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(yán)重，修理更換頻繁，是腐蝕與防護(hù)的老大難問(wèn)題。鈦系復(fù)合管材料是一種在鋼管或銅管內(nèi)襯一層薄鈦管的復(fù)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(fù)合管已經(jīng)在國(guó)內(nèi)腐蝕性較強(qiáng)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(fù)合管制作大多是通過(guò)機(jī)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(dāng)用于管內(nèi)流體與管外流體換熱時(shí)，會(huì)影響傳熱系數(shù)。接觸熱阻的大小與復(fù)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(guò)理論計(jì)算獲得，往往通過(guò)試驗(yàn)獲取。以往的研究工作多注重于復(fù)合管制造工藝的研究，而鮮有學(xué)者對(duì)復(fù)合管的具體應(yīng)用性能尤其是傳熱性能進(jìn)行研究。

余醉仙[1]對(duì)10/316復(fù)合管制備工藝及傳熱性能進(jìn)行了研究，通過(guò)傳熱性能試驗(yàn)平臺(tái),測(cè)定了碳鋼不銹鋼復(fù)合換熱管的整體傳熱性能，分析了其導(dǎo)熱性能，并且通過(guò)與不銹鋼管進(jìn)行比較，得出其導(dǎo)熱性能優(yōu)于不銹鋼管的結(jié)論，從而說(shuō)明復(fù)合產(chǎn)生的接觸熱阻較低。甘浩芳[2]對(duì)鋁-碳鋼復(fù)合管的傳熱性能進(jìn)行了研究，測(cè)定了鋁-碳鋼復(fù)合管的導(dǎo)熱系數(shù)和接觸熱阻，并對(duì)比了鋁-碳鋼復(fù)合管和普通碳鋼管傳熱性能之間的差異；試驗(yàn)結(jié)果表明：鋁-碳鋼復(fù)合管的導(dǎo)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(shuō)明接觸熱阻在總傳熱熱阻中的影響低于其在單純導(dǎo)熱中的影響。

本文對(duì)一種(內(nèi))襯鈦鋼管進(jìn)行傳熱性能試驗(yàn)研究。試驗(yàn)管件為1根2.5m長(zhǎng)的19 mm×2 mm不襯鈦碳鋼管（以下簡(jiǎn)稱(chēng)光管）和2根2.5m長(zhǎng)的19 mm×2.5 mm襯鈦碳鋼管（以下簡(jiǎn)稱(chēng)復(fù)合管，內(nèi)襯鈦管厚度為0.5 mm）。通過(guò)對(duì)光管與2根復(fù)合管進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)及理論研究，得出一系列工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析得到復(fù)合管傳熱過(guò)程的各項(xiàng)熱阻值，通過(guò)復(fù)合管與光管的比較，給出襯鈦工藝的評(píng)價(jià)；找出換熱的規(guī)律性，得到有關(guān)的計(jì)算關(guān)系式和計(jì)算方法，用于襯鈦管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1所示。試驗(yàn)管插入試驗(yàn)臺(tái)的大管內(nèi)，組成套管式換熱器，試驗(yàn)管換熱的有效長(zhǎng)度為1.876 m。試驗(yàn)管管內(nèi)通N46透平油，兩管管間通水。試驗(yàn)時(shí)，透平油加熱到預(yù)定的溫度進(jìn)入試件，通過(guò)調(diào)整補(bǔ)水和排水量的大小來(lái)調(diào)整相應(yīng)管外水的進(jìn)口溫度。油和水的進(jìn)、出口溫度由鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量，油的流量由齒輪流量計(jì)測(cè)量，水的流量由電磁流量計(jì)測(cè)量。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)圖

復(fù)合管的傳熱性能弱于光管，一方面是因?yàn)槎嗔艘粚逾伖埽黾恿藢?dǎo)熱熱阻，另一方面是因?yàn)殁伖芘c碳鋼管之間存在接觸熱阻；導(dǎo)熱熱阻可通過(guò)計(jì)算得到，且占的比例較小，主要增加的熱阻是接觸熱阻。測(cè)得接觸熱阻后，就掌握了復(fù)合管與光管的傳熱差異，復(fù)合管的傳熱計(jì)算只要在光管的傳熱計(jì)算基礎(chǔ)上考慮接觸熱阻及鈦管的導(dǎo)熱熱阻即可。

