往復(fù)脈動流對板式換熱器的性能強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)研究

周 麗，張東輝，王劍橋，丁玉鑫,2

(1. 江蘇科技大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 武昌船舶重工集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430060)

0 引 言

近年來，船用換熱設(shè)備的傳熱強(qiáng)化和防結(jié)垢問題已越來越引起重視。目前船舶上很多換熱設(shè)備，為節(jié)省空間和提高換熱增強(qiáng)因子，也趨于用板式換熱器替代殼管式換熱器，但板式換熱器流道非常狹窄，造成使用過程中易結(jié)垢，清洗周期短，維護(hù)費(fèi)用高。

正是由于這些矛盾因素。作為強(qiáng)化傳熱技術(shù)的一個(gè)分支，脈動流技術(shù)在換熱設(shè)備中的應(yīng)用受到關(guān)注。目前來看，船舶行業(yè)還沒有應(yīng)用脈動流對換熱設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)化換熱和除垢的先例。在國外，近十年來，美國能源部為解決高熱流密度器件的冷卻問題，在脈動技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)品化方面投入了大量經(jīng)費(fèi)，ACT公司研究表明[1]，脈動頻率位于20 Hz時(shí)，脈動系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)1 300 W/cm2散熱熱流密度，而同樣尺寸的銅/水熱管的散熱器能力只能達(dá)到40 W/cm2。俄羅斯摩爾多瓦大學(xué)[2]對脈動裝置也進(jìn)行了長期而深入的研究，研發(fā)了以限流閥和隔膜泵為脈動源的換熱系統(tǒng)，目前已廣泛應(yīng)用于采暖、柴油機(jī)廢熱回收等領(lǐng)域。Blel等[3，4]在2009年對Limlech[5]的系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，將自動控制閥與單向閥并聯(lián)，這樣可保證運(yùn)行時(shí)管路中有一最小流量。研究中發(fā)現(xiàn)了脈動流除垢的機(jī)理。針對食品行業(yè)的板式換熱器，Boxler等[6]深入研究了流體脈動對其換熱和結(jié)垢特性的影響，采用了往復(fù)活塞泵作為脈動源。研究發(fā)現(xiàn)：間斷式脈動比連續(xù)脈動除垢效果更好。隨著脈動振幅的加大，會獲得更好的除垢效果。由于研究對象是板式換熱器，其系統(tǒng)是雙回路循環(huán)。對于層流條件下的脈動換熱，Gupta[7]利用振動位移裝置使管內(nèi)水流進(jìn)行脈動來探究其對換熱性能的影響。無因次脈動頻率從0.02變化到0.055，雷諾數(shù)從10變化到650。結(jié)論表明：在沒有往復(fù)流出現(xiàn)且低振幅的條件下，換熱性能隨著脈動頻率的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢；在往復(fù)流出現(xiàn)的條件下，隨著脈動頻率的增加，換熱性能最大提高20%，但是這個(gè)提高隨著頻率的升高不斷衰減。

脈動流在提高設(shè)備換熱性能的同時(shí)又能達(dá)到抑制結(jié)垢的效果，因此獨(dú)特的優(yōu)越性，受到了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注，并且在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中具有廣泛的應(yīng)用前景。本研究的目的以某一型號板式換熱器為換熱元件，搭建相應(yīng)往復(fù)脈動流動強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)臺架，觀察在不同脈動參數(shù)下相應(yīng)的換熱效果。

1 脈動強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 雙路開式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了達(dá)到探究脈動流條件下脈動頻率、脈動振幅、雷諾數(shù)對板式換熱器強(qiáng)化換熱的影響目的，自行設(shè)計(jì)了脈動源、穩(wěn)流系統(tǒng)、測量系統(tǒng)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由往復(fù)泵、加熱器、水箱、管道泵、板式換熱器、混合室、電磁流量計(jì)、壓力傳感器、球閥等元器件組成。

