李 聪， 王学生， 陈琴珠， 甘浩芳， 姚兴军

（华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237）

铝-碳钢复合管传热性能的实验研究

李 聪， 王学生， 陈琴珠， 甘浩芳， 姚兴军

（华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237）

复合管中附着的铝层以及铝层和碳钢层之间的间隙增加了整个传热过程中的热阻，使得复合管的传热效果有所下降，从而降低了表面蒸发器的使用效率。研究了铝-碳钢复合管中附着的铝层对换热管传热效果的影响程度，在并联的2个套管式换热器上分别对铝-碳钢复合管和普通碳钢管的传热性能进行对比实验。结果表明，铝-碳钢复合管的总传热系数比普通碳钢管平均低7.8%，该误差符合工业应用条件，可为在表面蒸发器中使用铝-碳钢复合管提供了可行性依据。

铝-碳钢复合管;传热性能;表面蒸发器

0 引言

表面蒸发式空冷(蒸发空冷)器是一种利用喷淋水和空气共同垂直掠过水平布置的换热管，从而将管内物料冷却至一定温度的换热设备，是一种将水冷与空冷、传热与传质过程融为一体且兼有两者之长的高效节能冷却设备，它具有结构紧凑、传热效率高、投资省、操作费用低、安装、维护方便等优点。在炼油、冶金、电力、制冷、轻工等行业中有着广阔的应用前景，是空冷技术发展的新方向［1-2］。

表面蒸发式空冷器的结构主要包括换热管、循环水泵、喷头、除雾器以及风机等，其中，换热管是该设备的核心传热部件［3］。表面蒸发式空冷器的研究始于上世纪60年代，我国在80年代初从国外引进并逐渐发展，到目前为止，表面蒸发式空冷器中所采用的换热管一般均为普通的碳钢管，普通碳钢管价格低廉，但由于其耐腐蚀性能差，随着设备的运行将会出现十分严重的腐蚀、结垢等问题，这也就导致了换热管的更换频率较高，无疑增加了企业的设备投资［4-5］。因此，开发新型换热管替代原来的普通碳钢管也就成为历史赋予当今化工装备企业的责任。

本文利用自主搭建的并联套管式换热器实验平台，研究铝-碳钢复合管中附着的铝层对换热管传热效果的影响程度，即在工况一致的情况下，比较铝-碳钢复合管和普通碳钢管总传热系数和管壁热阻的差异，以判断用铝-碳钢复合管代替普通碳钢管应用在新型膜式蒸发器中是否可行，为后续新型膜式蒸发器的开发工作奠定了良好的基础。

1 实验原理与内容

1.1 实验原理

式中:K为总传热系数，W/(m2·℃);A为传热面积，m2;c为水的比热容，取4.2 kJ/(kg·℃);m为换热管中热水流量，kg/s;T1为壳程冷水进口温度，℃;T2为壳程冷水出口温度，℃;t1为管程热水进口温度，℃;t2为管程热水出口温度，℃。

由于碳钢管和复合管外均包裹有保温棉，热水箱外也有相应的保温措施，故整个流程可以近似看作恒温热源。由此可知，在热水箱水温一定的情况下，复合管和碳钢管的换热量近似相等，即:Q1=Q2。热流量Q正比于推动力Δt，反比于热阻R，即:

式中:A为对数平均面积，m2;δ为管壁的厚度，m;λ为管壁的导热系数，W/(m·℃);Δt为管壁两侧的温度差，℃;R为管壁的热阻，℃/W。由此可知:

式中:下角标1代表碳钢管;下角标2代表复合管。

图1 实验方案流程

1.2 实验内容

实验采用一种新型的铝-碳钢复合管，该管型在原有碳钢管基础上包覆一层0.6～0.8 mm的铝层。铝层的增加有利有弊，有利之处在于铝层自身表面形成的致密的氧化膜抗腐蚀性能好，将会大大延长换热管的使用寿命;弊端在于铝层是在原有碳钢管基础上进行包覆，增加了换热管管壁的厚度，管壁厚度的增加会相应增加管壁的热阻;包覆质量的好坏也直接关系到管壁热阻增加的多与少，因为铝层和碳钢层之间可能产生的间隙也会大大增加整合管壁的热阻［6］。

该实验另外的研究目的是比较同一工艺条件下制造产生的铝-碳钢复合管的前段、中段以及后段的热阻以及传热性能的变化。为此将同一工艺条件下制造产生的铝-碳钢复合管的前段、中段以及后段分别标记为1号、2号以及3号换热管，通过对比实验来区分3根换热管的可能存在的传热性能差异。

实验分2部分进行:① 采用套管式换热器，将3根复合管串联，在保证装置管程入口热水温度、壳程冷水入口温度以及管、壳程流量相同的情况下，通过测试实验数据对两种换热管的总传热系数进行比较。②分别将复合管或碳钢管与热水箱串联，在保证装置管程入口热水温度以及流量相同的情况下，通过测试实验数据对两种换热管的导热系数进行比较。

由图1(a)可见，来自恒温热水箱的水经调节阀、电磁流量计、转子流量计，从换热器底部进入内管，与环隙的冷水换热后，自换热器顶部出口流入热水箱。在热水的进出口分别测定水的温度。来自冷水箱的冷水经调节阀、电磁流量计、转子流量计从换热器上部进入环隙与内管的热水进行换热，然后排至下水道。在进口和出口处测冷水温度。压降可通过4个U型压差计测得。如图1(b)所示，热水箱的水通过加热器加热到制定温度，水箱中温度由温控模块进行控制，保证热水入口温度恒定，通过贴在管外壁的热电偶可以得到管外壁的温度。换热管的外壁由保温层包裹，热量基本不向外散失。

