管內(nèi)組合轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動特性實(shí)驗(yàn)

何立臣，楊衛(wèi)民，關(guān)昌峰，閻華，劉由之

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管內(nèi)組合轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動特性實(shí)驗(yàn)

何立臣，楊衛(wèi)民，關(guān)昌峰，閻華，劉由之

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029）

管內(nèi)組合轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動特性是研究其強(qiáng)化傳熱及防垢阻垢特性的重要基礎(chǔ)。為此，本文搭建轉(zhuǎn)速測定實(shí)驗(yàn)臺，采用光電式轉(zhuǎn)速測定裝置對螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子、大導(dǎo)程螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子、小外徑螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子及螺旋三葉片轉(zhuǎn)子在管內(nèi)不同流量條件下以及不同軸向位置處的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了測量，分析了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動特性。測量結(jié)果表明：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是由轉(zhuǎn)子在管內(nèi)所處軸向位置、管內(nèi)流量、轉(zhuǎn)子的導(dǎo)程、轉(zhuǎn)子的外徑以及轉(zhuǎn)子的葉片數(shù)等因素共同決定的；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速均隨管內(nèi)流量的增加而增加，而且近似地呈線性變化；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速均沿管軸向的深入而遞減；轉(zhuǎn)子導(dǎo)程越大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越低；轉(zhuǎn)子外徑越小，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越低；轉(zhuǎn)子葉片數(shù)的增多只能在管前端很小的范圍內(nèi)使轉(zhuǎn)速增大。最后，獲得了4種轉(zhuǎn)子在管內(nèi)不同流量條件下以及不同軸向位置處的轉(zhuǎn)速擬合關(guān)聯(lián)式。

傳熱；組合轉(zhuǎn)子；轉(zhuǎn)動特性；擬合關(guān)聯(lián)式

在當(dāng)今能源短缺的大背景下，各個國家要想在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中保持足夠的競爭力，就必須走節(jié)能降耗的可持續(xù)發(fā)展之路。然而對于工業(yè)生產(chǎn)各個領(lǐng)域中廣泛使用的換熱設(shè)備，其換熱效率低下所造成的能源浪費(fèi)問題卻越來越成為困擾企業(yè)乃至行業(yè)的突出問題，故節(jié)約能源、提高能源利用效率刻不容緩。

強(qiáng)化傳熱技術(shù)便是解決這一問題的有效途徑。BERGLES[1-2]將強(qiáng)化傳熱技術(shù)分為有源強(qiáng)化傳熱技術(shù)及無源強(qiáng)化傳熱技術(shù)，其中無源強(qiáng)化傳熱技術(shù)除了流體流動所需能量之外不需要附加任何額外動力，因而得到廣泛應(yīng)用。無源強(qiáng)化傳熱技術(shù)又包括強(qiáng)化管及管內(nèi)插入物兩大類[3]。組合轉(zhuǎn)子[4]是北京化工大學(xué)楊衛(wèi)民教授于2005年提出的一種管內(nèi)插入物，其具有強(qiáng)化傳熱及防垢阻垢的雙重特性，故自提出以來便一直受到廣泛的研究及關(guān)注。本文作者課題組對其強(qiáng)化傳熱機(jī)理[5]、流場分布特性[6-7]、強(qiáng)化傳熱特性[8]及防垢阻垢特性[9-10]等均進(jìn)行了針對性地研究。組合轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動是其區(qū)別于靜態(tài)混合器及渦流發(fā)生器等管內(nèi)插入物的關(guān)鍵，對其轉(zhuǎn)動特性的研究是分析其他問題的重要基礎(chǔ)。因此，本文搭建轉(zhuǎn)速測定實(shí)驗(yàn)臺，利用光電式轉(zhuǎn)速測定裝置對組合轉(zhuǎn)子在管內(nèi)的轉(zhuǎn)動特性開展研究。

1 組合轉(zhuǎn)子工作原理

組合轉(zhuǎn)子工作原理如圖1所示。組合轉(zhuǎn)子安裝在轉(zhuǎn)軸上，可繞轉(zhuǎn)軸獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子間由限位件限定軸向位置；掛件也安裝在轉(zhuǎn)軸上，同時被固定在測試管段的兩端，從而實(shí)現(xiàn)整個組合轉(zhuǎn)子串的固定。工作時，組合轉(zhuǎn)子在流體的沖擊下旋轉(zhuǎn)，使得流體由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橐月菪鲃訛橹鞯膹?fù)雜流動，這種復(fù)雜流動強(qiáng)化了中心流體與管壁流體的質(zhì)量交換，破壞了邊界層，增強(qiáng)了流體的湍動程度，破壞了污垢生長條件，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化換熱及防垢阻垢的效果。

