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????? 管殼式冷油器傳熱強化的研究與應用分析

????? 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(fā)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(tǒng)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(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(xù)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(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，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(shù)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(xù)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(shù)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(xiàn)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(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?；谶@一強化傳熱思路，在分析傳統(tǒng)管
殼式冷油器存在的問題，及如何解決的基礎上，本文設計了一種將連續(xù)螺旋折流
板與齒形翅片管搭配使用，兩種傳熱強化措施結合起來的連續(xù)螺旋折流齒形翅片
管冷油器。以油- 水為工質，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(yè)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(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(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
冷油器承受的熱負荷和機械負荷經常處于交變狀態(tài)，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(fā)生電化學腐蝕，使管板等表面出現(xiàn)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(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(fā)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(fā)展，最深處可穿透至外壁。當腐蝕區(qū)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(qū)域產生貫通性裂紋，
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(xiàn)周期性變化，導致?lián)Q熱管產生振動。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，同樣會導致?lián)Q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(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(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，在轉折區(qū)及進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(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
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(shù)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(shù)，δ
為管子壁厚。冷油器的管壁很薄，導熱系數(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、外側流體換熱系數(shù)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(shù)h0約在96.5~159.6kW/
（m3.K），而管內水側換熱系數(shù)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(shù)h0
以減少殼程油側熱阻，是開發(fā)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(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(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(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致的能
耗，這對降低熱阻、提高換熱系數(shù)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(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構，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(tǒng)弓形折流板換熱器相比，具有以下幾
方面的優(yōu)點[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(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(xù)螺旋折流板（見圖4 ）。
以便能夠使冷油器殼側油的流動實現(xiàn)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(xù)螺旋折流板結構圖3 實驗系統(tǒng)為使所設計的連續(xù)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(tǒng)
上進行動態(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(huán)。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(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(shù)見表3 所
列。

????? 表3 實驗管的幾何結構參數(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(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。本文應用熱平
衡法求出冷油器的總傳熱系數(shù)后，再運用威爾遜熱阻分離法將殼側換熱系數(shù)分離
出來。

????? 利用冷油器進出口壓降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(shù)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(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(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 傳熱特性將實驗結果以總傳熱系數(shù)K 對殼程油側壓降Δp 作圖（如圖
8 所示），并以殼側換熱系數(shù)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(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，有利于殼側換熱的提高。

????? 圖8 總傳熱系數(shù)隨油側壓降的變化

????? 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
側換熱系數(shù)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(fā)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(shù)。

????? 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(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)螺旋折流鋼質齒形翅片管冷油器。采用以上實
驗結果，依據(jù)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(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(tǒng)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?；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(wěn)定運行。

????? 參數(shù)文獻[1] 張正國，林培森，王世平等。水冷殼管式油冷卻器傳熱強化
實驗[J].熱能動力工程， 2000 ， 15 （5 ）：564 ， 566 [2]張偉。電站冷油
器的運行分析與強化傳熱研究[J].山東電力技術， 2003 ，（5 ）：7~9 [3] Bergles
A E. Some perspectives on enhanced heat transfer second Generation heat
transfer technology[J]. ASME Journal of Heat Transfer ，1988，110 ：1082~1096
[4] 夏再忠。導熱和對流換熱過程的強化與優(yōu)化[D].清華大學工學博士學位論文，
2001， pp.15~16 [5] Lutcha J， Nemcansky J. Performance improvement of
tubular heat exchangers by helical baffles[J]. Trans IchemE ， Part A ，
1990， 68 （5 ）：263~270 [6] 王晨，桑芝富。單螺旋和雙螺旋折流板換熱器
性能的研究[J].高?；瘜W工程學報， 2007 ， 21 （6 ）：929~935 [7] M.R. Jafari
Nasr， A. Shafeghat. Fluid flow analysis and extension of rapid design
algorithm for helical baffle heat exchangers[J]. Appl. Therm. Eng.（2007），
doi ：10.1016 /j.applthermaleng. 2007.10.021 [8]王良，羅來勤，王秋旺等。
螺旋折流板換熱器中阻流板對換熱及沿程壓降的影響[J].工程熱物理學報， 2001，
22：173-176