在第一部分实验中，管程和壳程的流量均保持在1.0 kg/s，管程的进口温度从55℃逐渐升高到80℃，壳程温度保证27.5℃;在第二部分实验中，管程和壳程的流量均保持在1.0 kg/s，管程的进口温度从55℃逐渐升高到85℃。

2 实验结果与分析

图2是在其他条件保持一致的情况下，随着管程热水进口温度的升高，复合管和碳钢管的热水出口温度都随之上升，两者之间的关系基本上呈线性关系。其中，复合管的热水出口温度略高于碳钢管。这是复合管外层包覆了一层铝层，导致复合管的热阻相应增大，传热效果随之略微下降的缘故［7-9］。另外，复合管中碳钢层和铝层之间可能存在的缝隙而产生的接触热阻也可能会使复合管的热阻增大从而影响复合管的传热效果。最后，由对数平均温度计算公式可知，复合管的对数平均温度也略高于碳钢管的对数平均温度。

图2 热水进口温度与热水出口温度的关系

由图3可知，在55～80℃，随着热水进口温度的升高，复合管和碳钢管的总传热系数总体上保持上升趋势。其中，碳钢管和复合管的总传热系数之差基本上保持平稳，复合管的总传热系数略低于碳钢管。通过计算可以发现，复合管和碳钢管的总传热系数之差在6.5% ～9.3%之间波动，波动区间为2.8%，总体趋势保持平稳。复合管的总传热系数略低于碳钢管，这是由于复合管外层包覆了一层铝层，热阻相应增大，从而导致传热效果略微下降的缘故。经统计计算得出，复合管的总传热系数比碳钢管的总传热系数低7.8%。

图3 热水进口温度与总传热系数的关系图

图4 热水进口与管壁平均温差对比图

由图5可知，随着热水进口温度的上升，(复合管热水进口与管壁温差壁厚)/(碳钢管热水进口与管壁温差壁厚)基本呈逐渐下降的趋势，这说明碳钢管与复合管导热系数的比值呈逐渐下降的趋势。这是由于铝的热膨胀系数大于碳钢的热膨胀系数，热水进口温度的升高而导致的管壁温度随之升高时，复合管的铝层和碳钢层之间的缝隙逐渐增大，热阻也随之增大，温差也随之增大，所以碳钢与铝碳钢之间的温差逐渐增大，进而导致碳钢管与复合管导热系数的比值呈逐渐上升的趋势［12-13］。同时发现，1～3号复合管的图像形式基本一致，趋势也很相似。这说明3根复合管的传热性能基本相似，都略低于碳钢管。因此我们认为，在同一工艺条件下制造产生的铝-碳钢复合管的前段、中段以及后段的传热性能是基本一致的。

图5 导热系数比值的对比

3 结语

实验结果显示:在55～80℃范围内，铝-碳钢复合管的总传热系数比碳钢管低7.3% ～9.3%，平均值为7.8%，对于工业应用来说，是可以接受的。在55～85℃范围内，碳钢管与复合管的导热系数的比值为1.126，即碳钢管的导热系数比复合管高12.6%;特别在高温部分，即75℃以上时，碳钢管的导热系数与复合管的导热系数的比值为1.201，碳钢管的导热系数比复合管高20.1%，即复合管的热阻比碳钢管高20.1%，这也是符合预期设想的。

综合考虑到两种材质的换热管在实际生产中的应用，碳钢管随着使用时间的增加将会出现较为严重的腐蚀结垢问题，这将会导致换热管传热性能的急剧恶化［14］;而对于复合管来讲，由于铝层表面形成的致密氧化膜，复合管具有优良的抗腐蚀性能，随着使用时间的增加，腐蚀结垢问题与碳钢管比较，效果良好［15］。因此，综合考虑传热效率和成本两大因素，将铝-碳钢复合管应用在表面蒸发器中是可行的，可以产生更高的经济效益。

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The Experimental Study of Heat Transfer Performance of Aluminum-carbon Steel Composite Pipe

LI Cong，WANG Xue-sheng，CHEN Qin-zhu，GAN Hao-fang，YAO Xing-jun
(School of Mechanical and Power Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China)

Applying the aluminum-carbon steel composite pipe in the surface evaporator can effectively increase its life span without increasing cost，but the aluminum layer of the composite pipe and the gap between aluminum layer and carbon steel layer increase the thermal resistance so to decrease the heat transfer effect of the composite pipe.Thus the efficiency in the use of the surface evaporator is reduced.This paper focuses on the degree of the influence of heat transfer performance for the aluminum layer in the aluminum-carbon steel composite pipe.Based on the study of the heat transfer performance of aluminum-carbon steel composite pipe，it is found that the total heat transfer coefficient of carbon steel composite pipe is 7.8%lower to the average，thus the use of aluminum-carbon steel composite pipe in the surface evaporator is feasible.

aluminum-carbon steel composite pipe;heat transfer performance;surface evaporator

TQ 021.3

A

1006－7167(2014)05－0045－04

2013－06－05

李 聪(1988－)，男，湖北荆门人，硕士生，主要研究方向过程装备技术研究及传热性能分析。

陈琴珠(1963－)，女，上海人，副教授，硕士生导师，主要研究方向为先进过程装备材料及过程装备节能减排技术。

Tel.:021-64253157;E-mail:qzchen@ecust.edu.cn