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????? 管殼式冷油器傳熱強(qiáng)化的研究與應(yīng)用分析

????? 摘　要：殼管式油冷器廣泛應(yīng)用于電廠的各主要設(shè)備中，新型高效油冷器
的開發(fā)和研究是目前人們所關(guān)注的一個熱點(diǎn)問題。文章分析了傳統(tǒng)管殼式冷油器
存在的問題，指出同時強(qiáng)化管程和殼程的換熱是開發(fā)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(qiáng)化傳熱管型，以及應(yīng)采用的殼程管間支撐形式。
基于此，設(shè)計了一種將連續(xù)螺旋折流板與齒形翅片管搭配使用，兩種傳熱強(qiáng)化措
施結(jié)合起來的連續(xù)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(zhì)，對其進(jìn)行試驗研究，得到了油冷器的傳熱與阻力性能曲線。實驗結(jié)果
表明：該種油冷器的殼程油側(cè)換熱系數(shù)可達(dá)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(guān)鍵詞：連續(xù)螺旋折流板；弓形折流板；齒形翅片管；強(qiáng)化傳熱；冷油器

????? 水冷殼管式冷油器是電廠中應(yīng)用量大且面廣的一種附機(jī)設(shè)備，如汽輪機(jī)的
主冷油器、給水泵和風(fēng)機(jī)冷油器、磨煤機(jī)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(guān)設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)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(dāng)殼程油側(cè)壓降在0.1MPa左右
時，總傳熱系數(shù)一般不超過700W/ （m2.K）[1].因而其傳熱效率很低，導(dǎo)致冷油
器無法將油溫冷卻到給定值，使得相關(guān)的設(shè)備出現(xiàn)故障1.強(qiáng)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(qiáng)
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(qū)，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(qiáng)化傳熱思路，在分析傳統(tǒng)管
殼式冷油器存在的問題，及如何解決的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一種將連續(xù)螺旋折流
板與齒形翅片管搭配使用，兩種傳熱強(qiáng)化措施結(jié)合起來的連續(xù)螺旋折流齒形翅片
管冷油器。以油- 水為工質(zhì)，利用傳熱與流阻特性試驗裝置，對其進(jìn)行試驗研究，
得到了油冷器的傳熱與阻力性能曲線?？蔀檫@種換熱器的工業(yè)應(yīng)用及與其他強(qiáng)化
傳熱管的結(jié)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(xiàn)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(yīng)力。這部分應(yīng)力在一
定工況下將釋放出來，導(dǎo)致脹口開裂。另一方面，由于管板和換熱管材質(zhì)不同，
膨脹系數(shù)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(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷經(jīng)常處于交變狀態(tài)，造成金屬的疲勞，易產(chǎn)生脹
口松動，導(dǎo)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(gòu)成原電
池的條件，易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，使管板等表面出現(xiàn)腐蝕凹坑[2].長期地電化學(xué)腐
蝕，加上應(yīng)力腐蝕的共同作用，最先在脹口處開始出現(xiàn)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(nèi)的銅質(zhì)換熱
管泄漏的2 個關(guān)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(yùn)行工況，使冷油器的腐蝕問題異常突出。誘發(fā)冷油器內(nèi)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(yīng)力
腐蝕和沖擊腐蝕。腐蝕由管內(nèi)壁向外發(fā)展，最深處可穿透至外壁。當(dāng)腐蝕區(qū)域喪
失應(yīng)有的機(jī)械強(qiáng)度時，便會在很小的應(yīng)力作用下，在腐蝕區(qū)域產(chǎn)生貫通性裂紋，
發(fā)生腐蝕失效，造成冷油器銅管泄漏。

????? 傳統(tǒng)的冷油器采用弓形隔板作為管間支撐形式，這種結(jié)構(gòu)會使殼側(cè)油產(chǎn)生
橫向沖刷流。當(dāng)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(chǎn)生和分離呈現(xiàn)周期性變化，導(dǎo)致?lián)Q熱管產(chǎn)生振動。另外，弓形隔板冷油器的
殼程油流體也會發(fā)生彈性激振、紊流抖振等，同樣會導(dǎo)致?lián)Q熱管束振動。當(dāng)達(dá)到
共振點(diǎn)時，振幅較大，導(dǎo)致相鄰管子、管了與弓形隔板之間發(fā)生相互碰撞或管子
撞擊殼體。振動碰撞過程中，管壁發(fā)生菱形磨損，逐漸變薄直至泄漏。另外，振
動還會在管了內(nèi)部產(chǎn)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(chǎn)生裂紋，管子破裂，嚴(yán)重時甚至折斷而引發(fā)泄漏事
故。

