引 言

艦船冷凝器是保證艦船核動力裝置及蒸汽動力裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)所不可缺少的重要組成部件，而且在金屬消耗、動力消耗和投資方面在整個工程中占有重要份額。因此，提高冷凝管的 換熱性能，獲得更加緊湊、可靠及高的冷凝設(shè)備，這將對整個動力裝置總體性能的改善起著舉足輕重的作用。與此同時，將此項技術(shù)推廣應(yīng)用于石油、化工、動力、冶金、交通、制冷和空調(diào)等國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中．必將帶來可觀的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

對于用海水作冷卻介質(zhì)的艦船冷凝器而言，其冷凝管材一般選用海軍黃銅或銅鎳合金。但是，海水特別是被城市廢水污染的海水，往往含有硫化氫，致使冷凝管受到劇烈腐蝕，不斷發(fā)生種種泄漏事故，運(yùn)行的可靠性和維修性較差，不能完全滿足艦船條件和使用要求。

隨著稀有金屬工業(yè)的發(fā)展，人們注意到有“崛起的第三金屬”之稱的新型工程金屬材料鈦與目前廣泛應(yīng)用的銅鎳合金冷凝管材相比具有重量輕、強(qiáng)度大、比強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度，密度)高、耐海水腐蝕能力強(qiáng)、表面光潔、不易結(jié)垢等許多優(yōu)良特性。

1、采用鈦冷凝管的優(yōu)越性

1.1 鈦材的物理性能和力學(xué)性能

與銅鎳合金相比，金屬鈦具有重量輕、強(qiáng)度大、比強(qiáng)度高等許多優(yōu)良特性。鈦冷凝管與B30冷凝管相比，比重降低近1/2。因此，采用鈦材可使冷凝器的重量大幅度減小。

1.2 鈦材的耐腐蝕性能

鈦冷凝管與其他材料的冷凝管相比具有較好的綜合的耐腐蝕性能。文獻(xiàn)中所給出的各種管材的耐腐蝕性能級別分類表很直觀地表明鈦是一種最耐腐蝕的冷卻管材。由于鈦在所 有濃度的硫化物中都不受腐蝕，所以鈦不僅在潔凈的海水中完全耐腐蝕，而且在含硫化物的污染海水中也具有良好的耐蝕性。同時鈦在水速高達(dá)加s和含砂量高達(dá)40g/l的條件下， 均具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。因此，采用鈦冷凝管是解決艦船冷凝器冷凝管腐蝕問題的一條重要途徑。

2、鈦冷凝管應(yīng)用中的問題

鈦冷凝管與其他材料冷凝管相比，在某些方面也存在一些缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)導(dǎo)致鈦冷凝管的推廣應(yīng)用出現(xiàn)了一些問題。這些問題通過20多年來包括我國在內(nèi)的世界各國的大量試 驗研究和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗的總結(jié)，已基本得到解決。

2.1 鈦冷凝瞥的傳熱性能

鈦冷凝管的導(dǎo)熱系數(shù)約為B30的58.4％ ，其導(dǎo)熱性能較差，但是冷凝器的傳熱性能并不主要取決于冷凝管材的導(dǎo)熱系數(shù)，它還與冷凝管的管壁厚度、蒸汽側(cè)和冷卻水側(cè)的對流換熱 系數(shù)以及運(yùn)行期間冷卻管壁面的結(jié)垢狀況等一系列因素有關(guān)。

為了進(jìn)行比較，在管內(nèi)為水工質(zhì)、管外為蒸汽的情況下，我們對 16.0 x 0.75TA2純鈦管和 16.0x 1.4B3o銅鎳合金管進(jìn)行了對比實(shí)驗研究。在殼側(cè)壓力保持不變的前提條件下， 研究了總傳熱系數(shù)K，管內(nèi)對流換熱系數(shù)h ，管外凝結(jié)換熱系數(shù)h。隨水流量的變化關(guān)系。每次試驗不少于10個試驗點(diǎn)，并進(jìn)行了大量的重復(fù)試驗，獲得了一系列基礎(chǔ)性實(shí)驗數(shù)據(jù)。

這種管子在略高于大氣壓條件下的對比實(shí)驗結(jié)果如圖1，2和3所示。

圖1給出了內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系曲線。曲線形狀與冷卻水側(cè)的雷諾數(shù)冠有關(guān)。

當(dāng)雷諾數(shù) 增加時，內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù)也增加。這是由于雷諾數(shù) 增大時，冷卻水量增加，冷卻水流速隨之增大，加大了管內(nèi)流體的湍流度，減薄了層流底層的厚度，二者都將降低對流熱阻，故不論是B30銅鎳臺金管或是TA2純鈦管，內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù)均有較大提高。

圖2給出了管外凝結(jié)換熱系數(shù)和管內(nèi)冷卻水雷諾數(shù)的變化關(guān)系。隨著冷卻水側(cè)雷諾數(shù)的增加，總換熱量不斷增加，蒸汽凝結(jié)熱負(fù)荷隨之逐漸增大，蒸汽的凝結(jié)量逐漸增大，管子外表面凝結(jié)液膜逐漸變厚，管外凝結(jié)換熱系數(shù)逐漸下降。

