鋁-碳鋼復(fù)合管傳熱性能的實驗研究

李 聰， 王學(xué)生， 陳琴珠， 甘浩芳， 姚興軍

（華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200237）

鋁-碳鋼復(fù)合管傳熱性能的實驗研究

李 聰， 王學(xué)生， 陳琴珠， 甘浩芳， 姚興軍

（華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200237）

復(fù)合管中附著的鋁層以及鋁層和碳鋼層之間的間隙增加了整個傳熱過程中的熱阻，使得復(fù)合管的傳熱效果有所下降，從而降低了表面蒸發(fā)器的使用效率。研究了鋁-碳鋼復(fù)合管中附著的鋁層對換熱管傳熱效果的影響程度，在并聯(lián)的2個套管式換熱器上分別對鋁-碳鋼復(fù)合管和普通碳鋼管的傳熱性能進行對比實驗。結(jié)果表明，鋁-碳鋼復(fù)合管的總傳熱系數(shù)比普通碳鋼管平均低7.8%，該誤差符合工業(yè)應(yīng)用條件，可為在表面蒸發(fā)器中使用鋁-碳鋼復(fù)合管提供了可行性依據(jù)。

鋁-碳鋼復(fù)合管;傳熱性能;表面蒸發(fā)器

0 引言

表面蒸發(fā)式空冷(蒸發(fā)空冷)器是一種利用噴淋水和空氣共同垂直掠過水平布置的換熱管，從而將管內(nèi)物料冷卻至一定溫度的換熱設(shè)備，是一種將水冷與空冷、傳熱與傳質(zhì)過程融為一體且兼有兩者之長的高效節(jié)能冷卻設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、投資省、操作費用低、安裝、維護方便等優(yōu)點。在煉油、冶金、電力、制冷、輕工等行業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景，是空冷技術(shù)發(fā)展的新方向［1-2］。

表面蒸發(fā)式空冷器的結(jié)構(gòu)主要包括換熱管、循環(huán)水泵、噴頭、除霧器以及風(fēng)機等，其中，換熱管是該設(shè)備的核心傳熱部件［3］。表面蒸發(fā)式空冷器的研究始于上世紀(jì)60年代，我國在80年代初從國外引進并逐漸發(fā)展，到目前為止，表面蒸發(fā)式空冷器中所采用的換熱管一般均為普通的碳鋼管，普通碳鋼管價格低廉，但由于其耐腐蝕性能差，隨著設(shè)備的運行將會出現(xiàn)十分嚴(yán)重的腐蝕、結(jié)垢等問題，這也就導(dǎo)致了換熱管的更換頻率較高，無疑增加了企業(yè)的設(shè)備投資［4-5］。因此，開發(fā)新型換熱管替代原來的普通碳鋼管也就成為歷史賦予當(dāng)今化工裝備企業(yè)的責(zé)任。

本文利用自主搭建的并聯(lián)套管式換熱器實驗平臺，研究鋁-碳鋼復(fù)合管中附著的鋁層對換熱管傳熱效果的影響程度，即在工況一致的情況下，比較鋁-碳鋼復(fù)合管和普通碳鋼管總傳熱系數(shù)和管壁熱阻的差異，以判斷用鋁-碳鋼復(fù)合管代替普通碳鋼管應(yīng)用在新型膜式蒸發(fā)器中是否可行，為后續(xù)新型膜式蒸發(fā)器的開發(fā)工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 實驗原理與內(nèi)容

1.1 實驗原理

式中:K為總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃);A為傳熱面積，m2;c為水的比熱容，取4.2 kJ/(kg·℃);m為換熱管中熱水流量，kg/s;T1為殼程冷水進口溫度，℃;T2為殼程冷水出口溫度，℃;t1為管程熱水進口溫度，℃;t2為管程熱水出口溫度，℃。

由于碳鋼管和復(fù)合管外均包裹有保溫棉，熱水箱外也有相應(yīng)的保溫措施，故整個流程可以近似看作恒溫?zé)嵩?。由此可知，在熱水箱水溫一定的情況下，復(fù)合管和碳鋼管的換熱量近似相等，即:Q1=Q2。熱流量Q正比于推動力Δt，反比于熱阻R，即:

式中:A為對數(shù)平均面積，m2;δ為管壁的厚度，m;λ為管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃);Δt為管壁兩側(cè)的溫度差，℃;R為管壁的熱阻，℃/W。由此可知:

