Báo cáo vật liệu nhiệt lạnh vật liệu dẫn nhiệt hợp kim nhôm và hợp kim Đồng các loại vật liệu dùng trong thiết bị trao Đổi nhiệt

Rất khó để có thể tìm thấy nhôm nguyên chất trong tự nhiên, thông thường kim loại này được tìm thấy khi kết hợp cùng oxygen cùng với những nguyên tố khác... Hợp kim nhôm là gì Hợp kim n

THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

BÁO CÁO VẬT LIỆU NHIỆT LẠNH

1

I Nhôm và hợp kim nhôm

1 Tổng quan về nhôm

Nhôm (hay Alumini) là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố, có ký hiệu

là Al Nhôm là kim loại phổ biến nhất trong vỏ Trái Đất, chiếm khoảng 17% khối lớp rắn của Trái

Đất Quặng chính chứa nhôm là boxide

Nhôm là một kim loại có tỷ trọng thấp và có khả

năng chống ăn mòn hiện tượng thụ động Rất khó

để có thể tìm thấy nhôm nguyên chất trong tự

nhiên, thông thường kim loại này được tìm thấy

khi kết hợp cùng oxygen cùng với những nguyên

tố khác

2

2 Hợp kim nhôm là gì

Hợp kim nhôm là hợp chất được tạo ra từ nhôm và các nguyên tố kim loại khác như

đồng, magie, silic, kẽm, sắt, Trong đó, tỷ trọng của nhôm thường cao hơn các thành

phần kim loại khác nên hợp chất này mang nhiều đặc tính của kim loại nhôm

Có màu trắng bạc, ánh kim nhẹ, cấu trúc tốt,

chống ăn mòn, chống oxy tốt, khối lượng nhẹ,

mềm, độ cứng, độ bền cao hơn nhôm nguyên

chất

3

3 Phân loại hợp kim nhôm

Căn cứ vào phương thức chế tạo và sử dụng, nhôm hợp kim thường được chia thành hai

nhóm chính là hợp kim nhôm rèn (Wrought aluminum alloy), và hợp kim nhôm đúc (Cast

Aluminum alloy)

Hợp kim nhôm rèn: được chế tạo bằng cách nấu

chảy nhôm thỏi cùng cái nguyên tố hợp kim, sau khi

đúc thành các tấm lớn thì chúng sẽ được cán, rèn

hoặc kép thành các phôi có hình dạng khác nhau

Hợp kim nhôm đúc: được chế tạo bằng cách nung

chảy quặng bô-xít trong lò, sau đó nhôm nguyên chất

được tách ra và rót vào khuôn đúc cùng các nguyên

tố hợp kim để tạo phôi đúc mong muốn

4

4 Đặc tính hợp kim nhôm

Các nguyên tố hợp kim cơ bản sử dụng để cải thiện tính chất của hợp kim nhôm bao gồm: Cu, Si, Mn,

Mg và Zn Ví dụ dưới đây là các tính chất của từng nguyên tố:

Đồng (Cu): Cải thiện độ bền và khả năng tạo hình

Silic (Si): Giảm nhiệt độ nóng chảy, tăng độ chảy loãng, cải thiện tính đúc

Mangan (Mn): Tăng độ bền và độ dẻo dai

Magie (Mg): Cải thiện độ bền, và khả năng chống ăn mòn

Mg/Si: Tăng độ bền, tính tạo hình và khả năng kéo

Kẽm (Zn): khi kết hợp với Mg và Cu sẽ giúp cải thiện độ bền

5

5 Một số Tính chất nổi bật của hợp kim nhôm

Độ bền cao

Những hợp kim của nhôm trên bề mặt thường phủ

một lớp nhôm oxit được tạo ra từ quá trình oxy

Nhôm vốn có tính dẫn điện tốt (chỉ đứngsau bạc và đồng), Chỉ số dẫn điện cao bằng2/3 kim loại đồng và hợp kim đồng

Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứngdụng như bộ tản nhiệt, bộ trao đổi nhiệt và