圖3給出了總傳熱系數(shù)和管內(nèi)冷卻水雷諾數(shù)的變化關(guān)系。隨著冷卻水側(cè)雷諾數(shù)的增加，雖然管外凝結(jié)換熱系數(shù)逐漸下降，但下降幅度并不大。而內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù)增加的幅度較大。在 蒸汽冷凝過程中，冷卻水側(cè)的對流換熱熱阻是冷凝管的主要控制熱阻，所以內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù)增大的影響是主要的，因而總傳熱系數(shù)隨著冷卻水側(cè)雷諾數(shù)的增加而增加，并逐漸達(dá)到最大值。

但不同管材總傳熱系數(shù)的提高幅度有所不同。

觀察圖3可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在雷諾數(shù)Re相同的情況下，B30銅鎳管的總傳熱系數(shù) 比純鈦管的要高。這主要是由于B30銅鎳合金的導(dǎo)熱能力優(yōu)于純鈦材的結(jié)果。不過也可以看到，    盡管鈦材的導(dǎo)熱系數(shù)僅為B30銅鎳合金管材的58.4％，考慮到鈦材具有良好的機(jī)械性能和耐腐蝕性能，通過采用薄壁鈦管可以彌補(bǔ)以上不足。 16.0 x0.75鈦管的總傳熱系數(shù)約為B30銅鎳合金管的96．3％．為便于比較，實(shí)驗中對B30銅鎳管及TA2純鈦管的表面進(jìn)行了特殊處理，以確保表面呈膜狀凝結(jié)。

試驗結(jié)果表明，考慮到鈦具有良好的機(jī)械性能和耐腐蝕性能，因而可以通過采用薄壁鈦管和使用強(qiáng)化傳熱表面來彌補(bǔ)以上不足。另外，鈦管在使用過程中具有表面光潔、不易結(jié)垢 的優(yōu)良特性，所以在實(shí)際應(yīng)用中鈦管的導(dǎo)熱性能仍優(yōu)于其它管材。針對用海水作冷卻介質(zhì)的冷凝設(shè)備而言，鈦材具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 鈦冷凝器的經(jīng)濟(jì)性問題

鈦冷凝器的造價雖然高一些，一次性投資大一些，但由于鈦的密度小，比強(qiáng)度高，在設(shè)計與制造同樣設(shè)備時與傳統(tǒng)材料B30銅鎳合金相比，投料可減少一半。且由于其使用壽命長，因而相應(yīng)的年投資費(fèi)用不高。此外，鈦材耐海水腐蝕能力強(qiáng)，在整個運(yùn)行期間可以避免因冷凝管事故而帶來的檢修、檢漏、換管、堵管和停機(jī)等引起的大量損失，大大提高了運(yùn)行的安全可靠性，降低了運(yùn)行成本。因此，從長期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性角度來講，薄壁鈦管冷凝器的綜合經(jīng)濟(jì)效益仍優(yōu)于其它管材冷凝器。

綜上所述，鈦材是一種理想的艦船冷凝器材料。因此，針對海水的嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象，比強(qiáng)度高、耐海水腐蝕能力強(qiáng)的鈦材開始備受青睞。自50年代末期英國使用全鈦冷凝器獲得成功以來，美、意、法、德等國家電廠中全鈦冷凝器的發(fā)展進(jìn)程也十分迅速，我國上海金山、浙江鎮(zhèn)海和臺州等電廠也采用了全鈦冷凝器。

大量的運(yùn)行實(shí)踐表明，這些全鈦冷凝器均達(dá)到了設(shè)計要求，它開創(chuàng)了我國使用全鈦冷凝器的新局面。然而目前我國現(xiàn)有艦船冷凝器的冷凝器材采用的均是B30銅鎳合金，因此，從長遠(yuǎn)的觀點(diǎn)來看，用性能優(yōu)異的鈦材取代傳統(tǒng)的銅鎳合金無疑是我國艦船冷凝器的未來發(fā)展方向。

3、結(jié)論

考慮到鈦具有良好的機(jī)械性能和耐腐蝕性能，針對用海水作冷卻介質(zhì)的冷凝設(shè)備而言，鈦材具有非常廣闊的應(yīng)用前景。因此，從長遠(yuǎn)的觀點(diǎn)來看，用性能優(yōu)異的鈦材取代傳統(tǒng)的銅鎳合金無疑是我國艦船冷凝器的未來發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

【1】陸應(yīng)生，潘寧忠．強(qiáng)化傳熱元件與高教換熱器研究進(jìn)展[J]．化工進(jìn)展，1997，1(1)：25—29．

【2】陸裕湘．電站冷凝器用鈦管的超聲探傷[J]．上海金屬(有色分冊)，1990，11(2)：18一20．

【3】張卓澄．大型電站凝汽器[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993．

【4】萬嘉札．機(jī)電工程金屬材料手冊【M】．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1990．

【5】劉潤澤，李中，陳正云，等．新型工程金屬鈦的應(yīng)用[J]．鈦工業(yè)進(jìn)展，l998(1)：3—5．

【6】汪珂，馬慧娟．鈦[J]．釩鈦，1996(5，6)：1—3．

相關(guān)鏈接