式中:下角標(biāo)1代表碳鋼管;下角標(biāo)2代表復(fù)合管。

圖1 實驗方案流程

1.2 實驗內(nèi)容

實驗采用一種新型的鋁-碳鋼復(fù)合管，該管型在原有碳鋼管基礎(chǔ)上包覆一層0.6～0.8 mm的鋁層。鋁層的增加有利有弊，有利之處在于鋁層自身表面形成的致密的氧化膜抗腐蝕性能好，將會大大延長換熱管的使用壽命;弊端在于鋁層是在原有碳鋼管基礎(chǔ)上進行包覆，增加了換熱管管壁的厚度，管壁厚度的增加會相應(yīng)增加管壁的熱阻;包覆質(zhì)量的好壞也直接關(guān)系到管壁熱阻增加的多與少，因為鋁層和碳鋼層之間可能產(chǎn)生的間隙也會大大增加整合管壁的熱阻［6］。

該實驗另外的研究目的是比較同一工藝條件下制造產(chǎn)生的鋁-碳鋼復(fù)合管的前段、中段以及后段的熱阻以及傳熱性能的變化。為此將同一工藝條件下制造產(chǎn)生的鋁-碳鋼復(fù)合管的前段、中段以及后段分別標(biāo)記為1號、2號以及3號換熱管，通過對比實驗來區(qū)分3根換熱管的可能存在的傳熱性能差異。

實驗分2部分進行:① 采用套管式換熱器，將3根復(fù)合管串聯(lián)，在保證裝置管程入口熱水溫度、殼程冷水入口溫度以及管、殼程流量相同的情況下，通過測試實驗數(shù)據(jù)對兩種換熱管的總傳熱系數(shù)進行比較。②分別將復(fù)合管或碳鋼管與熱水箱串聯(lián)，在保證裝置管程入口熱水溫度以及流量相同的情況下，通過測試實驗數(shù)據(jù)對兩種換熱管的導(dǎo)熱系數(shù)進行比較。

由圖1(a)可見，來自恒溫?zé)崴涞乃?jīng)調(diào)節(jié)閥、電磁流量計、轉(zhuǎn)子流量計，從換熱器底部進入內(nèi)管，與環(huán)隙的冷水換熱后，自換熱器頂部出口流入熱水箱。在熱水的進出口分別測定水的溫度。來自冷水箱的冷水經(jīng)調(diào)節(jié)閥、電磁流量計、轉(zhuǎn)子流量計從換熱器上部進入環(huán)隙與內(nèi)管的熱水進行換熱，然后排至下水道。在進口和出口處測冷水溫度。壓降可通過4個U型壓差計測得。如圖1(b)所示，熱水箱的水通過加熱器加熱到制定溫度，水箱中溫度由溫控模塊進行控制，保證熱水入口溫度恒定，通過貼在管外壁的熱電偶可以得到管外壁的溫度。換熱管的外壁由保溫層包裹，熱量基本不向外散失。

在第一部分實驗中，管程和殼程的流量均保持在1.0 kg/s，管程的進口溫度從55℃逐漸升高到80℃，殼程溫度保證27.5℃;在第二部分實驗中，管程和殼程的流量均保持在1.0 kg/s，管程的進口溫度從55℃逐漸升高到85℃。

2 實驗結(jié)果與分析

圖2是在其他條件保持一致的情況下，隨著管程熱水進口溫度的升高，復(fù)合管和碳鋼管的熱水出口溫度都隨之上升，兩者之間的關(guān)系基本上呈線性關(guān)系。其中，復(fù)合管的熱水出口溫度略高于碳鋼管。這是復(fù)合管外層包覆了一層鋁層，導(dǎo)致復(fù)合管的熱阻相應(yīng)增大，傳熱效果隨之略微下降的緣故［7-9］。另外，復(fù)合管中碳鋼層和鋁層之間可能存在的縫隙而產(chǎn)生的接觸熱阻也可能會使復(fù)合管的熱阻增大從而影響復(fù)合管的傳熱效果。最后，由對數(shù)平均溫度計算公式可知，復(fù)合管的對數(shù)平均溫度也略高于碳鋼管的對數(shù)平均溫度。

圖2 熱水進口溫度與熱水出口溫度的關(guān)系

由圖3可知，在55～80℃，隨著熱水進口溫度的升高，復(fù)合管和碳鋼管的總傳熱系數(shù)總體上保持上升趨勢。其中，碳鋼管和復(fù)合管的總傳熱系數(shù)之差基本上保持平穩(wěn)，復(fù)合管的總傳熱系數(shù)略低于碳鋼管。通過計算可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合管和碳鋼管的總傳熱系數(shù)之差在6.5% ～9.3%之間波動，波動區(qū)間為2.8%，總體趨勢保持平穩(wěn)。復(fù)合管的總傳熱系數(shù)略低于碳鋼管，這是由于復(fù)合管外層包覆了一層鋁層，熱阻相應(yīng)增大，從而導(dǎo)致傳熱效果略微下降的緣故。經(jīng)統(tǒng)計計算得出，復(fù)合管的總傳熱系數(shù)比碳鋼管的總傳熱系數(shù)低7.8%。

