隔膜增壓裝置冷卻系統(tǒng)強化換熱模擬實驗

楊興林，周穎臻，陳波

(江蘇科技大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

許多機械設(shè)備工作環(huán)境溫度高，持續(xù)運行使用時間長，需要考慮設(shè)備的冷卻問題，冷卻水循環(huán)冷卻法具有吸熱能力強，所需管道體積小從而節(jié)省設(shè)備占用空間的優(yōu)點，因而在目前設(shè)備冷卻系統(tǒng)中應(yīng)用較為普遍[1-2]。特別是在船舶行業(yè)中，船舶需要常年在海上航行，主機設(shè)備無法靠地面人員維護的情況下，船舶冷卻水系統(tǒng)成為船舶動力裝置安全可靠運行的重要保障。研究表明,在船舶冷卻水換熱系統(tǒng)中使用脈動流能夠有效降低換熱熱阻，提高換熱效率[3]。目前脈動流強化換熱中應(yīng)用較多的是有源脈動強化換熱[4-6]。因此，如何在保證使用脈動流強化換熱的前提下減少脈動裝置的能耗成為脈動強化換熱中的研究重點。目前對有源脈動研究中依然存在的問題是使用電動機、往復(fù)泵和電磁閥等為使脈動冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生脈動流的高功率脈動發(fā)生裝置雖然提高了換熱效率，但卻額外消耗過多機械能，整體能效得不償失。為此，開展隔膜增壓裝置設(shè)計和制造的相關(guān)工作，搭建脈動冷卻系統(tǒng)的實驗臺，進行隔膜增壓裝置對脈動強化換熱的實驗，探討在脈動系統(tǒng)的液壓沖擊下隔膜增壓裝置的增壓效果與脈動頻率的關(guān)系以及換熱器的換熱量隨隔膜增壓裝置產(chǎn)生的壓力變化，考慮以增壓裝置提高冷卻系統(tǒng)的換熱效率，減少脈動系統(tǒng)的能耗，節(jié)省水泵、鍋爐、電機等輔機設(shè)備的日常開支。

1 脈動增壓強化傳熱實驗系統(tǒng)

1.1 實驗設(shè)計方案

為了研究隔膜增壓裝置對船舶冷卻系統(tǒng)中的脈動強化換熱的影響作用，基于液壓沖擊原理開發(fā)基于通過使流體加速噴射原理的隔膜增壓驅(qū)動能效裝置，裝置和測量系統(tǒng)組成及原理見圖1。

圖1 船舶柴油機缸套與冷卻水脈動換熱增壓裝置實驗原理

整個實驗系統(tǒng)由2個封閉的循環(huán)系統(tǒng)組成。測量系統(tǒng)負(fù)責(zé)測量實驗系統(tǒng)中的參數(shù)變化。當(dāng)離心水泵運行時，冷卻水在柴油機缸套和換熱器之間循環(huán)流動換熱，并且本實驗中所使用的工況參數(shù)：流體速度0.5 m/s，吸入壓力60 kPa。在冷卻水循環(huán)中通過脈動閥的開閉使流體產(chǎn)生脈動。電動機以1.43 Hz/s的頻率旋轉(zhuǎn)，通過曲柄機構(gòu)驅(qū)動脈動閥的閥門。脈動閥在打開時液體可以自由地通過，進一步沿著回路通過柴油機缸套在脈動循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)流動。脈動閥關(guān)閉時，管道中運動的流體具有的動能在停止時會轉(zhuǎn)化為拉伸管壁和壓縮液體的壓力勢能。其中初始時刻的壓力波動最危險，在脈動閥附近管道中的壓力將急劇增加，管道將在彈性變形的極限范圍內(nèi)膨脹，并且壓縮流體產(chǎn)生的振蕩波將從脈動閥向第一液壓蓄能器和隔膜增壓裝置傳播。當(dāng)沖擊波到達隔膜增壓裝置的入口時，其壓力大于隔膜增壓裝置的第二出口和管道中連接的第一液壓蓄能器中的壓力。因此,流體產(chǎn)生的沖擊使隔膜增壓裝置內(nèi)部的彈性膜片發(fā)生形變從而改變隔膜增壓裝置上腔體的體積使流體由第二出口經(jīng)第一單向閥排出至增壓系統(tǒng)的管道中，流體由第一單向閥流出后沿管道流向標(biāo)準(zhǔn)孔板，流體經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)孔板時的阻力小，壓差大，穩(wěn)定性好，有平滑的壓差特性。因此，流體在標(biāo)準(zhǔn)孔板的作用下部分壓力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，使流體在管道中的速度增加。

