se pueden dividir en tubos de cobre sin oxígeno, tubos de cobre que contienen oxígeno, tubos de cobre con rosca interna, etc. Los tubos de cobre sin oxígeno tienen una alta pureza y generalmente se utilizan para fabricar componentes de precisión como capilares; Los tubos de cobre que contienen oxígeno tienen una resistencia y dureza moderadas, buena soldabilidad y se utilizan comúnmente como tubos de conexión; La pared interior del tubo de cobre con rosca interna está roscada, lo que tiene un buen efecto de mejora de la transferencia de calor.
3. Según la dureza:
Los tubos de cobre se pueden dividir en tres categorías: estado blando (estado O), estado semiduro (1/2H) y estado duro (estado H). El tubo de cobre en estado O es blando, con buena plasticidad y ductilidad, pero baja resistencia; los tubos de cobre en estado H tienen alta resistencia y dureza, pero poca plasticidad; el tubo de cobre 1/2H tiene resistencia y plasticidad moderadas, buen rendimiento de procesamiento y es la opción preferida para tuberías de refrigeración.
2. Requisitos técnicos para tuberías de cobre utilizadas en sistemas de refrigeración
1. Requisitos materiales
Los sistemas de refrigeración suelen utilizar tubos de cobre de estado 1/2H (TP2M), y su composición química debe cumplir con las disposiciones de GB/T 17505-2010 [4]:
Cu+Ag Mayor o igual a 99,90%
{{0}}.015% Menor o igual a P Menor o igual a 0.040%
El contenido de elementos de impureza debe cumplir con el requisito de Bi Menor o igual a {{0}}.001%, Sb Menor o igual a 0.{{10}}02%, As Menor o igual a 0.002%, Fe Menor o igual a 0.005%, Pb Menor o igual a 0.005%, S Menor o igual a 0.005%, Zn Menor o igual a 0.005%, Ni Menor o igual a 0.002%, Sn Menor o igual a 0.002%.
2. Propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas de los tubos de cobre en estado 1/2H deben cumplir los siguientes requisitos [4]:
Resistencia a la tracción Rm Mayor o igual a 295 MPa
Resistencia a la fluencia Rp0.2 Mayor o igual a 255 MPa
Elongación post fractura A Mayor o igual al 3%
Tabla: Propiedades mecánicas de las tuberías a temperatura ambiente
3. Desviación dimensional
La desviación límite del diámetro exterior (D) y del espesor de pared (s) de las tuberías de cobre debe cumplir con las disposiciones de la Tabla 1 [5]. El peso Mick (M) debe calcularse de acuerdo con la fórmula M=0.02566 · D · s [6], y la desviación debe estar dentro de ± 8%.
Tabla: Dimensiones y desviaciones del tubo de cobre (mm)
Tabla 1/2H límite de desviación del tamaño del tubo de cobre (mm)
3. Método de cálculo del espesor de pared del tubo de cobre.
1. Métodos estándar para recipientes a presión
De acuerdo con el Código de recipientes a presión ASME, el espesor mínimo de pared de las tuberías de cobre bajo presión interna se puede calcular utilizando la siguiente fórmula [7]:
t=PD/(2S+0.8P)
En la fórmula: t-espesor mínimo de la pared (mm), P-presión de diseño (MPa), D-diámetro exterior de la tubería (mm), S-tensión admisible de la tubería de cobre (MPa), generalmente tomada como 1/3~1/4 de la resistencia al rendimiento de la tubería de cobre.
2. Métodos de mecánica de fluidos
Teniendo en cuenta la pérdida de presión durante el flujo de fluido, el espesor de pared de las tuberías de cobre también debe cumplir con las condiciones de resistencia de la mecánica de fluidos [8]:
t=D·(3ξρv^2/8σ[s])^0.5
En la fórmula: ξ - coeficiente de arrastre a lo largo de la trayectoria, relacionado con el número de Reynolds y la rugosidad relativa; ρ - densidad del refrigerante (kg/m³); V - caudal de refrigerante (m/s); σ [s] - esfuerzo cortante admisible del tubo de cobre (MPa), que puede tomarse como 1/3 del límite elástico.
3. Método de fatiga por vibración
Las tuberías de cobre en los sistemas de refrigeración a menudo están sujetas a tensiones alternas y es necesario verificar la resistencia a la fatiga por vibración [9]:
σ[a]=Cf·σ[-1]·(2N[f])^m Menor o igual que [σ]
En la fórmula: σ [a] - amplitud de tensión alterna (MPa), Cf - coeficiente de calidad de la superficie, σ [-1] - límite de fatiga del material del tubo de cobre (MPa), tomado como 0.40.5 de la resistencia a la fluencia, Nf - vida útil por fatiga (veces), m-índice de resistencia a la fatiga, tomado como 34, [σ] - tensión alterna admisible (MPa), tomada como 0.6~0.7 de la resistencia a la fluencia. A partir de esto, se puede estimar el espesor de pared mínimo requerido.
Para garantizar la seguridad y confiabilidad de las tuberías de cobre en condiciones de trabajo adversas, como alta temperatura, alta presión y vibración, el diseño generalmente debe calcularse por separado de acuerdo con los tres métodos anteriores, y el valor máximo debe seleccionarse como el espesor de pared nominal de la tubería de cobre.
4. Conclusión
La selección y el diseño de tuberías de cobre para sistemas de refrigeración es un proyecto sistemático que requiere una consideración exhaustiva de diversos factores, como materiales, procesamiento, conexión, instalación y uso. Al diseñar, el material, el estado y las especificaciones de las tuberías de cobre deben seleccionarse razonablemente en función de la capacidad de enfriamiento del sistema, el fluido de trabajo, la temperatura, la presión y otros parámetros. La determinación del espesor de la pared de los tubos de cobre requiere la verificación y el cálculo de aspectos como la capacidad de soportar presión, la resistencia al fluido, la fatiga por vibración, etc., para garantizar la seguridad, la confiabilidad y la economía del sistema.
Cabe señalar que la fórmula de cálculo del espesor de pared proporcionada en este artículo es solo de referencia. En el diseño real, también se debe considerar la influencia de factores como el radio de curvatura de los tubos de cobre, el espaciado de los soportes y el método de conexión. Los diseñadores deben comprender oportunamente los últimos estándares y desarrollos tecnológicos de las tuberías y accesorios de cobre, mejorar los métodos de diseño y mejorar la calidad del diseño. Al mismo tiempo, es necesario fortalecer el control del proceso de construcción, seguir estrictamente las especificaciones para el transporte, almacenamiento, procesamiento, conexión e instalación y puesta en servicio del sistema de tuberías de cobre, a fin de garantizar el funcionamiento seguro y eficiente del sistema de refrigeración.