????? 1.3 冷卻效果差傳統(tǒng)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(zhuǎn)折區(qū)及進(jìn)出口兩端渦流的滯留區(qū)均會形成流動和傳
熱的死區(qū)（見圖1 ），減少了有效傳熱面積，并在死區(qū)內(nèi)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(jié)構(gòu)的冷油器總傳熱系數(shù)K 值一直停滯在較低狀態(tài)。

????? 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(qiáng)
化換熱效果。在管內(nèi)冷卻水側(cè)，由于水中泥沙等機(jī)械雜質(zhì)較多，隨著冷油器運(yùn)行
時間增長，會逐漸沉積在換熱管內(nèi)壁上，嚴(yán)重時堵塞部分冷卻水管。這些沉積在
換熱管內(nèi)壁表面上的污垢一方面會增加冷卻水管的導(dǎo)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(qiáng)化傳熱的二大途徑2.1 強(qiáng)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(shù)K 可表示成：（1 ）

????? 式中：A0/Ai 為換熱管外表面積與內(nèi)表面積之比，λ為管子導(dǎo)熱系數(shù)，δ
為管子壁厚。冷油器的管壁很薄，導(dǎo)熱系數(shù)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(nèi)、外側(cè)流體換熱系數(shù)hi和h0. 但當(dāng)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(cè)換熱系數(shù)h0約在96.5~159.6kW/
（m3.K），而管內(nèi)水側(cè)換熱系數(shù)hi可達(dá)1500kW/ （m3.K）以上。顯然冷油器熱阻
主要在油側(cè)，占總熱阻的70%~80%.因此，采用強(qiáng)化傳熱管來有提管外換熱系數(shù)h0
以減少殼程油側(cè)熱阻，是開發(fā)高效能冷油器的技術(shù)關(guān)鍵之一。

????? 按照Bergles 的分類[3] ，對流換熱的強(qiáng)化技術(shù)可分為無源強(qiáng)化技術(shù)（Passive
Technology）、有源強(qiáng)化技術(shù)（Active Technology ）和復(fù)合強(qiáng)化Compound Enhancement）。
被動強(qiáng)化技術(shù)除傳熱介質(zhì)的輸送外無需外加動力，而主動強(qiáng)化技術(shù)則需要外加能
量以強(qiáng)化換熱過程。冷油器管束的強(qiáng)化適合采用無源強(qiáng)化技術(shù)，它包括有[4] 處
理表面、粗糙表面、擴(kuò)展表面等7 種，具體方法見表1.表1 對流換熱強(qiáng)化技術(shù)的
分類與實現(xiàn)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(qiáng)化傳熱應(yīng)
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(zhì)，如花瓣管必須
采用銅材制造，不僅設(shè)備成本高，應(yīng)用也受到限制。為此，筆者開發(fā)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(zhì)管制造。

????? 圖2 鋼質(zhì)齒形翅片管外觀齒形翅片管具有間斷性的三維翅片結(jié)構(gòu)，當(dāng)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(qiáng)烈地降低滯流層的厚度和熱阻。同時，
沿軸向螺旋狀連續(xù)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(qū)及渦列形成，降低了形體阻力及其導(dǎo)致的能
耗，這對降低熱阻、提高換熱系數(shù)非常有利。

????? 2.2 強(qiáng)化殼程換熱通常，三維翅片管在增大傳熱系數(shù)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(jié)構(gòu)，以減小流動阻力。近年來，人們
研究開發(fā)出了各種不同形式的管間支撐物，以強(qiáng)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(huán)式（空心環(huán)）、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(yōu)良的支承結(jié)構(gòu)，它使殼程流體作
螺旋運(yùn)動以強(qiáng)化換熱器殼程的傳熱。和傳統(tǒng)弓形折流板換熱器相比，具有以下幾
方面的優(yōu)點(diǎn)[6] ：（1 ）殼程流體呈螺旋狀柱塞流動，不存在流動死區(qū)，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(shù)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(jié)構(gòu)。

????? 圖3 螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)示意圖螺旋折流板換熱器分為連續(xù)型（continuous
baffle）和搭接型（sector baffle ）兩種，其中搭接型又分為連續(xù)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(zhì)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(zhì)形成短路漏流，減少理想通道的
流量；也使得殼側(cè)流動偏離真正的螺旋流動[8] ，削弱了換熱效率。同時安裝、
運(yùn)輸及使用場合都受到較大限制，為此文中采用了鋼質(zhì)連續(xù)螺旋折流板（見圖4 ）。
以便能夠使冷油器殼側(cè)油的流動實現(xiàn)真正的螺旋流動，減低殼側(cè)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(xù)螺旋折流板結(jié)構(gòu)圖3 實驗系統(tǒng)為使所設(shè)計的連續(xù)螺旋折流板齒形
翅片管冷油器應(yīng)用于電廠，本文通過實驗研究方法對其在水油為換熱工質(zhì)的系統(tǒng)
上進(jìn)行動態(tài)特性試驗。