1.2 脈動增壓原理

由于增壓系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，在標(biāo)準(zhǔn)孔板后流體速度增加導(dǎo)致管道靜壓減小，導(dǎo)致連接在增壓系統(tǒng)中的第二液壓蓄能器為補償系統(tǒng)壓力而將蓄能器中的流體流向增壓系統(tǒng)，使標(biāo)準(zhǔn)孔板后的管路中的流量增大，當(dāng)流量增加后的流體經(jīng)過第二單向閥流向隔膜增壓裝置時，出口流量總是大于進口流量，因此，隔膜增壓裝置膜片受到的沖擊壓力總是大于其對增壓系統(tǒng)作用的壓力，腔體中的彈性膜片受到流體沖擊的作用力返回初始位置時，與原脈動循環(huán)系統(tǒng)中脈動閥產(chǎn)生的沖擊壓力相比，彈性膜片返回時產(chǎn)生的壓力將高于脈動循環(huán)系統(tǒng)中原沖擊壓力。對于脈動循環(huán)系統(tǒng)來說，隔膜增壓裝置彈性膜片壓力作用于脈動流體后使脈動循環(huán)系統(tǒng)的壓力增加，并在脈動閥開啟后，系統(tǒng)的壓力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動流的動能使脈動速度增加，從而提高脈動循環(huán)系統(tǒng)的換熱效率。

1.3 脈動增壓強化傳熱實驗

本實驗中分別對3組不同的脈動頻率下進行分析，對比在脈動頻率相同時有無隔膜增壓裝置對管道脈動壓力的影響，實驗中3組脈動頻率為f1=1.43 Hz，f2=1.70 Hz，f3=2.85 Hz；管路中流量為0.000 182、0.000 22 m3/s。實驗所選柴油機缸套為SD1125系列直噴單缸柴油機缸套。所選離心水泵為德國制造的WILO威樂TOP-S40/10離心水泵。脈動閥選用的是重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司生產(chǎn)的VFR凸輪軸閥。第一、第二液壓蓄能器均選用氣體式液壓蓄能器中的隔膜式液壓蓄能器。本實驗中換熱器為自行設(shè)計的螺旋盤管式換熱器。

脈動增壓強化傳熱實驗系統(tǒng)末端換熱器見圖2。假設(shè)換熱器外表面熱流密度為零，忽略外部環(huán)境的對流，輻射對換熱器內(nèi)部溫度變化的影響。換熱器是外部體積為0.08 m3的圓柱形筒體，內(nèi)部螺旋盤管直徑為10 mm，管長為2.5 m。實驗過程中通過使用熱電偶溫度傳感器測量換熱器熱水進出口溫度和螺旋盤管外冷水的溫度變化，壓力變送器測量增壓系統(tǒng)和脈動換熱系統(tǒng)中的壓力變化。

圖2 換熱器物理模型示意

2 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 增壓器壓力變化與脈動頻率f的關(guān)系

當(dāng)換熱系統(tǒng)中流量G1一定時，通過壓力變送器將測得的脈動頻率f1、f2、f3與壓力的實驗數(shù)據(jù)利用MATLAB軟件擬合后轉(zhuǎn)換為傅里葉函數(shù)曲線后見圖3。

圖3 流量G1下壓差Δp與頻率f的關(guān)系

隨著脈動頻率增加，隔膜增壓裝置產(chǎn)生的壓力隨之增加。脈動閥的閥門是由電動機帶動凸輪機構(gòu)旋轉(zhuǎn)控制閥門開閉以產(chǎn)生脈動流，隨著電動機旋轉(zhuǎn)頻率增加使閥門關(guān)閉時間減少，根據(jù)儒科夫斯基水擊壓強理論可知，閥門關(guān)閉引起流速的變化，是由于壓強增量的作用，這個壓強增量就是水擊壓強[7-9]。管道中液壓沖擊的壓力隨著閥門關(guān)閉時間的減小而增加，而閥門關(guān)閉時間又由電動機頻率控制，因此，增加電動機頻率意味著能使管道產(chǎn)生更高的液壓沖擊。當(dāng)管道中的閥門瞬間關(guān)閉時會使運動的流體產(chǎn)生反向的沖擊波，沖擊波的壓力會使隔膜增壓裝置的彈性膜片產(chǎn)生形變推動隔膜增壓裝置出口處連接的管路中的流體循環(huán)，當(dāng)隔膜增壓裝置系統(tǒng)中的流體流過標(biāo)準(zhǔn)孔板時流速增加，且沖擊壓力越大對流體的加速作用就越大，當(dāng)加速后的流體返回隔膜增壓裝置時彈性膜片就會以更高的沖擊壓力作用于隔膜增壓裝置進口處連接的管路中的脈動流體，從而使脈動流體的壓力升高。當(dāng)脈動頻率f3>f2>f1時，隔膜增壓裝置內(nèi)通過流體加速作用產(chǎn)生的壓差變化便有Δp3>Δp2>Δp1。