Loại hợp kim này có độ nóng chảy không quá cao,

nằm ở khoảng 550 - 660°C, bạn có thể tạo hình,

đúc khuôn linh hoạt, phù hợp với công việc của

mình

Hợp kim nhôm rất mềm nhẹ và dẻo dai, có thể dát

thành tấm mỏng, kéo sợi hoặc tạo ra những hình

dạng khác nhau tùy theo yêu cầu gia công

Dễ tạo hình và đúc khuôn

8

Dễ tạo hình và đúc khuôn

10

5 nhược điểm của nhôm trong hệ thống trao đổi nhiệt

Độ bền cơ học thấpKhả năng hàn sửa chữa kém

Độ dẫn nhiệt thấp hơn đồng

Ăn mòn điện hóa giữa nhôm và đông trong thiết bị trao đổi nhiệt

11

Ăn mòn điện hóa giữa nhôm và đồng trong thiết bị trao đổi nhiệt

Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn

Tiếp xúc kim loại khác nhau

Chênh lệch điện thếMôi trường điện ly

Tại Anode (Nhôm): Nhôm sẽ bị oxy hóa (mất electron) và tan ra dưới dạng ion Al³⁺

1 Tổng quan về đồng ?

Đồng là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố

có ký hiệu Cu và số nguyên tử bằng 29 Đồng là kim loại dẻo

có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao Đồng nguyên chất mềm và

dễ uốn; bề mặt đồng tươi có màu cam đỏ

II Đồng và hợp kim đồng

13

3 Hợp kim đồng là

gì?

Hợp kim đồng là sự kết hợp của đồng với các nguyên tố

khác nhằm cải thiện tính chất cơ lý, khả năng chống ăn mòn

và khả năng dẫn nhiệt Các nguyên tố phổ biến trong hợp kim

đồng bao gồm kẽm, thiếc, niken, chì…

14

2 Các đặc tính của đồng

+ Khối lượng riêng lớn (8,94g/cm2) lớn gấp 3 lần nhôm

+ Tính chống ăn mòn tốt

+ Nhiệt độ nóng chảy tương đối cao(10830C)

+ Độ bền không cao nhưng tăng lên khi biến dạng nguội

+ Tính công nghệ tốt

15

Đồng có hệ số dẫn nhiệt lớnTính dẻo tốt

vì vậy thường được sử dụngtrong chế tạo các ống trao đổinhiệt trong thiết bị ngưng tụ, bayhơi, các miếng đệm, ổ bạc, ổ đỡ,v.v

4 Tính chất của đồng

16

Hợp kim đồng có thể được phân loại dựa trên thành phần hóa học và đặc tính cơ nhiệt Một số

loại hợp kim phổ biến trong ngành nhiệt gồm:

Đồng thau

Đồng thanh

Đồng thau (Cu-Zn): Đồng (Cu) kết hợp với kẽm (Zn),

tỷ lệ kẽm có thể thay đổi để điều chỉnh tính chất vậtliệu thông thường Zn chiếm 45% Có độ bền cao, dễgia công, khả năng dẫn nhiệt tốt

Đồng thanh (Cu-Sn): Thành phần: Đồng (Cu) kết hợp

với thiếc (Sn), tỷ lệ thiếc thường dao động từ 25%.Khả năng chịu ăn mòn cao, thường được sửdụng trong các môi trường làm việc khắc nghiệt

10-Đồng Niken (Cu-Ni): Thành phần: 10-Đồng (Cu) kết hợp

với niken (Ni), tỷ lệ niken từ 10-30% Có khả năngchống ăn mòn rất tốt, đặc biệt là trong môi trườngbiển

Đồng Niken

5 Đặc điểm cấu tạo hợp kim đồng

17

Dễ bị ăn mòn khi có nước hoặc hơi ẩm.

Do sự xuất hiện của hiện tượng

ăn mòn điện hóa Vì thế, cần hạnchế sự có mặt của nước hoặc hơi

ẩm trong hệ thống khi sử dụngđồng

Không sử dụng trong môi

trường có amoniac (NH ₃).

Vì đồng dễ bị ăn mòn trong môi trường

này Nguyên nhân chính là do hiện tượng

ăn mòn ứng suất do amoniac Khi đồng

tiếp xúc với hơi amoniac hoặc dung dịch

chứa NH₃, amoniac có thể phản ứng với

ion đồng (Cu²⁺), tạo thành các phức chất

đồng-amoniac như [Cu(NH3)4]2+

6 Những lưu ý khi sử dụng

đồng.

18

III Ứng dụng của hợp kim nhôm và hợp kim đồng.