在相同的試驗(yàn)工況條件下，對(duì)復(fù)合管和光管進(jìn)行傳熱性能試驗(yàn)，通過(guò)比較兩種管子的換熱量、傳熱系數(shù)等指標(biāo)可以判斷兩種管子傳熱性能的差異，然后通過(guò)計(jì)算得到復(fù)合管的接觸熱阻。

試驗(yàn)的換熱量由式（1）計(jì)算。

試驗(yàn)傳熱系數(shù)K的計(jì)算式見(jiàn)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(jìn)口溫度，℃；To''為油出口溫度，℃;A為傳熱面積（取管外表面積），為對(duì)數(shù)平均溫差。

復(fù)合管的傳熱熱阻方程式見(jiàn)式（3）[3]。

光管的傳熱熱阻方程式見(jiàn)式（4）。

其中：Kt為復(fù)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(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃）；αo為油的對(duì)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(yàn)管的外徑，m；di為試驗(yàn)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(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·℃）；λt為鈦的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·℃）；R 為接觸熱阻，(m2·℃）/W。

試驗(yàn)時(shí)，在兩種管子的對(duì)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(xiàng)相等。（3）式減去（4）式得：

接觸熱阻為：

復(fù)合管比光管增加的熱阻為：

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

試驗(yàn)過(guò)程中先控制殼程進(jìn)口水溫約為60℃，在90～150℃間調(diào)整進(jìn)口油溫；再控制管程進(jìn)口油溫約為110℃，在25～55℃范圍內(nèi)變化進(jìn)口水溫。為合理對(duì)比，兩種管子除了進(jìn)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(duì)兩種管子在相同換熱條件下的傳熱系數(shù)進(jìn)行比較，并得到復(fù)合管的接觸熱阻值以及增加的熱阻值。由于復(fù)合管管內(nèi)流通截面積小一些，因此，當(dāng)油速相同時(shí)，復(fù)合管管內(nèi)油的流量也小一些。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 傳熱系數(shù)

實(shí)驗(yàn)得到光管和2根復(fù)合管（分別命名為1號(hào)、2號(hào)）的傳熱系數(shù)，如圖2、圖3所示。

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

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

圖2為固定進(jìn)口水溫為60℃、在90～150℃范圍內(nèi)變化進(jìn)口油溫時(shí)管的傳熱系數(shù)圖。可以看到，隨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(shì)。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(fù)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(jìn)口油溫為110℃、在25～55℃范圍內(nèi)變化進(jìn)口水溫時(shí)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(shì)。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(fù)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(fù)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(fù)合管的接觸熱阻如圖4、圖5所示。

圖4 固定進(jìn)口水溫（60℃）、變化進(jìn)口油溫（90～150℃）時(shí)復(fù)合管的接觸熱阻

圖5 固定進(jìn)口油溫（110℃）、變化進(jìn)口水溫（25～55℃）時(shí)復(fù)合管的接觸熱阻

圖4為固定進(jìn)口水溫為60℃、在90～150℃范圍內(nèi)變化進(jìn)口油溫時(shí)復(fù)合管的接觸熱阻圖，圖5為固定進(jìn)口油溫為110℃、在25～55℃范圍內(nèi)變化進(jìn)口水溫時(shí)復(fù)合管的接觸熱阻圖。2根復(fù)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(shì)看，隨著油和水換熱溫差的增加，接觸熱阻趨于減小，這一點(diǎn)可從鈦管與鋼管不同的線(xiàn)膨脹系數(shù)得到解釋。復(fù)合管用于換熱時(shí)，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(xiàn)膨脹系數(shù)低于鋼管，因此在鈦管與鋼管溫度接近時(shí)，二者的熱膨脹效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生徑向脫開(kāi)的應(yīng)力，從而導(dǎo)致接觸熱阻增大。反之，當(dāng)換熱溫差增大時(shí)，二者的溫差也相應(yīng)增大，盡管鈦管的線(xiàn)膨脹系數(shù)小，但當(dāng)其溫度比鋼管足夠高時(shí)，徑向的膨脹可以保持與鋼管同步或大于鋼管，當(dāng)徑向膨脹大于鋼管時(shí)，會(huì)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(yàn)襯鈦管的平均傳熱系數(shù)約為非襯鈦管的83.5%，當(dāng)管內(nèi)外的換熱條件發(fā)生變化時(shí)，該數(shù)值會(huì)有所變化，在80%～90%之間。

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

參考文獻(xiàn)：

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

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

[3]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.