圖1 組合轉(zhuǎn)子工作原理

1—轉(zhuǎn)軸；2—掛件；3—轉(zhuǎn)子；4—測試管段；5—限位件

2 組合轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)

相比于電機(jī)及發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子如壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子、泵葉輪等，管內(nèi)組合轉(zhuǎn)子在水流沖擊下的轉(zhuǎn)速要低得多，其屬于低轉(zhuǎn)速機(jī)械，故本文搭建轉(zhuǎn)速測定實(shí)驗(yàn)臺，采用基于周期法測速原理的光電式轉(zhuǎn)速測定裝置對管內(nèi)組合轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量。

2.1 轉(zhuǎn)速測定實(shí)驗(yàn)臺

轉(zhuǎn)速測定實(shí)驗(yàn)臺的簡易流程如圖2所示，其由泵、閥門、渦輪流量計、測試管段、水箱及附屬管件構(gòu)成循環(huán)回路，組合轉(zhuǎn)子安裝在測試管段內(nèi)。實(shí)驗(yàn)過程中，通過閥門對循環(huán)回路中的流體流量進(jìn)行控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)組合轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，循環(huán)回路中的流體流量由渦輪流量計進(jìn)行計量。測試管段選用規(guī)格40mm×3mm的有機(jī)玻璃透明管件。

圖2 轉(zhuǎn)速測定實(shí)驗(yàn)臺

1—泵；2—水箱；3—閥門；4—渦輪流量計；5—測試管段

2.2 轉(zhuǎn)速測定裝置

光電式轉(zhuǎn)速測定裝置工作原理如圖3所示，該裝置由激光二極管、光敏電阻（傳感器）、單片機(jī)（下位機(jī)）及PC機(jī)（上位機(jī)）組成。其中激光二極管和光敏電阻構(gòu)成一對光偶，由激光二極管作為激光光源連續(xù)地發(fā)射激光，光敏電阻作為接收裝置接收激光二極管所發(fā)射的激光，光敏電阻與一定阻值的電阻串聯(lián)，當(dāng)光敏電阻接收到不同強(qiáng)度的激光時其阻值會發(fā)生改變，從而其分壓也會相應(yīng)地變化，單片機(jī)上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）便會讀取其分壓并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進(jìn)而傳送給PC機(jī)，PC機(jī)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示及存儲。

激光二極管發(fā)射的激光波長為650nm（紅光），能夠輕易穿透有機(jī)玻璃透明管及水等介質(zhì)，同時，使用激光作為光源時光敏電阻能輕易地進(jìn)行光強(qiáng)識別，從而降低環(huán)境光的干擾。

轉(zhuǎn)速測定裝置如圖4所示。工作時，激光二極管和光敏電阻置于透明管路的兩側(cè)，管內(nèi)不透明轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動過程中會對激光二級管所發(fā)射的激光進(jìn)行間歇性阻隔，因而光敏電阻所接收到的光強(qiáng)便會發(fā)生變化，從而由單片機(jī)采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)并傳送到PC機(jī)進(jìn)行處理，最終計算出管內(nèi)組合轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn) 速值。

圖3 轉(zhuǎn)速測定裝置工作原理

圖4 轉(zhuǎn)速測定裝置

單片機(jī)驅(qū)動程序采用C語言編寫，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換及傳送。PC上的轉(zhuǎn)速測定工作界面如圖5所示，其程序采用C#編寫，可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的計算處理、顯示及存儲。

圖5 轉(zhuǎn)速測定工作界面

2.3 實(shí)驗(yàn)用轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)速計算公式

圖6所示為本實(shí)驗(yàn)所采用的螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子、大導(dǎo)程螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子、小外徑螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子及螺旋三葉片轉(zhuǎn)子，其幾何參數(shù)如表1所示。

轉(zhuǎn)速的計算公式如式(1)。

式中，n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/s；Z為轉(zhuǎn)子葉片數(shù)；為相鄰兩次脈沖信號的時間間隔，s。

