管壳式冷油器传热强化的研究与应用分析.doc

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1、管壳式冷油器传热强化的研究与应用分析摘　要：壳管式油冷器广泛应用于电厂的各主要设备中,新型高效油冷器的开发和研究是目前人们所关注的一个热点问题。文章分析了传统管壳式冷油器存在的问题,指出同时强化管程和壳程的换热是开发新型高效油冷器的主要方法,并给出了几种适用于冷油器的强化传热管型,以及应采用的壳程管间支撑形式。基于此，设计了一种将连续螺旋折流板与齿形翅片管搭配使用，两种传热强化措施结合起来的连续螺旋折流齿形翅片管冷油器。利用传热特性测试装置,以油-水为工质,对其进行试验研究,得到了油冷器的传热与阻力性能曲线。实验结果表明:该种油冷器的壳程油侧换热系数可达1200~1400W/(m2·K

2、),而压降比同等条件下的弓形折流板光滑管油冷器降低25%~45%，这为电厂冷油器的改造提供了一种新的选择。关键词:连续螺旋折流板;弓形折流板;齿形翅片管;强化传热;冷油器　　水冷壳管式冷油器是电厂中应用量大且面广的一种附机设备，如汽轮机的主冷油器、给水泵和风机冷油器、磨煤机冷油器等，其传热效率的高低和抗腐蚀泄漏性成为影响电厂中相关设备正常运行的关键。目前，电厂所用的壳管式冷油器大都仍采用铜光滑管作为传热管型，弓形隔板作为管间支撑形式。该类冷油器存在二方面不足：一是腐蚀和泄漏问题突出；二是当壳程油侧压降在0.1MPa左右时，总传热系数一般不超过700W/(m2·K)[1]。因而其传热效率

3、很低，导致冷油器无法将油温冷却到给定值，使得相关的设备出现故障1。　　强化冷油器换热效率的主要方法有两种：一种是将冷油器的基本换热元件——传热管，由光滑管改为强化传热管，以减薄流体在管壁处的层流边界层，降低热阻；另一种是采用低流阻壳程管间支撑物，通过消除流体流动和传热过程中的死区，变壳程流体横向冲刷流为纵向螺旋流，提高壳程流体的流速。基于这一强化传热思路，在分析传统管壳式冷油器存在的问题，及如何解决的基础上，本文设计了一种将连续螺旋折流板与齿形翅片管搭配使用，两种传热强化措施结合起来的连续螺旋折流齿形翅片管冷油器。以油-水为工质，利用传热与流阻特性试验装置，对其进行试验研究，得到了油冷

4、器的传热与阻力性能曲线。可为这种换热器的工业应用及与其他强化传热管的结合使用提供参考。1冷油器存在的主要问题1.1管板的泄漏　　现有的壳管式冷油器换热管为铜管，而管板和壳体、水室等均为碳钢材料。换热管采用胀接工艺与管板相连接，胀接过程中会在管板上尤其是在连接部位生成较大的残余应力。这部分应力在一定工况下将释放出来，导致胀口开裂。另一方面，由于管板和换热管材质不同，膨胀系数相差较大，在冷油器工作时由于温度变化、振动和频繁的起停影响，使冷油器承受的热负荷和机械负荷经常处于交变状态，造成金属的疲劳，易产生胀口松动，导致冷却油泄露。　　以铜管为换热管，碳钢材料为管板、壳体和水室的冷油器也具备构

5、成原电池的条件，易发生电化学腐蚀，使管板等表面出现腐蚀凹坑[2]。长期地电化学腐蚀，加上应力腐蚀的共同作用，最先在胀口处开始出现泄漏。71.2换热管腐蚀与振动引起的泄漏　　腐蚀与振动是引起冷油器内的铜质换热管泄漏的2个关键因素。冷却水的侵蚀性、流速较高且紊乱，加上冷油器本身苛刻的运行工况，使冷油器的腐蚀问题异常突出。诱发冷油器内铜管泄漏的腐蚀主要是局部腐蚀，它包括的脱锌腐蚀(层状脱锌和塞状脱锌)、微生物腐蚀、应力腐蚀和冲击腐蚀。腐蚀由管内壁向外发展，最深处可穿透至外壁。当腐蚀区域丧失应有的机械强度时，便会在很小的应力作用下，在腐蚀区域产生贯通性裂纹，发生腐蚀失效，造成冷油器铜管泄漏。　

6、　传统的冷油器采用弓形隔板作为管间支撑形式，这种结构会使壳侧油产生横向冲刷流。当冷却油横向掠过换热管时会形成旋涡，然后再与管子分离。旋涡的产生和分离呈现周期性变化，导致换热管产生振动。另外，弓形隔板冷油器的壳程油流体也会发生弹性激振、紊流抖振等，同样会导致换热管束振动。当达到共振点时，振幅较大，导致相邻管子、管了与弓形隔板之间发生相互碰撞或管子撞击壳体。振动碰撞过程中，管壁发生菱形磨损，逐渐变薄直至泄漏。另外，振动还会在管了内部产生疲劳损伤和弯曲塑性变形，加上冷却水的腐蚀和侵蚀作用，使疲劳损伤加剧，造成管壁产生裂纹，管子破裂，严重时甚至折断而引发泄漏事故。1.3冷却效果差　　传统的管壳

7、式冷油器采用弓形折流板支撑管束，油流体在壳程呈“Z”字形流动，在转折区及进出口两端涡流的滞留区均会形成流动和传热的死区(见图1)，减少了有效传热面积，并在死区内形成传热垢层，大大降低了传热效率。另外，弓形折流板也使油流体垂直冲击壳体壁面，造成较大的沿程压降。因此，这种结构的冷油器总传热系数K值一直停滞在较低状态。图1弓形折流板冷油器壳程流场示意图　　冷油器管束由光滑管组成时，无强化换热效果。在管内冷却水侧，由于水中泥沙等机械杂质较多，随着冷油器