如圖 1所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是雙路開式系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)用水由市政供給的自來水提供，經(jīng)過遠(yuǎn)距離埋地處理后進(jìn)入室內(nèi)，可認(rèn)為水的溫度恒定不變，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為開式系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)段經(jīng)換熱后的水直接排出，利用恒溫的自來水和開式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對實(shí)驗(yàn)誤差的控制都非常有效。對于冷水管路而言，外來管路的自來水流入大水箱中，實(shí)驗(yàn)所用水箱用不銹鋼材質(zhì)制作而成，長寬均為 600 mm，高為 500 mm，容積為 180 L，經(jīng)過管道增壓泵（管道增壓泵是型號為25SG（R）3-20的離心水泵，工作電壓220 V，流量3 m3/h，揚(yáng)程20 m，功率0.37 kW），流經(jīng)管路中的轉(zhuǎn)子流量計(jì)，通過閥門控制主流流量，調(diào)整到實(shí)驗(yàn)設(shè)定參數(shù)下的流量流入混合室，混合室上方開有排氣閥和壓力表，可以通過控制排氣閥的開閉控制混合室的水位以實(shí)現(xiàn)消除脈動對主流流量的干擾，混合室的側(cè)面焊接有3個(gè)管螺紋接頭，1個(gè)接頭與入流管路連接，1個(gè)備用，1個(gè)與流出管路連接，通過三通閥與脈動之路混合一起流入板式換熱器與熱水路流經(jīng)的熱水進(jìn)行熱量交換，換熱后的高溫水經(jīng)過管路流入下水道排出，完成整個(gè)冷水管路循環(huán)。熱水路與冷水路共用一個(gè)水箱，經(jīng)過渦旋泵（渦旋泵是Calpeda公司生產(chǎn)的，工作電壓220 V，最大流量 3.6 m3/h，揚(yáng)程 10 m，功率 0.75 kW），流經(jīng)管路中的轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)入加熱器中，在加熱器中設(shè)定好流量的水流被加熱至相應(yīng)的溫度后通過管道流入板式換熱器的熱水路，在板式換熱器中與冷水路冷水進(jìn)行熱量交換，最終完成換熱后的流體通過管道排入下水道，完成整個(gè)熱水路循環(huán)。整個(gè)循環(huán)中，在板式換熱器的冷熱水路進(jìn)出口各布置2個(gè)熱電偶測量進(jìn)出口水溫，在冷水路的進(jìn)出口處各布置1個(gè)壓力傳感器用來測量脈動壓力，在冷水路的進(jìn)口處布置1個(gè)電磁流量計(jì)用來測量脈動流量。最終，電磁流量計(jì)、壓力傳感器、熱電阻的值經(jīng)過研華數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)傳輸?shù)絇C計(jì)算機(jī)中進(jìn)行顯示和存儲。實(shí)驗(yàn)管路均用管徑15 mm的PP-R管熱熔連接而成。

為了探討脈動流的脈動頻率、脈動振幅、雷諾數(shù)的變化對板式換熱器換熱性能的影響，實(shí)驗(yàn)選取5組脈動頻率（f=0.55 Hz，0.66 Hz，0.81 Hz，0.92 Hz，1.06 Hz）、1 組脈動振幅（0.03 MPa）以及 6 組雷諾數(shù)（Re=3 774，4 246，4 954，5 426，6 133，7 313）作為變量參數(shù)，實(shí)驗(yàn)中板式換熱器冷、熱水路中的流量保持一致。實(shí)驗(yàn)利用控制變量法對各參數(shù)控制以實(shí)現(xiàn)各參數(shù)下的脈動強(qiáng)化換熱效果對比研究。

實(shí)驗(yàn)中所使用的板式換熱器用不銹鋼材通過釬焊焊接而成，具體結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表 1所示。

表 1 板式換熱器的尺寸參數(shù)Tab. 1 The size parameters of plate heat exchanger

1.2 計(jì)算方法

在板式換熱器的冷熱水路的進(jìn)出口處各安裝一個(gè)鎧裝熱電偶，來測量板式換熱器進(jìn)口處和出口處的流體溫度，由此可以計(jì)算出板式換熱器冷熱水路進(jìn)出口溫差。

板式換熱器水路換熱量Qh為：

式中： c為水的比熱容，J/（kg·℃）；m為水的質(zhì)量流率，kg/s；Tin為板式換熱器出口水溫，℃；Tout為板式換熱器進(jìn)口水溫，℃。

根據(jù)板式順流板式換熱器總傳熱系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算總傳熱系數(shù)K為：

式中： A為板式換熱器中的總換熱面積，m2；Δtm為板式換熱器中的對數(shù)平均溫差，℃；Δtmax為順流板式換熱器冷熱水路進(jìn)口溫差，℃；Δtmin為順流板式換熱器冷熱水路出口溫差，℃。

實(shí)驗(yàn)中采用的雷諾數(shù)Re有如下定義：

式中： u為水流的平均流速，m/s；D為板槽中的水力直徑，m；υ為流體的運(yùn)動粘度，m2/s。

定義換熱增強(qiáng)因子Em為：

式中 ：Kp為脈動流動下的總傳熱系數(shù)；Ks為穩(wěn)態(tài)流動下的總傳熱系數(shù)。

利用上述公式，通過測量所得到的板式換熱器進(jìn)出口水度，可以計(jì)算出對應(yīng)的總傳熱系數(shù)和換熱增強(qiáng)因子。利用圖表依次分析總傳熱系數(shù)和換熱增強(qiáng)因子隨雷諾數(shù)、脈動頻率、脈動振幅的變化關(guān)系，最終表征出這些因素對脈動流強(qiáng)化換熱的影響規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

