襯鈦碳鋼復合管的傳熱性能試驗研究

王健良

鎮(zhèn)海石化建安工程有限公司 （浙江寧波 315207）

0 前言

鋼質(zhì)管路耐海水等腐蝕性流體的能力差、腐蝕嚴重，修理更換頻繁，是腐蝕與防護的老大難問題。鈦系復合管材料是一種在鋼管或銅管內(nèi)襯一層薄鈦管的復合材料，可以較低成本獲得鈦材料的優(yōu)異耐腐蝕性能。目前鈦系復合管已經(jīng)在國內(nèi)腐蝕性較強的石油石化行業(yè)、核工業(yè)，以及醫(yī)藥、食品加工等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

鈦/鋼復合管制作大多是通過機械應(yīng)力貼合，內(nèi)襯鈦管與鋼管之間往往存在接觸熱阻，當用于管內(nèi)流體與管外流體換熱時，會影響傳熱系數(shù)。接觸熱阻的大小與復合管的制作工藝、管內(nèi)外流體的溫度有一定的關(guān)系。接觸熱阻很難通過理論計算獲得，往往通過試驗獲取。以往的研究工作多注重于復合管制造工藝的研究，而鮮有學者對復合管的具體應(yīng)用性能尤其是傳熱性能進行研究。

余醉仙[1]對10/316復合管制備工藝及傳熱性能進行了研究，通過傳熱性能試驗平臺,測定了碳鋼不銹鋼復合換熱管的整體傳熱性能，分析了其導熱性能，并且通過與不銹鋼管進行比較，得出其導熱性能優(yōu)于不銹鋼管的結(jié)論，從而說明復合產(chǎn)生的接觸熱阻較低。甘浩芳[2]對鋁-碳鋼復合管的傳熱性能進行了研究，測定了鋁-碳鋼復合管的導熱系數(shù)和接觸熱阻，并對比了鋁-碳鋼復合管和普通碳鋼管傳熱性能之間的差異；試驗結(jié)果表明：鋁-碳鋼復合管的導熱系數(shù)比普通碳鋼管低15%，明顯存在接觸熱阻，但總傳熱系數(shù)僅比普通碳鋼管低7.8%，說明接觸熱阻在總傳熱熱阻中的影響低于其在單純導熱中的影響。

本文對一種(內(nèi))襯鈦鋼管進行傳熱性能試驗研究。試驗管件為1根2.5m長的19 mm×2 mm不襯鈦碳鋼管（以下簡稱光管）和2根2.5m長的19 mm×2.5 mm襯鈦碳鋼管（以下簡稱復合管，內(nèi)襯鈦管厚度為0.5 mm）。通過對光管與2根復合管進行對比試驗及理論研究，得出一系列工況的試驗數(shù)據(jù)，分析得到復合管傳熱過程的各項熱阻值，通過復合管與光管的比較，給出襯鈦工藝的評價；找出換熱的規(guī)律性，得到有關(guān)的計算關(guān)系式和計算方法，用于襯鈦管換熱器的設(shè)計計算。

1 試驗設(shè)備及試驗方法

試驗系統(tǒng)圖如圖1所示。試驗管插入試驗臺的大管內(nèi)，組成套管式換熱器，試驗管換熱的有效長度為1.876 m。試驗管管內(nèi)通N46透平油，兩管管間通水。試驗時，透平油加熱到預(yù)定的溫度進入試件，通過調(diào)整補水和排水量的大小來調(diào)整相應(yīng)管外水的進口溫度。油和水的進、出口溫度由鉑電阻溫度計測量，油的流量由齒輪流量計測量，水的流量由電磁流量計測量。

圖1 試驗系統(tǒng)圖

復合管的傳熱性能弱于光管，一方面是因為多了一層鈦管，增加了導熱熱阻，另一方面是因為鈦管與碳鋼管之間存在接觸熱阻；導熱熱阻可通過計算得到，且占的比例較小，主要增加的熱阻是接觸熱阻。測得接觸熱阻后，就掌握了復合管與光管的傳熱差異，復合管的傳熱計算只要在光管的傳熱計算基礎(chǔ)上考慮接觸熱阻及鈦管的導熱熱阻即可。

在相同的試驗工況條件下，對復合管和光管進行傳熱性能試驗，通過比較兩種管子的換熱量、傳熱系數(shù)等指標可以判斷兩種管子傳熱性能的差異，然后通過計算得到復合管的接觸熱阻。

試驗的換熱量由式（1）計算。

試驗傳熱系數(shù)K的計算式見式（2）。

式中：Q 為換熱量，W；Go'為油流量，kg/s；cpo為定壓比熱容，J/（kg·℃）；To'為油進口溫度，℃；To''為油出口溫度，℃;A為傳熱面積（取管外表面積），為對數(shù)平均溫差。

復合管的傳熱熱阻方程式見式（3）[3]。

光管的傳熱熱阻方程式見式（4）。

其中：Kt為復合管傳熱系數(shù)，W/(m2·℃）；KS為光管傳熱系數(shù)，W/(m2·℃）；αw為水的對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃）；αo為油的對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃）；δS為碳鋼管的壁厚，m；δt為鈦管的壁厚，m；do為試驗管的外徑，m；di為試驗管的內(nèi)徑，m；da為碳鋼管的內(nèi)外徑平均值，m；λS為碳鋼導熱系數(shù)，W/(m2·℃）；λt為鈦的導熱系數(shù)，W/(m2·℃）；R 為接觸熱阻，(m2·℃）/W。

