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摘要：殼管式油冷器廣泛應用于電廠的各主要設備中, 新型高效油冷器的開發和研究是目前人們所關注的一個熱點問題。文章分析了傳統管殼式冷油器存在的問題, 指出同時強化管程和殼程的換熱是開發新型高效油冷器的主要方法, 并給出了幾種適用于冷油器的強化傳熱管型,以及應采用的殼程管間支撐形式。基于此，設計了一種將連續螺旋折流板與齒形翅片管搭配使用，兩種傳熱強化措施結合起來的連續螺旋折流齒形翅片管冷油器。利用傳熱特性測試裝置, 以油-水為工質, 對其進行試驗研究, 得到了油冷器的傳熱與阻力性能曲線。實驗結果表明: 該種油冷器的殼程油側換熱系數可達1200~1400W/(m2·K), 而壓降比同等條件下的弓形折流板光滑管油冷器降低25%~45%，這為電廠冷油器的改造提供了一種新的選擇。
關鍵詞: 連續螺旋折流板; 弓形折流板; 齒形翅片管; 強化傳熱; 冷油器
水冷殼管式冷油器是電廠中應用量大且面廣的一種附機設備，如汽輪機的主冷油器、給水泵和風機冷油器、磨煤機冷油器等，其傳熱效率的高低和抗腐蝕泄漏性成為影響電廠中相關設備正常運行的關鍵。目前，電廠所用的殼管式冷油器大都仍采用銅光滑管作為傳熱管型，弓形隔板作為管間支撐形式。該類冷油器存在二方面不足：一是腐蝕和泄漏問題突出；二是當殼程油側壓降在0.1MPa左右時，總傳熱系數一般不超過700W/(m2·K)[1]。因而其傳熱效率很低，導致冷油器無法將油溫冷卻到給定值，使得相關的設備出現故障1。
強化冷油器換熱效率的主要方法有兩種：一種是將冷油器的基本換熱元件——傳熱管，由光滑管改為強化傳熱管，以減薄流體在管壁處的層流邊界層，降低熱阻；另一種是采用低流阻殼程管間支撐物，通過消除流體流動和傳熱過程中的死區，變殼程流體橫向沖刷流為縱向螺旋流，提高殼程流體的流速。基于這一強化傳熱思路，在分析傳統管殼式冷油器存在的問題，及如何解決的基礎上，本文設計了一種將連續螺旋折流板與齒形翅片管搭配使用，兩種傳熱強化措施結合起來的連續螺旋折流齒形翅片管冷油器。以油-水為工質，利用傳熱與流阻特性試驗裝置，對其進行試驗研究，得到了油冷器的傳熱與阻力性能曲線。可為這種換熱器的工業應用及與其他強化傳熱管的結合使用提供參考。
1 冷油器存在的主要問題
1.1 管板的泄漏
現有的殼管式冷油器換熱管為銅管，而管板和殼體、水室等均為碳鋼材料。換熱管采用脹接工藝與管板相連接，脹接過程中會在管板上尤其是在連接部位生成較大的殘余應力。這部分應力在一定工況下將釋放出來，導致脹口開裂。另一方面，由于管板和換熱管材質不同，膨脹系數相差較大，在冷油器工作時由于溫度變化、振動和頻繁的起停影響，使冷油器承受的熱負荷和機械負荷經常處于交變狀態，造成金屬的疲勞，易產生脹口松動，導致冷卻油泄露。
以銅管為換熱管，碳鋼材料為管板、殼體和水室的冷油器也具備構成原電池的條件，易發生電化學腐蝕，使管板等表面出現腐蝕凹坑[2]。長期地電化學腐蝕，加上應力腐蝕的共同作用，最先在脹口處開始出現泄漏。
1.2 換熱管腐蝕與振動引起的泄漏
腐蝕與振動是引起冷油器內的銅質換熱管泄漏的2個關鍵因素。冷卻水的侵蝕性、流速較高且紊亂，加上冷油器本身苛刻的運行工況，使冷油器的腐蝕問題異常突出。誘發冷油器內銅管泄漏的腐蝕主要是局部腐蝕，它包括的脫鋅腐蝕(層狀脫鋅和塞狀脫鋅)、微生物腐蝕、應力腐蝕和沖擊腐蝕。腐蝕由管內壁向外發展，最深處可穿透至外壁。當腐蝕區域喪失應有的機械強度時，便會在很小的應力作用下，在腐蝕區域產生貫通性裂紋，發生腐蝕失效，造成冷油器銅管泄漏。
