螺旋折流板換熱器殼程流動特性研究

王 晨 ,桑芝富

(南京工業(yè)大學機械與動力工程學院,南京 210009)

0 引 言

螺旋折流板換熱器是一種具有殼程壓力損失小,單位壓降下殼程傳熱系數(shù)高等諸多優(yōu)點的新型換熱裝置[1],其設(shè)計思想是將多塊部分橢圓平板相互連接,每塊折流板與殼體軸線呈相同的夾角,從而形成近似螺旋面,使殼程流體產(chǎn)生螺旋狀流動(如圖1所示),殼程流體流動方式的改變是螺旋折流板換熱器性能優(yōu)越的主要原因[2-3]。目前有關(guān)螺旋折流板換熱器的文獻多集中于對其傳熱、阻力和積垢性能的研究[4-9],而有關(guān)螺旋折流板換熱器殼程流動狀態(tài)的研究多采用數(shù)值模擬的方法[10-15],這是由于殼程流體的流動特性復(fù)雜,且管殼式換熱器內(nèi)換熱管數(shù)量眾多,相鄰換熱管之間的距離小,使得運用實驗手段對殼程流場進行測量十分困難,相關(guān)研究也相對滯后。國內(nèi)僅王素華、王樹立[16-17]以及孫琪[18]等人利用PLDV激光測速儀,在有機玻璃實驗?zāi)Ｐ蜕媳容^測量了不同螺旋角度和搭接量的螺旋折流板換熱器殼側(cè)程流速的分布特點。

粒子圖像測速儀(Particle Image Velocimetry,PIV)是20世紀80年代末發(fā)展起來的一種非接觸式瞬態(tài)速度測量技術(shù),其重要特點就是突破了空間單點測量技術(shù)的局限性,可在同一時刻記錄下整個測量平面的有關(guān)信息[19-20]。運用PIV技術(shù)對螺旋折流板換熱器殼程流場進行了測量,并通過測量結(jié)果計算出不同區(qū)域的軸向、切向和徑向速度。

圖1 螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of heat exchanger with helical baffles

1 實驗設(shè)備

PIV系統(tǒng)主要由激光器、同步控制器、CCD相機及圖像分析采集系統(tǒng)組成。實驗所用光源為雙諧振脈沖式Nd∶YAG激光器,脈沖能量為200mJ,重復(fù)頻率為15Hz,脈沖寬度小于8ns,雙脈沖時間間隔小于1μ s。同步控制器是PIV系統(tǒng)的時序控制機構(gòu),型號為 MicroPluse710。高速互相關(guān) CCD型號為ES2001,分辨率為 1600(H)×1200(V)pixel,8～12bit電子快門,視頻率為15～30幀/s,16級電子增益,配備尼康(NIKON)50mm/F1.4鏡頭。圖像采集分析系統(tǒng)軟件為MicroVec V2.0。

PIV測量時需加入示蹤粒子,鑒于本實驗的測量介質(zhì)是水,選用與水密度相近的空心玻璃微珠作為示蹤粒子。

2 實驗方案

2.1 實驗?zāi)Ｐ?/h3>

實驗所用螺旋折流板換熱器模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。模型由透明有機玻璃制作,殼程工作介質(zhì)為水,流量為14m3/h。筒體外部套有一個矩形光學補償盒,其內(nèi)充滿水,以抵消光在圓形筒體壁面上的折射。圖2所示為實驗?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)示意圖。換熱管及折流板涂以亞光黑漆,防止其表面反光,影響測量結(jié)果。

表1 試件結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of test samples

圖2 實驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch diagram of experimental model

測試區(qū)域為第三螺距的第二象限,軸向位置Z=825mm～925mm。由于螺旋折流板為空間連續(xù)布置,無法進行三維測試,因此本實驗采用了二維測試。片光入射的位置如圖3所示,其中縱向Y剖面可以得到Y(jié)和Z方向的速度,而從橫向X剖面可以得到X和Z方向的速度。在光學補償盒上貼有坐標,以保證片光入射位置的準確。

2.2 PIV參數(shù)設(shè)定

實驗中激光強度設(shè)置為120mJ,以保證粒子的成像亮度適中。片光厚度控制在1mm以內(nèi),以光學補償盒為基準調(diào)節(jié)片光的平行度。CCD相機正對片光照亮的區(qū)域,與片光保持合適的距離(約300mm),調(diào)節(jié)焦距,直至成像清晰。互相關(guān)CCD相機的查詢區(qū)大小為32×32像素,查詢區(qū)重疊率為25%,雙曝光時間間隔為1000μ s。

