衬钛碳钢复合管的传热性能试验研究

时间：2024-07-28

王健良

镇海石化建安工程有限公司（浙江宁波 315207）

0 前言

钢质管路耐海水等腐蚀性流体的能力差、腐蚀严重，修理更换频繁，是腐蚀与防护的老大难问题。钛系复合管材料是一种在钢管或铜管内衬一层薄钛管的复合材料，可以较低成本获得钛材料的优异耐腐蚀性能。目前钛系复合管已经在国内腐蚀性较强的石油石化行业、核工业，以及医药、食品加工等领域获得广泛应用。

钛/钢复合管制作大多是通过机械应力贴合，内衬钛管与钢管之间往往存在接触热阻，当用于管内流体与管外流体换热时，会影响传热系数。接触热阻的大小与复合管的制作工艺、管内外流体的温度有一定的关系。接触热阻很难通过理论计算获得，往往通过试验获取。以往的研究工作多注重于复合管制造工艺的研究，而鲜有学者对复合管的具体应用性能尤其是传热性能进行研究。

余醉仙[1]对10/316复合管制备工艺及传热性能进行了研究，通过传热性能试验平台,测定了碳钢不锈钢复合换热管的整体传热性能，分析了其导热性能，并且通过与不锈钢管进行比较，得出其导热性能优于不锈钢管的结论，从而说明复合产生的接触热阻较低。甘浩芳[2]对铝-碳钢复合管的传热性能进行了研究，测定了铝-碳钢复合管的导热系数和接触热阻，并对比了铝-碳钢复合管和普通碳钢管传热性能之间的差异；试验结果表明：铝-碳钢复合管的导热系数比普通碳钢管低15%，明显存在接触热阻，但总传热系数仅比普通碳钢管低7.8%，说明接触热阻在总传热热阻中的影响低于其在单纯导热中的影响。

本文对一种(内)衬钛钢管进行传热性能试验研究。试验管件为1根2.5m长的19 mm×2 mm不衬钛碳钢管（以下简称光管）和2根2.5m长的19 mm×2.5 mm衬钛碳钢管（以下简称复合管，内衬钛管厚度为0.5 mm）。通过对光管与2根复合管进行对比试验及理论研究，得出一系列工况的试验数据，分析得到复合管传热过程的各项热阻值，通过复合管与光管的比较，给出衬钛工艺的评价；找出换热的规律性，得到有关的计算关系式和计算方法，用于衬钛管换热器的设计计算。

1 试验设备及试验方法

试验系统图如图1所示。试验管插入试验台的大管内，组成套管式换热器，试验管换热的有效长度为1.876 m。试验管管内通N46透平油，两管管间通水。试验时，透平油加热到预定的温度进入试件，通过调整补水和排水量的大小来调整相应管外水的进口温度。油和水的进、出口温度由铂电阻温度计测量，油的流量由齿轮流量计测量，水的流量由电磁流量计测量。

图1 试验系统图

复合管的传热性能弱于光管，一方面是因为多了一层钛管，增加了导热热阻，另一方面是因为钛管与碳钢管之间存在接触热阻；导热热阻可通过计算得到，且占的比例较小，主要增加的热阻是接触热阻。测得接触热阻后，就掌握了复合管与光管的传热差异，复合管的传热计算只要在光管的传热计算基础上考虑接触热阻及钛管的导热热阻即可。

在相同的试验工况条件下，对复合管和光管进行传热性能试验，通过比较两种管子的换热量、传热系数等指标可以判断两种管子传热性能的差异，然后通过计算得到复合管的接触热阻。

试验的换热量由式（1）计算。

试验传热系数K的计算式见式（2）。

式中：Q 为换热量，W；Go'为油流量，kg/s；cpo为定压比热容，J/（kg·℃）；To'为油进口温度，℃；To''为油出口温度，℃;A为传热面积（取管外表面积），为对数平均温差。