1 Ứng dụng trong dàn nóng dân dụng.

2 Bộ tản nhiệt của ôtô

3 Ứng dụng trong thiết bị trao đổi nhiệt water chiller

Thành phần chính:

Nhôm (Al): 98.2% - Đảm bảo độ dẫn nhiệt 190 W/m·K, trọng

lượng nhẹ (2.73 g/cm³), và tạo lớp oxit Al₂O₃ (~5 nm) chống ăn

mòn trong độ ẩm 80%

Mangan (Mn): 1.2% - Tạo pha Al₆Mn, tăng độ bền kéo (150

MPa), chống mỏi do rung quạt

Đồng (Cu): 0.12% - Cải thiện độ bền, nhưng giảm độ dẫn

nhiệt từ 237 W/m·K (Al nguyên chất) xuống 190 W/m·K

Sắt (Fe): 0.6% - Tăng độ cứng, chịu được bụi và hạt nhỏ trong

không khí ngoài trời

Silic (Si): 0.25% - Hỗ trợ cán mỏng fins (0.12 mm), giữ cấu trúc

Tính chất

Hợp kim nhôm 3003-H14 có khả năng chống

ăn mòn vượt trội so với nhôm nguyên chất nhờ

lớp oxit Al₂O₃ bền vững và sự hiện diện của

mangan (Mn), đồng thời sở hữu độ bền cơ học

cao hơn (150 MPa) do pha Al₆Mn tăng cường

cấu trúc, nhưng vẫn duy trì tính dẫn nhiệt tốt

(~190 W/m·K) để đảm bảo hiệu suất trao đổi

nhiệt hiệu quả trong các ứng dụng như cánh tản

nhiệt của dàn nóng và dàn lạnh

P-Khử oxy (O <0.01%), tăng độ bền kéo (250 MPa),chống giòn khi đúc ống mỏng (0.7 mm).

Tính chất cụ thể:

Độ dẫn nhiệt: 401 W/m·K (20°C), truyền nhiệt từ R32(45°C) sang cánh tức thời (tổn hao <0.5°C), gấp đôi Al3003

Độ bền kéo: 250 MPa (ủ mềm), chịu áp suất R32 (~4MPa tại 50°C), ống dày 0.7 mm, đường kính 6.35 mm Khả năng chống ăn mòn: Tốt trong độ ẩm 80%, nhưng

bị ăn mòn nếu có muối (NaCl >0.5%) hoặc NH₃ từ khíthải (>5 ppm) Kích thước ống: Đường kính ngoài 6.35

mm (1/4 inch), dày 0.7 mm, dài tổng ~8 m (10 hànguốn chữ U), khối lượng ~400 g

Nhiệt độ tối đa: 700°C, vượt xa yêu cầu (50°C)

Ống đồng C12200

2 Bộ tản nhiệt của ôtô

24

Nhôm trong két nước tản nhiệt của ôtô

Kết nước tản nhiệt là các ống dẫn dẹp

được thiết kế từ các cánh nhôm nhôm tản

nhiệt được xếp chồng lên nhau

Làm tăng diện tích hay tốc độ truyền nhiệt đem lại hiệu quả tản nhiệt

tối ưu.

25

Cấu tạo két nước làm mát ô tô

Két nước làm mát bao gồm hai thành phần chính:

Ống dẫn nhiệt (Cooling Tubes): Đây là nơi nước làm mát chảy qua Các ống này thường được làm từ hợp kim nhôm có khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn tốt.

Cánh tản nhiệt (Cooling Fins): Những lá nhôm mỏng được gắn xung quanh các ống dẫn nhiệt để tăng diện tích tiếp xúc với không khí, giúp tản nhiệt nhanh hơn.

Thành phần hợp kim nhôm trong ống dẫn nhiệt

( ống dẫn môi chất )

Thành phần chính:

Nhôm (Al): 98.2% - Đảm bảo độ dẫn nhiệt 190 W/m·K, trọng lượng nhẹ (2.73

g/cm³), và tạo lớp oxit Al₂O₃ (~5 nm) chống ăn mòn trong độ ẩm 80%

Mangan (Mn): 1.2% - Tạo pha Al₆Mn, tăng độ bền kéo (150 MPa), chống mỏi

do rung quạt

Đồng (Cu): 0.12% - Cải thiện độ bền, nhưng giảm độ dẫn nhiệt từ 237 W/m·K

(Al nguyên chất) xuống 190 W/m·K

Sắt (Fe): 0.6% - Tăng độ cứng, chịu được bụi và hạt nhỏ trong không khí

ngoài trời

Silic (Si): 0.25% - Hỗ trợ cán mỏng fins (0.12 mm), giữ cấu trúc ổn định ở

50°C

Tạp chất khác (Zn, Mg…): ≤0.05% mỗi loại

Tính chất:

Nhẹ, chống ăn mòn tốt, giá thành thấp.