3 數(shù)據(jù)處理

以相交截面的編號表示測試區(qū)域的不同位置,由縱向和橫向截面交線上各點的X、Y、Z方向的速度vx、vy、vz可以得到軸向速度

圖3 片光入射示意圖Fig.3 Sketch diagram of light sheet incident location

切向速度和徑向速度

4 實驗結(jié)果分析

圖4為管間縱向和橫向截面相交區(qū)域的流場矢量圖?？梢钥闯?管間流體的流動方向與換熱器軸線呈一定角度,流體斜向沖刷換熱管。

圖4 速度矢量Fig.4 Velocity vector

圖5為管間不同位置縱向截面和橫向截面交線處的軸向速度、切向速度和徑向速度的比較。由圖5(a)、(b)可以看出,根據(jù)實驗結(jié)果可以將螺旋折流板換熱器管間流動結(jié)構(gòu)沿徑向分為2個區(qū)域：(a)非穩(wěn)定區(qū),包括Y 1X3和Y 2X3;(b)穩(wěn)定區(qū),包括Y 1X2、Y 2X2和Y 3X3。

圖5 管間流速沿Z軸的分布Fig.5 Velocity distribution among tubes along Z axis

非穩(wěn)定區(qū)由于接近換熱器的軸心,受到三角區(qū)漏流的影響,速度沿軸線方向出現(xiàn)了較大的變化。Y 2X3在沿著軸線方向的開始階段具有一定的軸向速度,并緩慢上升。Y 2X3的切向速度以及Y 1X3的軸向速度和切向速度在沿著軸線方向的開始階段很低,而后迅速上升。Y 2X3的軸向速度和切向速度以及Y 1X3的軸向速度在Z=910mm處出現(xiàn)峰值。從整體上看,非穩(wěn)定區(qū)的流體具有比穩(wěn)定區(qū)的流體更強烈的軸向速度。穩(wěn)定區(qū)的切向速度和軸向速度沿軸線方向的變化不大,較為穩(wěn)定,其切向速度要高于非穩(wěn)定區(qū),并高于相同位置的軸向速度,說明該區(qū)域有明顯的旋流特征,是換熱效果較好的區(qū)域。

由圖5(c)可以看出,管間區(qū)域存在著沿軸線方向波動的徑向速度。徑向速度可以增加流體的擾動,有利于增強換熱。

圖6所示為管束外圍Y 1X1和Y 3X2處的軸向速度和切向速度。管束外圍由于流動空間較大,且受到管束的影響較小,流體流動應(yīng)該較為穩(wěn)定。但從圖中可以看出,在Y 3X2處,由于受到折流板與筒體之間漏流的影響,軸向速度在沿著軸線方向的開始階段較高,但隨著漏流影響的逐漸減小,軸向速度沿著軸線方向不斷減小。Y 3X2處的切向速度受漏流影響不大,較為穩(wěn)定。相鄰螺旋折流板在搭接時,除了會形成三角區(qū)外,還會在半徑外側(cè)形成搭接區(qū)(如圖7所示)。Y 1X1處流體受到搭接區(qū)漏流的影響在沿著軸線方向的開始階段具有較高的切向速度和較低的軸向速度。隨著漏流影響沿軸線方向的不斷減小,切向速度不斷降低,軸向速度不斷增加,并趨于穩(wěn)定。

圖6 管束外圍流速沿Z軸的分布Fig.6 Velocity distribution out of tube bundle along Z axis

圖7 折流板搭接示意圖Fig.7 Sketch of overlapping helical baffles

5 結(jié) 論

利用PIV激光粒子圖像測速技術(shù),對螺旋折流板換熱器殼程流體的流動特性進行了實驗研究,結(jié)果表明：

(1)螺旋折流板換熱器殼程管間流體的流動方向與換熱器的軸線呈一定角度,流體斜向沖刷換熱管;

(2)沿換熱器半徑,可將管間流場分為非穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。非穩(wěn)定區(qū)由于接近換熱器的軸心,受三角區(qū)漏流的影響,流速沿軸線方向呈上升趨勢,且顯示出較強的軸向速度。穩(wěn)定區(qū)的流速沿軸線方向分布較為平穩(wěn),其切向速度要高于非穩(wěn)定區(qū),并高于相同位置的軸向速度,具有明顯的旋流特征,是換熱效果較好的區(qū)域;

(3)管間流場存在著沿軸線方向波動的徑向速度,可以增加流體的擾動,有利于傳熱;

(4)在管束外圍,折流板與筒體之間的漏流會增加流體的軸向速度,而搭接區(qū)的漏流則使得流體的切向速度增加而軸向速度減小。漏流對流體流速的影響會沿著軸線方向不斷減小,流體流速趨于穩(wěn)定。

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