2.2 不同頻率下增壓作用對換熱效果的影響

圖4 增壓前后換熱器溫差Δt與時間的關(guān)系

圖4顯示了脈動頻率分別為f1、f2、f3時換熱系統(tǒng)在有無隔膜增壓裝置作用下?lián)Q熱器內(nèi)冷水的水溫在加熱到相同溫度60 ℃時所需時間內(nèi)的升高趨勢。在換熱器內(nèi)部冷水溫度小于熱水進口水溫時換熱過程屬于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。因此，在冷水加熱過程中溫度變化隨熱水脈動頻率和增壓裝置影響而改變。隨著冷水溫度升高趨勢不同，在加熱過程中必然存在差值，由于換熱過程中溫差的改變導(dǎo)致差值不同而出現(xiàn)峰值。3種不同的頻率下，增壓后的系統(tǒng)換熱器內(nèi)冷水的溫度升高趨勢均大于增壓前的脈動系統(tǒng)中的冷水溫升，且對于增壓后的系統(tǒng)而言，隨著脈動頻率的增加，換熱器冷水到達相同溫度的時長越短，意味著在一定的頻率區(qū)間內(nèi)，脈動換熱系統(tǒng)增壓后的換熱效果隨著脈動頻率的增加而提高。對于換熱器中冷水水溫而言，在相同時間內(nèi)換熱系統(tǒng)增壓后的冷水水溫的溫度升高量比增壓前最高可達8 ℃。且在圖中可以看出頻率在f1=1.43 Hz和f2=1.70 Hz區(qū)間變化時的換熱效果增加最明顯，在f2=1.70 Hz和f3=2.85 Hz區(qū)間內(nèi)雖然換熱器內(nèi)冷水溫度上升的差值Δt在前期依然有所增加，但換熱效率增量僅略有變化，明顯小于脈動頻率f1到f2時的換熱效率增量。結(jié)合文獻[10-12]，分析認(rèn)為，可能在脈動頻率f2時脈動流動已經(jīng)處于湍流旺盛階段，此時脈動強化換熱效果較為穩(wěn)定，改變脈動頻率時管道中產(chǎn)生的壓力增加不會對換熱效率引起更大的變化。

2.3 不同流量下增壓作用對系統(tǒng)換熱量的影響

當(dāng)脈動流換熱系統(tǒng)中循環(huán)水泵流量分別為G1=0.000 182 m3/s，G2=0.000 22 m3/s時，換熱器在有無增壓器作用下的換熱量之差ΔQ隨時間的變化關(guān)系見圖5、6。

圖5 流量G1時增壓前后熱水換熱量差ΔQ隨時間的變化

圖6 流量G2時增壓前后熱水換熱量差ΔQ隨時間的變化

在循環(huán)水泵流量G1下，在不同的脈動頻率下，換熱器中熱水的換熱量在增壓器的作用下均大于增壓前的換熱量。隨著時間增加，換熱量的差值逐漸減小，脈動頻率越大，換熱量差值減少越慢，最終差值趨于穩(wěn)定。這也符合熱力學(xué)中的傅里葉定律[12-13]，即初始時刻換熱器中冷水溫度最低，換熱器中螺旋盤管表面單位時間內(nèi)通過給定截面的熱量，正比例于垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積。由圖中可以看出，各頻率下的換熱量之差均存在一個最佳時刻使換熱量之差達到最大值。因此，為了達到換熱器中最佳的換熱效果，需保證換熱器中冷水的出口溫度不能超過某一限定值。從整體來看，循環(huán)水泵流量G1、G2對換熱器熱水換熱量差值隨時間的變化趨勢的影響比較相似，但數(shù)值上流量G2對換熱量差值的影響作用大于流量G1。這表明在特定情況下，為了提高換熱效率可以適當(dāng)提高脈動換熱系統(tǒng)中循環(huán)水泵的功率來增加熱水的流量。

3 結(jié)論

1)基于液壓沖擊原理開發(fā)的隔膜增壓裝置是可行的，隨著脈動頻率的增加，隔膜增壓系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力增加該裝置通過流體自身能量的轉(zhuǎn)換提高脈動系統(tǒng)換熱效率。

2)隔膜增壓裝置提供的增壓效果對強化脈動流換熱是有利的，增壓器對脈動系統(tǒng)增加的壓力越大，換熱效果越好，在脈動頻率f2=1.70 Hz時脈動系統(tǒng)增壓后強化換熱效率達到最大值。

3)在隔膜增壓裝置工作的同時，提高脈動換熱系統(tǒng)中循環(huán)水泵的流量也有一定的強化換熱的作用。