|
W niniejszym artykule omówiono większość materiałów metalowych stosowanych w obiegach chłodniczych. Zwrócono uwagę na materiały najczęściej stosowane na rurociągi, zbiorniki, wymienniki ciepła oraz systemy sprężarkowe i pompowe.
Miedź i jej stopy, stal kwasoodporna czy nierdzewna są najczęściej wykorzystywanymi materiałami w obiegach chłodniczych, gdyż charakteryzują się parametrami pozwalającymi na zwiększenie:
- wytrzymałości w niskiej temperaturze,
- efektywności cieplnej,
- odporności na działanie środków żrących.
W tekście tym omówiono większość materiałów stosowanych w instalacjach chłodniczych przy czym szczegółowo omówiono obecnie najpopularniejszy materiał stosowany w obiegach chłodniczych – miedź.
Materiały stosowane w niskiej temperaturze
Obniżenie temperatury ciała stałego powoduje wzrost jego granicy plastyczności, wytrzymałości na rozerwanie i zmęczenie oraz twardości. Podczas obniżania temperatury w czasie, materiały zmieniają swoją strukturę przez co osiąga się odpowiednie własności materiałowe (np. gwałtownie obniżenie temperatury rozżarzonej stali może powodować jej zahartowanie, podwyższenie temperatury może spowodować jej rozhartowanie – oczywiście jeśli są spełnione warunki związane z odpowiednią zawartością węgla w stali).
W niskiej temperaturze materiały metalowe, np. zwykła stal węglowa, posiadają zupełnie inne właściwości niż w parametrach normalnej atmosfery. Jedną z tych właściwości, która wtedy decyduje o wytrzymałości materiału może być nie tyle parametr wytrzymałości na rozciąganie, ile kruchość materiału. W wysokiej temperaturze na parametry wytrzymałościowe materiałów metalowych (miedź, stal) ma większy wpływ wytrzymałość na pełzanie niż wytrzymałość na rozciąganie.
Parametry te określają bardzo często granice stosowalności poszczególnych typów materiałów. I tak stale stopowe są stosowane np. w instalacjach cieplnych wysokotemperaturowych z racji na ich dużą wytrzymałość na pełzanie. Aluminium jest z kolei stosowane w instalacjach kriotechnicznych z racji dużej odporności na kruchość w niskiej temperaturze.
Miedź
Miedź jako materiał stosowany w chłodnictwie charakteryzuje się dodatkowo wysoką przewodnością cieplną, odpornością na warunki atmosferyczne oraz na działanie czynników żrących. Odznacza się również dużym przewodnictwem cieplnym – około 5 razy większym niż żelazo. Czysta miedź w stanie wyżarzonym ma następujące właściwości mechaniczne [1]:
- wytrzymałość na rozciąganie Rm= 220÷240 MPa;
- granica plastyczności Re=25÷50 MPa;
- wydłużenie A10=40÷60%;
- przewężenie Z=60÷90%;
- twardość Brinella ~33 HB. (...)
Stal w chłodnictwie
W instalacjach chłodniczych najczęściej wykorzystuje się stal nierdzewną lub kwasoodporną, gdyż klasyczna stal węglowa podatna jest na korozję oraz działanie żrących środków, jakimi są niektóre czynniki chłodnicze. Czynniki wpływające na odporność stali na korozję to:
- skład chemiczny,
- struktura,
- stan powierzchni.
Stal odporna na korozję posiada zawartość chromu od 13 do 14%. Stal kwasoodporna w odróżnieniu do klasycznej stali nierdzewnej posiada dodatkowo oprócz chromu, nikiel, którego zawartość poprawia odporność na działanie np. wody morskiej, czy kwasu siarkowego. Dodatkowym parametrem odpowiadającym za odporność na korozję jest stan powierzchni – stal o powierzchni gładkiej posiada większą odporność na korozję niż stal chropowata lub z uszkodzeniami powierzchni. Wpływ chropowatości oraz uszkodzeń powierzchni na korozję jest parametrem, na który instalatorzy mogą mieć wpływ, w odróżnieniu do składu chemicznego oraz struktury stali, za który odpowiada huta dostarczająca materiały. Istotne jest zatem, by prace instalatorskie były tak realizowane, aby powierzchnia stali stosowanej np. na rurociągi nie była uszkodzona mechanicznie.
Stal wystawiona na działanie atmosfery wilgotnej (np. w komorach chłodniczych) jest podatna na korozję atmosferyczną. Dość dobrą stalą stosowaną w warunkach atmosferycznych jest stal 10HNAP. Podstawowym składnikiem tej stali jest miedź o zawartości od 0,2 do 0,5%, chrom do 1,3%, nikiel do 0,65% oraz fosfor do 0,15%. Stal ta charakteryzuje się tym, że na jej powierzchni powstaje tzw. „patyna”.
Podsumowanie
Parametry materiałów stosowanych w instalacjach chłodniczych zależą głównie od temperatury, ciśnienia i czasu przebywania w środowisku szkodliwym. Wytrzymałość materiałów stosowanych w obiegach chłodniczych zależy w dużej mierze od temperatury eksploatacji oraz ciśnienia.
Wartość temperatury powyżej temperatury atmosferycznej przyczynia się do zwiększenia plastyczności tych materiałów; temperatura poniżej atmosferycznej zwiększa ich kruchość. Poprawny dobór materiału w instalacjach eksploatowanych w długim okresie czasu ma wpływ na niezawodność tych instalacji. Źle dobrany materiał może ulegać korozji i innym oddziaływaniom elektrochemicznym, co może skrócić czas poprawnej eksploatacji. W zastosowaniach chłodniczych ważnym problemem może być wpływ agresywnych chemicznie czynników roboczych na materiały stosowane na rurociągi. Od poprawnego doboru materiału na rurociąg, uszczelnienie, połączenia, czy elementy ruchome bardzo zależy bezpieczeństwo podczas eksploatacji obiegów chłodniczych.
LITERATURA
[1] RUDNIK Stanisław: Metaloznawstwo. PWN. Warszawa, 1986, 1994.
[2] SCOTT R. B.: Technika niskich temperatur. WNT. Warszawa, 1963.
AUTOR: Robert MATYSKO
– Zakład Termodynamiki, Ośrodek Termomechaniki Płynów,
Instytut Maszyn Przepływowych im. Roberta Szewalskiego PAN, Gdańsk |