試驗時，在兩種管子的對比工況中，保持兩種管的水速、油速、水溫、油溫基本相同，則（3）式和（4）式右側(cè)的前三項相等。（3）式減去（4）式得：

接觸熱阻為：

復合管比光管增加的熱阻為：

為了凸顯復合管與光管接觸熱阻所造成的差異，從而更準確地得到接觸熱阻，試驗時油和水保持較高的流速，使二者的換熱熱阻盡可能小。

試驗過程中先控制殼程進口水溫約為60℃，在90～150℃間調(diào)整進口油溫；再控制管程進口油溫約為110℃，在25～55℃范圍內(nèi)變化進口水溫。為合理對比，兩種管子除了進口溫度保持基本相同外，水速和油速也保持一致（油的流速為2.3 m/s，水的流速為3.6 m/s），這樣可以對兩種管子在相同換熱條件下的傳熱系數(shù)進行比較，并得到復合管的接觸熱阻值以及增加的熱阻值。由于復合管管內(nèi)流通截面積小一些，因此，當油速相同時，復合管管內(nèi)油的流量也小一些。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 傳熱系數(shù)

實驗得到光管和2根復合管（分別命名為1號、2號）的傳熱系數(shù)，如圖2、圖3所示。

圖2 固定進口水溫（60℃）、變化進口油溫（90～150℃）時管的傳熱系數(shù)

圖3 固定進口油溫（110℃）、變化進口水溫（25～55℃）時管的傳熱系數(shù)

圖2為固定進口水溫為60℃、在90～150℃范圍內(nèi)變化進口油溫時管的傳熱系數(shù)圖?？梢钥吹剑S著換熱平均溫差的增加，3根管的傳熱系數(shù)都呈上升趨勢。這是由于隨著油溫的升高，油的黏度很快降，油的換熱系數(shù)增加，使得整體傳熱系數(shù)增加。2根復合管的傳熱系數(shù)接近，且均低于光管，平均為光管傳熱系數(shù)的81%。

圖3為固定進口油溫為110℃、在25～55℃范圍內(nèi)變化進口水溫時的傳熱系數(shù)圖?？梢钥吹?，隨著換熱平均溫差的增加，3根管的傳熱系數(shù)均呈下降趨勢。這是由于隨著水溫的降低，水的黏度增大，水的換熱系數(shù)降低，使得整體傳熱系數(shù)下降。復合管的傳熱系數(shù)低于光管，平均為光管傳熱系數(shù)的86%。

綜合圖2、圖3，復合管的傳熱系數(shù)平均為光管傳熱系數(shù)的83.5%。

2.2 接觸熱阻

2根復合管的接觸熱阻如圖4、圖5所示。

圖4 固定進口水溫（60℃）、變化進口油溫（90～150℃）時復合管的接觸熱阻

圖5 固定進口油溫（110℃）、變化進口水溫（25～55℃）時復合管的接觸熱阻

圖4為固定進口水溫為60℃、在90～150℃范圍內(nèi)變化進口油溫時復合管的接觸熱阻圖，圖5為固定進口油溫為110℃、在25～55℃范圍內(nèi)變化進口水溫時復合管的接觸熱阻圖。2根復合管的接觸熱阻數(shù)值在 0.00015～0.00029（m2·℃）/W之間，平均為 0.00022（m2·℃）/W。

從接觸熱阻的變化趨勢看，隨著油和水換熱溫差的增加，接觸熱阻趨于減小，這一點可從鈦管與鋼管不同的線膨脹系數(shù)得到解釋。復合管用于換熱時，鈦管的溫度接近于管內(nèi)流體的溫度，鋼管的溫度接近于殼程流體的溫度，兩種流體的換熱溫差越小，則鈦管與鋼管的溫度越接近。由于鈦管的線膨脹系數(shù)低于鋼管，因此在鈦管與鋼管溫度接近時，二者的熱膨脹效應(yīng)會產(chǎn)生徑向脫開的應(yīng)力，從而導致接觸熱阻增大。反之，當換熱溫差增大時，二者的溫差也相應(yīng)增大，盡管鈦管的線膨脹系數(shù)小，但當其溫度比鋼管足夠高時，徑向的膨脹可以保持與鋼管同步或大于鋼管，當徑向膨脹大于鋼管時，會產(chǎn)生徑向壓緊的應(yīng)力，從而使接觸熱阻減小。

3 結(jié)論

（1）襯鈦管的接觸熱阻與流體的換熱溫差有關(guān)。一般而言，換熱溫差越大，接觸熱阻值越??；換熱溫差越小，接觸熱阻值越大。

（2）試驗襯鈦管的平均傳熱系數(shù)約為非襯鈦管的83.5%，當管內(nèi)外的換熱條件發(fā)生變化時，該數(shù)值會有所變化，在80%～90%之間。

（3）試驗襯鈦管的接觸熱阻值平均為0.00022（m2·℃）/W，當管內(nèi)外的換熱條件發(fā)生變化時，該數(shù)值在 0.00015～0.00029（m2·℃）/W之間變化。

參考文獻：

[1]余醉仙.10/316復合管制備工藝及傳熱性能研究[D].上海：華東理工大學，2015.

[2]甘浩芳.鋁-碳鋼復合管傳熱性能研究及應(yīng)用 [D].上海：華東理工大學，2014.

[3]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.