Chất làm mát (nước làm mát) trong hệ thống làm mát ô tô có thể gây

ăn mòn nếu không được kiểm soát đúng cách.

Nên vì thế chúng ta lựa chọn hợp kim nhôm - mangan để chống lại sự

ăn mòn đó.

HỢP KIM ĐỒNG THƯỜNG DÙNG: C12200 (ĐỒNG KHỬ PHỐT PHO - DHP COPPER)

Đồng (Cu): ≥99.9% - hành phần chính, đảm bảo độ dẫn nhiệt

cao (401 W/m·K), độ dẻo tốt, và khả năng chống ăn mòn cơ

bản trong môi trường nước sạch và không khí

Phốt pho (P): 0.015-0.040% - Khử oxy trong quá trình luyện

kim, giảm hàm lượng oxy từ ~0.04% xuống <0.01%, ngăn

ngừa giòn hydro khi hàn hoặc vận hành ở nhiệt độ cao Tăng

độ bền và độ dẻo khi gia công

Tạp chất (O, Pb, Fe…): ≤0.01% mỗi loại - Giữ độ dẫn nhiệt gần

tối đa, giảm nguy cơ ăn mòn cục bộ trong môi trường nước

3 Ứng dụng trong thiết bị trao đổi nhiệt water chiller

Tính chất của C12200

Hợp kim đồng C12200 có độ dẫn nhiệt vượt trội (401 W/m·K), khả năng chống ăn mòn tốt trong

nước sạch và không khí ẩm, cùng với độ bền cơ học cao (250 MPa) và độ dẻo (giãn dài 45%), phù

hợp cho các ống dẫn chịu áp suất và nhiệt độ thay đổi trong water chiller

C11000 (Đồng điện phân - ETP Copper):

Cu ≥99.9%, nhưng chứa oxy (~0.04%), không khử phốt

pho, dễ giòn khi hàn

Ít dùng trong water chiller do kém bền hơn C12200

Hợp kim đồng-niken (Cu-Ni 90/10):

Dẫn nhiệt thấp hơn (~50 W/m·K), nhưng chống ăn mòn

vượt trội trong nước biển (NaCl)

Dùng trong chiller công nghiệp lớn (nước mặn), nhưng đắt

hơn C12200 (~2 lần)

Vì vậy C12200 là lựa chọn tối ưu: Cân bằng giữa độ

dẫn nhiệt (401 W/m·K), độ bền (250 MPa), và chi phí, phù

hợp cho water chiller dân dụng và công nghiệp nhỏ

32

SO SÁNH VỚI CÁC HỢP KIM ĐỒNG KHÁC

C11000 (Đồng thanh):

Hợp kim đồng-niken

Dẫn nhiệt thấp (~16 W/m·K), làm giảm hiệu suất trao đổi nhiệt (~50% so với C12200).

Dùng cho vỏ (shell), nhưng không phù hợp cho ống do hiệu suất nhiệt kém

Bộ trao đổi nhiệt ống chùm: Trong water chiller, các ống dẫn môi chất lạnh hoặc

nước thường làm từ hợp kim đồng (như đồng-niken, tức cupronickel)

Lý do dùng hợp kim đồng:

Dẫn nhiệt tốt: Đảm bảo quá trình làm lạnh nước diễn ra

nhanh và hiệu quả

Chống ăn mòn: Đặc biệt quan trọng vì water chiller

thường xuyên tiếp xúc với nước, đôi khi là nước có tạpchất hoặc muối (trong hệ thống biển) Hợp kim đồng-niken rất bền trong môi trường này

Khả năng chịu áp suất: Ống đồng phù hợp với áp suất

cao của hệ thống làm lạnh công nghiệp

Ứng dụng của hợp kim đồng trong bộ trao đổi nhiệt

34