表1 實(shí)驗(yàn)用轉(zhuǎn)子的幾何參數(shù)

3 轉(zhuǎn)速測試結(jié)果與分析

3.1 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速沿管軸向變化關(guān)系

圖7所示為管內(nèi)流量v為30L/min時螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子、大導(dǎo)程螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子、小外徑螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子及螺旋三葉片轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速沿管軸向變化關(guān)系。由圖7可知，處于管內(nèi)不同軸向位置處的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速值并不相同，軸向位置靠后的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于軸向位置靠前的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動所需能量來源于水流，隨著水流的流動以及不斷地帶動沿程的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，水流的能量逐漸降低。從圖中還可以看出，螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子、大導(dǎo)程螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子及小外徑螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速沿管軸向均呈非線性變化，而螺旋三葉片轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速沿管軸向近似地呈線性變化。

圖7 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速沿管軸向變化關(guān)系

3.2 轉(zhuǎn)子導(dǎo)程對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的影響

圖8所示為管內(nèi)軸向位置L/L為0.5時螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子、大導(dǎo)程螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨管內(nèi)流量變化關(guān)系。由圖8可知，螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子、大導(dǎo)程螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速均隨管內(nèi)流量的增加而增加，而且近似地呈線性變化。與螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子相比，大導(dǎo)程螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速要低得多，說明隨著轉(zhuǎn)子導(dǎo)程的增大，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變小，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子導(dǎo)程越大，轉(zhuǎn)子的扭曲程度越低，水流在沖擊轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的過程中作用在轉(zhuǎn)子上的力就越小。從圖8中還可以看出，管內(nèi)流量越大時，兩種不同導(dǎo)程的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速差值就越明顯。

3.3 轉(zhuǎn)子外徑對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的影響

圖9所示為管內(nèi)軸向位置L/L為0.5時螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子、小外徑螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨管內(nèi)流量變化關(guān)系。由圖9可知，與螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子一樣，小外徑螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也隨管內(nèi)流量的增加而增加，并且近似地呈線性變化。與螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子相比，小外徑螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速要稍低，說明隨著轉(zhuǎn)子外徑的減小，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變低，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子外徑越小，水流作用在轉(zhuǎn)子上的面積越小，作用力也就越小。從圖9中還可以看出，管內(nèi)流量越大時，兩種不同外徑轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速差值也就 越大。

圖8 不同導(dǎo)程轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨管內(nèi)流量變化關(guān)系

圖9 不同外徑轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨管內(nèi)流量變化關(guān)系

3.4 轉(zhuǎn)子葉片數(shù)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的影響

圖10所示為管內(nèi)軸向位置L/L為0.5時螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子、螺旋三葉片轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨管內(nèi)流量變化關(guān)系。由圖10可知，與螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子一樣，螺旋三葉片轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也隨管內(nèi)流量的增加而增加，并且近似地呈線性變化。結(jié)合圖7及圖10可知，在管的前端（L/L0.2），螺旋三葉片轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速要稍高于螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，而過了前端之后，螺旋三葉片轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速便低于螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，說明將轉(zhuǎn)子的葉片數(shù)增多，僅僅能在管前端很小的范圍內(nèi)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大，這是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)子葉片數(shù)增多的同時，轉(zhuǎn)子的質(zhì)量也隨之增大，當(dāng)在管的前端時，水流的能量較高，轉(zhuǎn)子葉片數(shù)增多帶來的轉(zhuǎn)速增大的效應(yīng)大于轉(zhuǎn)子質(zhì)量增大帶來的轉(zhuǎn)速降低的效應(yīng)；當(dāng)過了前端之后，水流的能量降低，轉(zhuǎn)子葉片數(shù)增多帶來的轉(zhuǎn)速增大的效應(yīng)便不及轉(zhuǎn)子質(zhì)量增大帶來的轉(zhuǎn)速降低的效應(yīng)。

圖10 不同葉片數(shù)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨管內(nèi)流量變化關(guān)系