傳統的冷油器采用弓形隔板作為管間支撐形式，這種結構會使殼側油產生橫向沖刷流。當冷卻油橫向掠過換熱管時會形成旋渦，然后再與管子分離。旋渦的產生和分離呈現周期性變化，導致換熱管產生振動。另外，弓形隔板冷油器的殼程油流體也會發生彈性激振、紊流抖振等，同樣會導致換熱管束振動。當達到共振點時，振幅較大，導致相鄰管子、管了與弓形隔板之間發生相互碰撞或管子撞擊殼體。振動碰撞過程中，管壁發生菱形磨損，逐漸變薄直至泄漏。另外，振動還會在管了內部產生疲勞損傷和彎曲塑性變形，加上冷卻水的腐蝕和侵蝕作用，使疲勞損傷加劇，造成管壁產生裂紋，管子破裂，嚴重時甚至折斷而引發泄漏事故。
1.3 冷卻效果差
傳統的管殼式冷油器采用弓形折流板支撐管束，油流體在殼程呈“Z”字形流動，在轉折區及進出口兩端渦流的滯留區均會形成流動和傳熱的死區(見圖1)，減少了有效傳熱面積，并在死區內形成傳熱垢層，大大降低了傳熱效率。另外，弓形折流板也使油流體垂直沖擊殼體壁面，造成較大的沿程壓降。因此，這種結構的冷油器總傳熱系數K值一直停滯在較低狀態。
圖1 弓形折流板冷油器殼程流場示意圖
冷油器管束由光滑管組成時，無強化換熱效果。在管內冷卻水側，由于水中泥沙等機械雜質較多，隨著冷油器運行時間增長，會逐漸沉積在換熱管內壁上，嚴重時堵塞部分冷卻水管。這些沉積在換熱管內壁表面上的污垢一方面會增加冷卻水管的導熱熱阻，使冷卻效果變差；另一方面也使流道橫截面的減少甚至堵塞，降低冷卻水流量，致使冷卻效果大幅度下降。
2 強化傳熱的二大途徑
2.1 強化管程換熱
以一種最簡單的管殼式換熱器為例，其總傳熱系數K可表示成：
 (1)
式中：A0/Ai為換熱管外表面積與內表面積之比，λ為管子導熱系數，δ為管子壁厚。冷油器的管壁很薄，導熱系數很大，λ/δ可以忽略。由(1)式可知欲增加K，就必須增加管子內、外側流體換熱系數hi和h0。但當hi和h0相差較大時，增加它們之中較小的一個最有效。
冷油器的管束由光滑管組成時，管外油側換熱系數h0約在96.5~159.6kW/(m3·K)，而管內水側換熱系數hi可達1500kW/(m3·K)以上。顯然冷油器熱阻主要在油側，占總熱阻的70%~80%。因此，采用強化傳熱管來有提管外換熱系數h0以減少殼程油側熱阻，是開發高效能冷油器的技術關鍵之一。
按照Bergles的分類[3]，對流換熱的強化技術可分為無源強化技術(Passive Technology)、有源強化技術(Active Technology)和復合強化Compound Enhancement)。被動強化技術除傳熱介質的輸送外無需外加動力，而主動強化技術則需要外加能量以強化換熱過程。冷油器管束的強化適合采用無源強化技術，它包括有[4]處理表面、粗糙表面、擴展表面等7種，具體方法見表1。
表1 對流換熱強化技術的分類與實現方法
理論研究表明，對于冷油器這類高粘性、低流速換熱器，無源強化傳熱應采用彼此間斷的高肋片傳熱管。但該類管型大都只能采用銅材質，如花瓣管必須采用銅材制造，不僅設備成本高，應用也受到限制。為此，筆者開發出一種帶有周向三維翅片的齒形翅片管(見圖2)，可采用鋼材質管制造。
圖2 鋼質齒形翅片管外觀
齒形翅片管具有間斷性的三維翅片結構，當用于冷油器這類單相對流換熱時，間斷性翅片可周期性割斷翅片上油流體的滯留層，并使油的流向不斷改變和邊界層剝離，強烈地降低滯流層的厚度和熱阻。同時，沿軸向螺旋狀連續分布的齒形翅片避免了管流的周向旋流，前后鄰接、間斷性的齒形翅片迎流面抑制了翅片下游死區及渦列形成，降低了形體阻力及其導致的能耗，這對降低熱阻、提高換熱系數非常有利。
2.2 強化殼程換熱