圖3 熱水進口溫度與總傳熱系數(shù)的關(guān)系圖

圖4 熱水進口與管壁平均溫差對比圖

由圖5可知，隨著熱水進口溫度的上升，(復(fù)合管熱水進口與管壁溫差壁厚)/(碳鋼管熱水進口與管壁溫差壁厚)基本呈逐漸下降的趨勢，這說明碳鋼管與復(fù)合管導(dǎo)熱系數(shù)的比值呈逐漸下降的趨勢。這是由于鋁的熱膨脹系數(shù)大于碳鋼的熱膨脹系數(shù)，熱水進口溫度的升高而導(dǎo)致的管壁溫度隨之升高時，復(fù)合管的鋁層和碳鋼層之間的縫隙逐漸增大，熱阻也隨之增大，溫差也隨之增大，所以碳鋼與鋁碳鋼之間的溫差逐漸增大，進而導(dǎo)致碳鋼管與復(fù)合管導(dǎo)熱系數(shù)的比值呈逐漸上升的趨勢［12-13］。同時發(fā)現(xiàn)，1～3號復(fù)合管的圖像形式基本一致，趨勢也很相似。這說明3根復(fù)合管的傳熱性能基本相似，都略低于碳鋼管。因此我們認(rèn)為，在同一工藝條件下制造產(chǎn)生的鋁-碳鋼復(fù)合管的前段、中段以及后段的傳熱性能是基本一致的。

圖5 導(dǎo)熱系數(shù)比值的對比

3 結(jié)語

實驗結(jié)果顯示:在55～80℃范圍內(nèi)，鋁-碳鋼復(fù)合管的總傳熱系數(shù)比碳鋼管低7.3% ～9.3%，平均值為7.8%，對于工業(yè)應(yīng)用來說，是可以接受的。在55～85℃范圍內(nèi)，碳鋼管與復(fù)合管的導(dǎo)熱系數(shù)的比值為1.126，即碳鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)比復(fù)合管高12.6%;特別在高溫部分，即75℃以上時，碳鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)與復(fù)合管的導(dǎo)熱系數(shù)的比值為1.201，碳鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)比復(fù)合管高20.1%，即復(fù)合管的熱阻比碳鋼管高20.1%，這也是符合預(yù)期設(shè)想的。

綜合考慮到兩種材質(zhì)的換熱管在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用，碳鋼管隨著使用時間的增加將會出現(xiàn)較為嚴(yán)重的腐蝕結(jié)垢問題，這將會導(dǎo)致?lián)Q熱管傳熱性能的急劇惡化［14］;而對于復(fù)合管來講，由于鋁層表面形成的致密氧化膜，復(fù)合管具有優(yōu)良的抗腐蝕性能，隨著使用時間的增加，腐蝕結(jié)垢問題與碳鋼管比較，效果良好［15］。因此，綜合考慮傳熱效率和成本兩大因素，將鋁-碳鋼復(fù)合管應(yīng)用在表面蒸發(fā)器中是可行的，可以產(chǎn)生更高的經(jīng)濟效益。

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The Experimental Study of Heat Transfer Performance of Aluminum-carbon Steel Composite Pipe

LI Cong，WANG Xue-sheng，CHEN Qin-zhu，GAN Hao-fang，YAO Xing-jun
(School of Mechanical and Power Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China)

Applying the aluminum-carbon steel composite pipe in the surface evaporator can effectively increase its life span without increasing cost，but the aluminum layer of the composite pipe and the gap between aluminum layer and carbon steel layer increase the thermal resistance so to decrease the heat transfer effect of the composite pipe.Thus the efficiency in the use of the surface evaporator is reduced.This paper focuses on the degree of the influence of heat transfer performance for the aluminum layer in the aluminum-carbon steel composite pipe.Based on the study of the heat transfer performance of aluminum-carbon steel composite pipe，it is found that the total heat transfer coefficient of carbon steel composite pipe is 7.8%lower to the average，thus the use of aluminum-carbon steel composite pipe in the surface evaporator is feasible.

aluminum-carbon steel composite pipe;heat transfer performance;surface evaporator

TQ 021.3

A

1006－7167(2014)05－0045－04

2013－06－05

李 聰(1988－)，男，湖北荊門人，碩士生，主要研究方向過程裝備技術(shù)研究及傳熱性能分析。

陳琴珠(1963－)，女，上海人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為先進過程裝備材料及過程裝備節(jié)能減排技術(shù)。

Tel.:021-64253157;E-mail:qzchen@ecust.edu.cn