3.5 不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的擬合關(guān)聯(lián)式

由以上分析可知，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是由轉(zhuǎn)子在管內(nèi)所處軸向位置、管內(nèi)流量、轉(zhuǎn)子的導(dǎo)程、轉(zhuǎn)子的外徑以及轉(zhuǎn)子的葉片數(shù)等因素共同決定的；在轉(zhuǎn)子的幾何參數(shù)中，轉(zhuǎn)子的導(dǎo)程對轉(zhuǎn)速影響較大，轉(zhuǎn)子的外徑及葉片數(shù)對轉(zhuǎn)速的影響較??；同一幾何參數(shù)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速則只由管內(nèi)流量大小v以及轉(zhuǎn)子在管內(nèi)所處軸向位置L/L兩個因素決定。由于在實(shí)踐中不可能對某一轉(zhuǎn)子在任意軸向位置以及任意流量條件下的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，所以只能選取幾個有代表性的流量值和管內(nèi)軸向位置處的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行測定，然后對其進(jìn)行擬合，通過計算便可獲得不同位置處任意流量條件下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，同時也可直觀形象地了解轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化規(guī)律。為此，本文對所測定的螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子、大導(dǎo)程螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子、小外徑螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子及螺旋三葉片轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速值進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果分別如圖11～圖14所示，并將擬合公式列于表2中。

圖11 螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化關(guān)系

圖12 大導(dǎo)程螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化關(guān)系

圖13 小外徑螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化關(guān)系

圖14 螺旋三葉片轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化關(guān)系

表2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速擬合關(guān)聯(lián)式

4 結(jié)論

本文搭建轉(zhuǎn)速測定實(shí)驗(yàn)臺，采用光電式轉(zhuǎn)速測定裝置對螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子、大導(dǎo)程螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子、小外徑螺旋兩葉片轉(zhuǎn)子及螺旋三葉片轉(zhuǎn)子在管內(nèi)不同流量條件下以及不同軸向位置處的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了測量。測量結(jié)果表明：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是由轉(zhuǎn)子在管內(nèi)所處軸向位置、管內(nèi)流量、轉(zhuǎn)子的導(dǎo)程、轉(zhuǎn)子的外徑以及轉(zhuǎn)子的葉片數(shù)等因素共同決定的；在轉(zhuǎn)子的幾何參數(shù)中，轉(zhuǎn)子的導(dǎo)程對轉(zhuǎn)速影響較大，轉(zhuǎn)子的外徑及葉片數(shù)對轉(zhuǎn)速的影響較小。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速均隨管內(nèi)流量的增大而增大，而且近似地呈線性變化；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速均沿管軸向的深入而遞減；轉(zhuǎn)子導(dǎo)程越大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越低；轉(zhuǎn)子外徑越小，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越低；轉(zhuǎn)子葉片數(shù)的增多只能在管前端很小的范圍內(nèi)使轉(zhuǎn)速增大。

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Experimental study on rotational characteristics of assembled rotors

HE Lichen，YANG Weimin，GUAN Changfeng，YAN Hua，LIU Youzhi

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

Rotational characteristics of assembled rotors in tube are the foundation to study its heat transfer enhancement and fouling-preventing performance. Thus，in this paper, the experiment apparatus was built，and rotational speeds of helical two-blade rotor，large-lead helical two-blade rotor，small-diameter helical two-blade rotor and helical three-blade rotor in different flow rates and different axial positions were measured using photoelectric tachometer to analyze the rotational characteristics of assembled rotors. The results showed that rotational speeds of rotors is determined by the factors of axial position of rotor in tube，flow rate in tube，lead of rotor，diameter of rotor，and blade number of rotor. Rotational speeds of the four types of rotors all increased with the increase of flow rate in tube and varied approximately linearly. Rotational speeds of the four types of rotors all decreased with the increase of axial position of rotor in tube. The larger the lead of rotor is，the lower the rotational speed is. The smaller the diameter of rotor is，the lower the rotational speed is. Rotational speeds of rotors can only be improved at a small range in the front of tube by increasing the blade number of rotors. Lastly, the fitting correlations of rotational speeds of the four types of rotors in different flow rates and different axial positions were acquired.

heat transfer；assembled rotors；rotational characteristic；fitting correlation

TK172

A

1000-6613（2017）10-3604-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0266

2017-02-22；

2017-05-08。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51576012）。

何立臣（1988—），男，博士研究生，研究方向?yàn)閾Q熱設(shè)備強(qiáng)化傳熱。

閻華，講師，研究方向?yàn)楣?jié)能減排與強(qiáng)化傳熱技術(shù)。E-mail：yanhua999@vip.sina.com。