通常，三維翅片管在增大傳熱系數的同時，會增加殼程油的流動阻力，因此必須采用合理的支承結構，以減小流動阻力。近年來，人們研究開發出了各種不同形式的管間支撐物，以強化殼程的換熱過程。殼程管間支撐物主要包括桿式(折流桿)、環式(空心環)、板式(單弓形、多弓形、螺旋形、整圓形)和換熱管自支承等形式。其中，最早由Lutcha J.和Nemcansky J.[5]于1983年提出的螺旋折流板就是一種流阻性能優良的支承結構，它使殼程流體作螺旋運動以強化換熱器殼程的傳熱。和傳統弓形折流板換熱器相比，具有以下幾方面的優點[6]：(1)殼程流體呈螺旋狀柱塞流動，不存在流動死區，適宜于處理含固體顆粒、粉塵、泥沙等流體；(2)殼程壓力損失小，單位壓降下殼程傳熱系數高，減少了動力消耗；(3)能有效抑制殼程流體的污垢累積沉淀，提高換熱器有效使用周期。對于冷卻油這類高黏度流體而言，其換熱效果更加突出，圖3[7]是一種螺旋折流板換熱器結構。
圖3 螺旋折流板換熱器結構示意圖
螺旋折流板換熱器分為連續型(continuous baffle)和搭接型(sector baffle)兩種，其中搭接型又分為連續搭接型(continuous sector baffle)和交錯搭接型(staggered sector baffle)。目前所使用的螺旋折流板大都由兩塊或四塊扇形銅材質平板搭接而成，兩塊相鄰折流板間形成一系列三角形空間，容易使沿折流板流動的介質形成短路漏流，減少理想通道的流量；也使得殼側流動偏離真正的螺旋流動[8]，削弱了換熱效率。同時安裝、運輸及使用場合都受到較大限制，為此文中采用了鋼質連續螺旋折流板(見圖4)。以便能夠使冷油器殼側油的流動實現真正的螺旋流動，減低殼側的壓降，提高換熱效率，同時緩解冷油器的振動問題。
圖4 連續螺旋折流板結構圖
3 實驗系統
為使所設計的連續螺旋折流板齒形翅片管冷油器應用于電廠，本文通過實驗研究方法對其在水油為換熱工質的系統上進行動態特性試驗。
3.1 實驗裝置與流程
油冷器性能實驗系統如圖5所示，主要包括油路循環系統、水路循環系統以及流量、溫度、壓差測量系統，可實現油水換熱的實驗功能。
1-冷油器; 2-電熱油罐; 3,9-閥門; 4-油泵; 5,10-快速加熱器
6,11-流量計; 7-冷水箱; 8-冷水泵; 12-補水閥; 13-排污閥
T-熱電偶; P-壓力計; DP-差壓計
圖5 冷油器換熱實驗流程圖
采用32號潤滑油-水作為工作介質，其中油走殼程，為熱流體；水走管程，為冷流體。先將潤滑油加熱到預定溫度，然后由油泵引出至快速加熱器，通過渦輪流量計送入油冷器殼程冷卻，再返回油箱構成循環。來自水箱的冷卻水由水泵引出，經過快速加熱器送入油冷器的管程，與管外油換熱后經渦輪流量計流回水箱。
本次實驗主要測量3個物理量，即流量、溫度和壓差。潤滑油和水的流量由變頻油泵及水泵控制，通過LWZ-32型渦輪流量計測量，其測量精度為±2.5%。油冷器進出口油溫和水溫采用銅-康銅熱電偶采集，通過溫度傳感器由計算機測量，量程為0~200℃，精度0.1℃。油壓和水壓用0.4級精密壓力表測定，偏差小于5%。壓差測量采用3501差壓變送器，量程為0~62.2 kPa，精度為0.25%。
3.2 試驗元件
為便于比較，冷油器采用浮頭管板式結構，實驗時只需更換不同的傳熱管束和管間支撐物就可以構成不同內部結構的換熱器。本次實驗元件包括：弓型折流板光管冷油器(簡稱冷油器1)，連續螺旋折流板光管冷油器(簡稱冷油器2)，連續螺旋折流板齒形翅片管冷油器(簡稱冷油器3)。本冷油器制造后，殼程、管程均以0.8MPa壓力做水壓試驗，各種冷油器的幾何參數及布置形式見表2。
表2 3種冷油器的布置形式
實驗采用的齒形翅片管結構見圖2，材質為碳鋼，傳熱管坯管外徑Do為16mm，壁厚2.5mm，長l為2.4m，管間距Pt為16mm。齒形翅片管是一種一體化的雙側強化傳熱管，由φ16×2.5無縫鋼管在專用設備上經專門設計的模具和特殊工藝分三次成型加工而成，管子的內、外側面具有不同的幾何結構，結構參數見表3所列。
表3 實驗管的幾何結構參數
3.3實驗數據處理方法