????? 3.1 實驗裝置與流程油冷器性能實驗系統(tǒng)如圖5 所示，主要包括油路循環(huán)
系統(tǒng)、水路循環(huán)系統(tǒng)以及流量、溫度、壓差測量系統(tǒng)，可實現(xiàn)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(bǔ)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(zhì)，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(yù)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(gòu)成循環(huán)。來自水箱的冷卻水由水泵引出，經(jīng)過快速加熱器送入油冷
器的管程，與管外油換熱后經(jīng)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(jìn)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(jī)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(jié)構(gòu)，實驗時只需更換不同的傳熱
管束和管間支撐物就可以構(gòu)成不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(xù)螺旋折流板光管冷油器（簡稱冷油器
2 ），連續(xù)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(shù)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(jié)構(gòu)見圖2 ，材質(zhì)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(cè)強(qiáng)
化傳熱管，由φ16×2.5 無縫鋼管在專用設(shè)備上經(jīng)專門設(shè)計的模具和特殊工藝分
三次成型加工而成，管子的內(nèi)、外側(cè)面具有不同的幾何結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3 所
列。

????? 表3 實驗管的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)

????? 3.3 　實驗數(shù)據(jù)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(jī)進(jìn)行實時運(yùn)算，判斷熱平衡。若平衡時吸
熱量和放熱量相差在±10% 內(nèi)，認(rèn)為實驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理。本文應(yīng)用熱平
衡法求出冷油器的總傳熱系數(shù)后，再運(yùn)用威爾遜熱阻分離法將殼側(cè)換熱系數(shù)分離
出來。

????? 利用冷油器進(jìn)出口壓降Δp 計算阻力系數(shù)，阻力系數(shù)ξ可由下式確定：
（2 ）

????? 式中：Δp 為進(jìn)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(dāng)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(jié)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(cè)油流量
Ws的變化如圖6 所示，相應(yīng)的殼程阻力系數(shù)與油流速的關(guān)系見圖7.從圖6 和圖7
可見：相同殼側(cè)油流量下，連續(xù)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(cè)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(cè)壓降隨油流量的變化

????? 圖7 阻力系數(shù)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(shù)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(xù)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(jié)果以總傳熱系數(shù)K 對殼程油側(cè)壓降Δp 作圖（如圖
8 所示），并以殼側(cè)換熱系數(shù)α0 對殼側(cè)殼側(cè)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(cè)油壓降或流量下，
冷油器1 的殼側(cè)總傳熱系數(shù)或換熱系數(shù)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(xù)螺旋折流板冷油器不存在滯止死區(qū)，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(cè)換熱的提高。

????? 圖8 總傳熱系數(shù)隨油側(cè)壓降的變化

????? 圖9 換熱系數(shù)隨油流量的變化由圖9 還可見，在主流速區(qū)，冷油器3 的油
側(cè)換熱系數(shù)達(dá)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(cè)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(jìn)入翅片根部，提高了根部油的置換速度，并進(jìn)一步激發(fā)油產(chǎn)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(jié)果是破壞了熱邊
界層，提高了換熱系數(shù)。

????? 4 在電廠冷油器中的應(yīng)用分析某火電廠4 號機(jī)組的3 臺GL-60-Ⅱ型冷油器
自2002年開始頻繁發(fā)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(xù)螺旋折流鋼質(zhì)齒形翅片管冷油器。采用以上實
驗結(jié)果，依據(jù)該冷油器運(yùn)行工況，得到改造前后的冷油器的傳熱性能計算結(jié)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(dá)到設(shè)計要求，達(dá)到改
造的目的。

????? 表4 油冷器改造的主要參數(shù)對比

????? 外，螺旋折流板齒形翅片管油冷器的總傳熱系數(shù)不僅較原冷油器高30% 以
上，且防垢性能也相當(dāng)好，加上其優(yōu)良的低流阻系數(shù)，可使冷油器功耗大大降低，
為電廠帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

????? 5 結(jié)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(tǒng)弓形折流板油冷器存在的主要問題。改變油冷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用間斷性的三
維翅片管強(qiáng)化管程換熱，同時采用螺旋折流板作為管間支撐物以強(qiáng)化殼程換熱是
解決這一問題的關(guān)鍵?；谶@一思路，本文提出了一種新型的高效油冷器——連
續(xù)螺旋折流齒形翅片管冷油器。其殼程換熱系數(shù)達(dá)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(qiáng)化傳熱、低流阻和抗結(jié)
垢性能，應(yīng)用于電廠冷油器的改造可產(chǎn)生較好的高傳熱和低能耗效果，使油冷器
長期高效穩(wěn)定運(yùn)行。

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