Système de réfrigération : comment sélectionner et concevoir des tubes en cuivre ?

Par composition matérielle

Les tuyaux en cuivre peuvent être classés en tuyaux en cuivre pur (TP2), tuyaux en laiton (H62/H65/H68), tuyaux en bronze (QSn6.5-0.1) et tuyaux en cupronickel (alliage Ni-Cu). Parmi ceux-ci, les tuyaux en cuivre pur ont la meilleure conductivité thermique mais sont relativement chers ; les tuyaux en laiton ont une résistance élevée mais une faible conductivité thermique ; les tuyaux en bronze et en cupronickel ont une bonne résistance à la corrosion mais une mauvaise maniabilité.

Par processus de production

Les tuyaux en cuivre peuvent être classés en tuyaux en cuivre-sans oxygène, en tuyaux en cuivre contenant de l'oxygène-et en tuyaux en cuivre à rainures intérieures-. Les tuyaux en cuivre sans oxygène-ont une grande pureté et sont généralement utilisés pour fabriquer des tubes capillaires et d'autres composants de précision ; les tuyaux en cuivre contenant de l'oxygène-ont une résistance et une dureté modérées, une bonne soudabilité et sont souvent utilisés comme tuyaux de raccordement ; Les tuyaux en cuivre à rainure intérieure - ont des rainures sur la paroi intérieure, ce qui permet d'obtenir de bons effets de transfert de chaleur améliorés.

Par dureté

Les tuyaux en cuivre peuvent être classés en trois types : trempe douce (trempe O), trempe mi--dure (1/2H) et trempe dure (trempe H). Les tuyaux en cuivre trempé sont mous et ont une bonne plasticité et ductilité mais une faible résistance ; Les tuyaux en cuivre trempé H ont une résistance et une dureté élevées mais une plasticité médiocre ; Les tuyaux en cuivre 1/2H ont une résistance et une plasticité modérées, avec une bonne maniabilité et constituent le premier choix pour les canalisations de réfrigération.

Exigences matérielles

Les systèmes de réfrigération utilisent principalement des tuyaux en cuivre pur trempé 1/2H (TP2M). Sa composition chimique doit être conforme à la réglementation GB/T 17505-2010 :
Cu+Ag Supérieur ou égal à 99,90 %
0,015% Inférieur ou égal à P Inférieur ou égal à 0,040%
La teneur en éléments d'impuretés doit répondre à : Bi Inférieur ou égal à 0,001%, Sb Inférieur ou égal à 0,002%, As Inférieur ou égal à 0,002%, Fe Inférieur ou égal à 0,005%, Pb Inférieur ou égal à 0,005%, S Inférieur ou égal à 0,005%, Zn Inférieur ou égal à 0,005 %, Ni Inférieur ou égal à 0,002 %, Sn Inférieur ou égal à 0,002 %.

Propriétés mécaniques

Les propriétés mécaniques des tuyaux en cuivre pur trempé 1/2H doivent répondre aux exigences suivantes :
Résistance à la traction Rm Supérieure ou égale à 295MPa
Limite d'élasticité Rp0,2 Supérieur ou égal à 255MPa
Allongement après rupture A Supérieur ou égal à 3%

Méthode de code des appareils sous pression
Selon le code ASME des appareils sous pression, l'épaisseur de paroi minimale des tuyaux en cuivre sous pression interne peut être calculée par la formule suivante[7] : t=PD/(2S+0.8P) où : t - épaisseur de paroi minimale (mm), P - pression de conception (MPa), D - diamètre extérieur du tuyau (mm), S - contrainte admissible pour le tuyau en cuivre (MPa), généralement prise comme 1/3~1/4 de la limite d'élasticité du tuyau en cuivre.

Méthode hydraulique

Compte tenu de la perte de pression lors de l'écoulement du fluide, l'épaisseur de paroi du tuyau en cuivre doit également répondre à la condition de résistance hydraulique[8] : t=D·(3ξρv^2/8σ[s])^0,5 où : ξ - coefficient de résistance au frottement, lié au nombre de Reynolds et à la rugosité relative ; ρ - densité du réfrigérant (kg/m³) ; v - vitesse d'écoulement du réfrigérant (m/s) ; σ[s] - contrainte de cisaillement admissible du tuyau en cuivre (MPa), prise comme 1/3 de la limite d'élasticité.

Méthode de fatigue vibratoire
Les tuyaux en cuivre dans les systèmes de réfrigération subissent souvent des contraintes alternées et doivent être vérifiés pour leur résistance à la fatigue due aux vibrations[9] : σ[a]=Cf·σ[-1]·(2N[f])^m Inférieur ou égal à [σ] où : σ[a] - amplitude de contrainte alternée (MPa), Cf - facteur de qualité de surface, σ[-1] - limite de fatigue du matériau des tuyaux en cuivre (MPa), prise comme 0,4-0,5 de la limite d'élasticité, Nf - durée de vie en fatigue (cycles), m - indice de résistance à la fatigue, pris comme 3-4, [σ] - contrainte alternée admissible (MPa), prise comme 0,6~0,7 de la limite d'élasticité. Ainsi, l'épaisseur minimale de paroi requise peut être estimée. Pour garantir la sécurité et la fiabilité des tuyaux en cuivre soumis à des températures, des pressions et des vibrations élevées, la conception doit généralement calculer l'épaisseur de paroi nominale selon les trois méthodes mentionnées et sélectionner la valeur maximale parmi elles.

La sélection et la conception de tuyaux en cuivre pour les systèmes de réfrigération sont un projet systématique qui nécessite une prise en compte approfondie des matériaux, du traitement, du raccordement, de l'installation et des facteurs d'utilisation. Lors de la conception, le matériau, l'état et les spécifications du tuyau en cuivre doivent être raisonnablement sélectionnés en fonction des paramètres de capacité de refroidissement, de fluide de travail, de température et de pression du système. La détermination de l'épaisseur de la paroi du tuyau en cuivre nécessite des vérifications de calcul sous les aspects de capacité portante sous pression, de résistance aux fluides et de fatigue vibratoire pour garantir la sécurité, la fiabilité et l'efficacité économique du système.

 

 

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