本次實驗主要測量流量、溫度、壓差3個物理量。實驗中，將這3個物理量采集到計算機進行實時運算，判斷熱平衡。若平衡時吸熱量和放熱量相差在±10%內，認為實驗數據可靠，予以采用。威爾遜熱阻分離法要求的限定條件少，適合于管殼式冷油器的傳熱試驗數據處理。本文應用熱平衡法求出冷油器的總傳熱系數后，再運用威爾遜熱阻分離法將殼側換熱系數分離出來。
利用冷油器進出口壓降Δp計算阻力系數，阻力系數ξ可由下式確定:
 (2)
式中: Δp為進出口壓降，Pa；ρ為潤滑的密度，kg/m3；Do為傳熱管坯管外徑，m；De為殼程當量直徑，m；l為傳熱管長度，m；u0為潤滑殼程流速，m/s。
4 試驗結果及分析
4.1 流動阻力特性
油冷器殼程總壓降Δp隨著殼側油流量Ws的變化如圖6所示，相應的殼程阻力系數與油流速的關系見圖7。從圖6和圖7可見：相同殼側油流量下，連續螺旋折流板式冷油器(冷油器2和冷油器3)的殼程阻力要小于弓型折流板式冷油器(冷油器1)。相同的殼側流量下，冷油器3的殼程壓降稍大于冷油器2的殼程壓降。
圖6殼側壓降隨油流量的變化
圖7 阻力系數隨油流速的變化曲線
油流速為0.15~1.3m/s時，油冷器3的殼程阻力系數為0.11～1.52。相同流速下，比相同管間支撐物的油冷器2高5%~15%，這是由于三維齒形翅片管增大了油的流動阻力。然而，要比弓形折流板油冷器1低25%~45%，這是由于連續螺旋折流板使得油流體呈縱向流動，可有效減小流動阻力，且流動阻力減小率大于齒形翅片管引起的流動阻力增長率。
4.2 傳熱特性
將實驗結果以總傳熱系數K對殼程油側壓降Δp作圖(如圖8所示)，并以殼側換熱系數α0對殼側殼側油的流量Ws作圖(如圖9所示)，可比較出不同試件的傳熱性能。從圖8和圖9可見，相同殼側油壓降或流量下，冷油器1的殼側總傳熱系數或換熱系數小于冷油器2和冷油器3，壓降或流量越大越明顯。這是由于連續螺旋折流板冷油器不存在滯止死區，且油流體以較均勻流速沿螺旋通道包裹式的沖刷管束，有利于殼側換熱的提高。
圖8 總傳熱系數隨油側壓降的變化
圖9 換熱系數隨油流量的變化
由圖9還可見，在主流速區，冷油器3的油側換熱系數達1200~1400W/(m2·K)，稍大于相同工況下冷油器2的1050~1210W/(m2·K)。這是由于殼側油流體在作軸向流動時，齒形翅片管的三維翅片使油順利進入翅片根部，提高了根部油的置換速度，并進一步激發油產生擾動。另一方面，間斷性的三維翅片對油流體有切割作用。兩者共同作用的結果是破壞了熱邊界層，提高了換熱系數。
4 在電廠冷油器中的應用分析
某火電廠4號機組的3臺GL-60-Ⅱ型冷油器自2002年開始頻繁發生銅管泄漏，并逐年惡化，須實施改造。擬將原弓型折流板銅光管冷油器改為本文提出的連續螺旋折流鋼質齒形翅片管冷油器。采用以上實驗結果，依據該冷油器運行工況，得到改造前后的冷油器的傳熱性能計算結果如表4所列。從表4可看出，油冷器的傳熱與阻力性能均可達到設計要求,達到改造的目的。
表4 油冷器改造的主要參數對比
外，螺旋折流板齒形翅片管油冷器的總傳熱系數不僅較原冷油器高30%以上，且防垢性能也相當好，加上其優良的低流阻系數，可使冷油器功耗大大降低，為電廠帶來可觀的經濟效益。
5 結 論
管板的泄漏、換熱銅管腐蝕與振動引起的泄漏，以及冷卻效果差是傳統弓形折流板油冷器存在的主要問題。改變油冷器內部結構，采用間斷性的三維翅片管強化管程換熱，同時采用螺旋折流板作為管間支撐物以強化殼程換熱是解決這一問題的關鍵。基于這一思路，本文提出了一種新型的高效油冷器——連續螺旋折流齒形翅片管冷油器。其殼程換熱系數達1200~1400W/(m2·K)，而殼程流動阻力較弓形折流板油冷器低25%~45%。具有較好的強化傳熱、低流阻和抗結垢性能，應用于電廠冷油器的改造可產生較好的高傳熱和低能耗效果，使油冷器長期高效穩定運行。
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