依據(jù)實(shí)驗(yàn)所測得的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)合上述所提及的相應(yīng)公式，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的后期處理，得到了以下關(guān)于實(shí)驗(yàn)所用板式換熱器的總傳熱系數(shù)和換熱增強(qiáng)因子的相關(guān)曲線圖。

2.1 不同雷諾數(shù)下?lián)Q熱結(jié)果分析

圖 3所示為脈動振幅0.03 MPa、不同脈動頻率下總傳熱系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化關(guān)系。從圖中可以看出，隨著雷諾數(shù)不斷增大，板式換熱器的總傳熱系數(shù)也不斷增大，這也契合了前文通過熱沉室實(shí)驗(yàn)所得到的相關(guān)規(guī)律；另外，圖中同樣發(fā)現(xiàn)在雷諾數(shù)達(dá)到旺盛湍流區(qū)之后，板式換熱器在穩(wěn)態(tài)流動和脈動流動下的總傳熱系數(shù)幾乎無差值，這也和熱沉室實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果相吻合。

圖 4所示為脈動振幅0.03 MPa、不同脈動頻率下?lián)Q熱增強(qiáng)因子隨雷諾數(shù)的變化關(guān)系。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著換熱器中冷、熱水路測的雷諾數(shù)增大，換熱增強(qiáng)因子呈現(xiàn)逐漸減小的態(tài)勢，換熱增強(qiáng)因子最大值1.598出現(xiàn)在雷諾數(shù)3 774、脈動頻率0.55 Hz附近，在雷諾數(shù)達(dá)到7 000以后甚至出現(xiàn)了換熱增強(qiáng)因子小于1的點(diǎn)，說明在此板式換熱器中，隨著雷諾數(shù)的增大，脈動流動對換熱的增強(qiáng)效果在逐漸減弱，這也符合此前在熱沉室實(shí)驗(yàn)中所得到的相應(yīng)規(guī)律。

2.2 不同脈動頻率下?lián)Q熱結(jié)果分析

圖 5所示為脈動振幅0.03 MPa、不同雷諾數(shù)下總傳熱系數(shù)隨脈動頻率的變化關(guān)系。從圖中發(fā)現(xiàn)，脈動流動下板式換熱器的總傳熱系數(shù)總大于穩(wěn)態(tài)流動條件下，且當(dāng)雷諾數(shù)越小它們之間差值越大；另外還發(fā)現(xiàn)，在各雷諾數(shù)下，隨著脈動頻率增大，總傳熱系數(shù)基本符合先減小后增大的趨勢，最小值出現(xiàn)在脈動頻率 0.66 Hz 附近。

圖 6所示為脈動振幅0.03 MPa、不同雷諾數(shù)下?lián)Q熱增強(qiáng)因子隨脈動頻率的變化關(guān)系。從圖中可以清晰的看到，隨著雷諾數(shù)的增大，各脈動頻率下的換熱增強(qiáng)因子逐級遞減；同時(shí)，各雷諾數(shù)下的換熱增強(qiáng)因子隨著脈動頻率的增大，出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，換熱增強(qiáng)因子最差頻率均出現(xiàn)在0.66 Hz附近。

3 結(jié) 語

本文針對板式換熱器進(jìn)行了系統(tǒng)的脈動流動強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：隨著雷諾數(shù)的不斷增大，無論穩(wěn)態(tài)流動抑或脈動流動，板式換熱器的總傳熱系數(shù)逐漸變大；而換熱增強(qiáng)因子確隨之降低。這些現(xiàn)象也符合基于熱沉室得到的相應(yīng)結(jié)論；實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的最佳換熱增強(qiáng)因子點(diǎn)在雷諾數(shù)Re=3 774、脈動頻率f=0.55 Hz附近，達(dá)到了1.598；實(shí)驗(yàn)中，隨著脈動頻率的增大，在各雷諾數(shù)下，換熱增強(qiáng)因子出現(xiàn)先降低后增大的現(xiàn)象，且最低點(diǎn)出現(xiàn)在脈動頻率0.66 Hz附近。本文的研究結(jié)果表明：利用脈動流方法，可進(jìn)一步提升板式換熱器的換熱性能，而且，脈動流技術(shù)還可達(dá)到防結(jié)垢的良好效果，可進(jìn)一步將其應(yīng)用于船舶和化工領(lǐng)域。