引 言

艦船冷凝器是保證艦船核動(dòng)力裝置及蒸汽動(dòng)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(dòng)力消耗和投資方面在整個(gè)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(duì)整個(gè)動(dòng)力裝置總體性能的改善起著舉足輕重的作用。與此同時(shí)，將此項(xiàng)技術(shù)推廣應(yīng)用于石油、化工、動(dòng)力、冶金、交通、制冷和空調(diào)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中，必將帶來(lái)可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)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(jí)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(shí)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(wèn)題的一條重要途徑。

2、鈦冷凝管應(yīng)用中的問(wèn)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(wèn)題。這些問(wèn)題通過(guò)20多年來(lái)包括我國(guó)在內(nèi)的世界各國(guó)的大量試 驗(yàn)研究和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)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(duì)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(duì) 16.0 x 0.75TA2純鈦管和 16.0x 1.4B3o銅鎳合金管進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(duì)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(yàn)不少于10個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，并進(jìn)行了大量的重復(fù)試驗(yàn)，獲得了一系列基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

這種管子在略高于大氣壓條件下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(shí)，內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù)也增加。這是由于雷諾數(shù) 增大時(shí)，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(duì)流熱阻，故不論是B30銅鎳臺(tái)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(guò)程中，冷卻水側(cè)的對(duì)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(guò)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(guò)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(yàn)中對(duì)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(yàn)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(guò)采用薄壁鈦管和使用強(qiáng)化傳熱表面來(lái)彌補(bǔ)以上不足。另外，鈦管在使用過(guò)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(duì)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(wèn)題

鈦冷凝器的造價(jià)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(jì)與制造同樣設(shè)備時(shí)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(zhǎng)，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(gè)運(yùn)行期間可以避免因冷凝管事故而帶來(lái)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(zhǎng)期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)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(duì)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(kāi)始備受青睞。自50年代末期英國(guó)使用全鈦冷凝器獲得成功以來(lái)，美、意、法、德等國(guó)家電廠中全鈦冷凝器的發(fā)展進(jìn)程也十分迅速，我國(guó)上海金山、浙江鎮(zhèn)海和臺(tái)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(jì)要求，它開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)使用全鈦冷凝器的新局面。然而目前我國(guó)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(zhǎng)遠(yuǎn)的觀點(diǎn)來(lái)看，用性能優(yōu)異的鈦材取代傳統(tǒng)的銅鎳合金無(wú)疑是我國(guó)艦船冷凝器的未來(lái)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(duì)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(zhǎng)遠(yuǎn)的觀點(diǎn)來(lái)看，用性能優(yōu)異的鈦材取代傳統(tǒng)的銅鎳合金無(wú)疑是我國(guó)艦船冷凝器的未來(lái)發(fā)展方向。

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