复合管的传热热阻方程式见式（3）[3]。

光管的传热热阻方程式见式（4）。

其中：Kt为复合管传热系数，W/(m2·℃）；KS为光管传热系数，W/(m2·℃）；αw为水的对流换热系数，W/(m2·℃）；αo为油的对流换热系数，W/(m2·℃）；δS为碳钢管的壁厚，m；δt为钛管的壁厚，m；do为试验管的外径，m；di为试验管的内径，m；da为碳钢管的内外径平均值，m；λS为碳钢导热系数，W/(m2·℃）；λt为钛的导热系数，W/(m2·℃）；R 为接触热阻，(m2·℃）/W。

试验时，在两种管子的对比工况中，保持两种管的水速、油速、水温、油温基本相同，则（3）式和（4）式右侧的前三项相等。（3）式减去（4）式得：

接触热阻为：

复合管比光管增加的热阻为：

为了凸显复合管与光管接触热阻所造成的差异，从而更准确地得到接触热阻，试验时油和水保持较高的流速，使二者的换热热阻尽可能小。

试验过程中先控制壳程进口水温约为60℃，在90～150℃间调整进口油温；再控制管程进口油温约为110℃，在25～55℃范围内变化进口水温。为合理对比，两种管子除了进口温度保持基本相同外，水速和油速也保持一致（油的流速为2.3 m/s，水的流速为3.6 m/s），这样可以对两种管子在相同换热条件下的传热系数进行比较，并得到复合管的接触热阻值以及增加的热阻值。由于复合管管内流通截面积小一些，因此，当油速相同时，复合管管内油的流量也小一些。

2 试验结果及分析

2.1 传热系数

实验得到光管和2根复合管（分别命名为1号、2号）的传热系数，如图2、图3所示。

图2 固定进口水温（60℃）、变化进口油温（90～150℃）时管的传热系数

图3 固定进口油温（110℃）、变化进口水温（25～55℃）时管的传热系数

图2为固定进口水温为60℃、在90～150℃范围内变化进口油温时管的传热系数图。可以看到，随着换热平均温差的增加，3根管的传热系数都呈上升趋势。这是由于随着油温的升高，油的黏度很快降，油的换热系数增加，使得整体传热系数增加。2根复合管的传热系数接近，且均低于光管，平均为光管传热系数的81%。

图3为固定进口油温为110℃、在25～55℃范围内变化进口水温时的传热系数图。可以看到，随着换热平均温差的增加，3根管的传热系数均呈下降趋势。这是由于随着水温的降低，水的黏度增大，水的换热系数降低，使得整体传热系数下降。复合管的传热系数低于光管，平均为光管传热系数的86%。

综合图2、图3，复合管的传热系数平均为光管传热系数的83.5%。

2.2 接触热阻

2根复合管的接触热阻如图4、图5所示。

图4 固定进口水温（60℃）、变化进口油温（90～150℃）时复合管的接触热阻

图5 固定进口油温（110℃）、变化进口水温（25～55℃）时复合管的接触热阻

图4为固定进口水温为60℃、在90～150℃范围内变化进口油温时复合管的接触热阻图，图5为固定进口油温为110℃、在25～55℃范围内变化进口水温时复合管的接触热阻图。2根复合管的接触热阻数值在 0.00015～0.00029（m2·℃）/W之间，平均为 0.00022（m2·℃）/W。

从接触热阻的变化趋势看，随着油和水换热温差的增加，接触热阻趋于减小，这一点可从钛管与钢管不同的线膨胀系数得到解释。复合管用于换热时，钛管的温度接近于管内流体的温度，钢管的温度接近于壳程流体的温度，两种流体的换热温差越小，则钛管与钢管的温度越接近。由于钛管的线膨胀系数低于钢管，因此在钛管与钢管温度接近时，二者的热膨胀效应会产生径向脱开的应力，从而导致接触热阻增大。反之，当换热温差增大时，二者的温差也相应增大，尽管钛管的线膨胀系数小，但当其温度比钢管足够高时，径向的膨胀可以保持与钢管同步或大于钢管，当径向膨胀大于钢管时，会产生径向压紧的应力，从而使接触热阻减小。