王 军,葛忆茹,潘朝峰,陈 宁
(江苏科技大学 能源与动力工程学院,江苏 镇江 212003)
板式换热器广泛运用于中央冷却器、海水预热器等领域,但其流道狭窄,易结垢,清洗周期短,维护费用高。脉动强化换热在提高设备换热性能的同时还具有抑垢、除垢的效果,这使得脉动强化换热技术在船舶等工业领域具有广泛的应用前景。Havemainn[1]的实验结果表明传热性能与频率、幅值、波形及流动雷诺数有关。Zohir[2]与Karamercan[3]对水平式蒸汽-水换热器的换热率进行研究,得出在过渡区脉动强化换热效果最佳的结论。 Juber[4]对管道内脉动湍流气流的传热特性进行了实验研究,结果显示Nu数受到脉动频率和雷诺数的强烈影响。Jin[5]和Jafari[6]通过实验验证了最佳脉动频率的存在。脉动强化换热机理主要概括为以下3点:1)提高流体湍流度,减薄边界层从而提高换热[7];2)周期性的压力变化使流体产生漩涡,向边界层引入强制对流;3)空化效应在产生机械作用的同时,空化泡溃灭瞬间在气泡周围微小空间形成局部热点,产生具有高化学活性和强氧化性的OH–和H2O2[8],从而具有良好的抑垢、除垢的效果。
图 1 脉动强化换热实验系统原理图Fig. 1 System schematic diagram of pulsating enhanced heat transfer experiment
实验在离心泵上加装变频器,通过变频调节泵的流量。在冷水路端设置分流,以保证主流流量的稳定。调节两支流端的球阀开度,可控制脉动振幅的大小。通过时间控制器设置电磁阀的开闭时间,从而改变脉动频率。实验选用异侧钎焊式板式换热器,以智能温控热水桶作为恒温水箱。实验选用K型热电偶插入管道内测量流体温度,选用SIN-P300压力传感器测量脉动压力振幅,选用浮子流量计测量冷却水分流流量,以体积流量法测得冷、热水流量。选用研华USB-4718数据采集卡,以Microsoft Visual Studio为平台,自主编程,建立数据可视化平台及数据库。
图 2 脉动强化换热实验系统实物图Fig. 2 System physical diagram of pulsating enhanced heat transfer experiment
冷水路换热量Qc为:
板式换热器热水路换热量Qh为:
板式换热器总传热系数K为:
定义强化换热比Em为:
实验在雷诺数Re为2 409,3 127,3 614,4 263,5 269,6 075,7 186,8 180;频率为 0.5 Hz,1 Hz,1.52 Hz,2 Hz,2.5 Hz;脉动振幅为 0.01 MPa,0.015 MPa的工况下进行。
脉动振幅A1,A2下Em与Re的关系如图3和图4所示。
图 3 脉动振幅A1下强化换热比Em与雷诺数Re的关系Fig. 3 The relationship between the reynolds number and enhanced heat exchange ratio under the pulsation amplitude of A1
图 4 脉动振幅A2下强化换热比与雷诺数的关系Fig. 4 The relationship between the reynolds number and enhanced heat exchange ratio under the pulsation amplitude of A2
在各实验工况下,Em均大于100%,即在脉动振幅A2下,脉动流均具有强化换热的效果。 由此可见,在较低脉动振幅A1下,在层流阶段,较低脉动频率的脉动流会出现弱化换热效果的现象,可能是因为在较低流速下,低频脉动流不利于流体流动的连续性;在其他稍高脉动频率下,脉动流具有较弱的强化换热效果。在过渡阶段,不同实验频率下的脉动流均具有显著的强化换热效果,且强化换热比Em出现峰值。过渡阶段为最佳强化换热区,印证了Lemlich,Baird等提出的在过渡区脉动强化换热效果最佳的结论。其原因是随着雷诺数Re的增加,流体的湍流度增加,且将脉动引入流体后,周期性的压力变化使流体产生强制对流,并通过促进旋涡的形成增加有效传热,从而将对流引入边界层。在湍流阶段,脉动流具有一定的强化换热效果,但随着雷诺数Re的增加,强化换热效果逐渐减弱。在旺盛湍流阶段,在不同实验频率下均出现脉动流弱化换热效果的现象。其原因是在较高的流速下,脉动流要与流体中已形成的高湍流度相竞争。
而脉动振幅A2下的脉动流对于板式换热器均具有强化换热的效果,且脉动频率对强化换热效果的影响较大。在层流阶段,各脉动频率下的强化换热比Em差距不大。在过渡阶段,较高脉动频率下下的强化换热比Em波动较大,且出现最大值,即脉动流达到了最佳换热效果。在旺盛湍流阶段,各脉动频率下的强化换热比Em变化较小,脉动流的强化换热效果较为稳定。
脉动振幅A1,A2下Em与f的关系如图5和图6所示。
图 5 脉动振幅A1下强化换热比Em与脉动频率f的关系Fig. 5 The relationship between the pulsating frequency and the heat exchange ratio under the pulsation amplitude of A1
图 6 脉动振幅A2下强化换热比Em与脉动频率f的关系Fig. 6 The relationship between the pulsating frequency and the heat exchange ratio under the pulsation amplitude of A2
在脉动振幅A1下,在层流及过渡阶段,脉动频率f对脉动流强化换热效果的影响较小;在湍流阶段,脉动频率f对换热效果的影响最为强烈,各雷诺数下的强化换热比Em的变化趋势有所不同;在旺盛湍流阶段,脉动频率f对强化换热效果的影响很小,同时出现脉动流弱化换热的现象。在脉动振幅A2下,在层流及过渡阶段,脉动频率f对脉动流强化换热效果的影响较小;在湍流阶段,脉动频率f对换热效果的影响最为强烈,最佳换热区在此出现;在旺盛湍流阶段,脉动频率f对强化换热效果的影响很小。
从整体来看,脉动振幅A1,A2下的强化换热比Em随雷诺数Re变化的趋势非常相似,但相比于脉动振幅A1,脉动振幅A2下强化换热比Em的变化波动更大。且脉动振幅A2下的强化换热比Em整体高于脉动振幅A1,即脉动振幅A2下脉动流对板式换热器的强化换热效果更好。这说明在实验工况下,增加脉动振幅对脉动流强化换热能力有一定的提升作用。其原因是更高的脉动振幅意味着更大的周期性压力梯度的变化,可以扭转轴流,引起更剧烈的径向分流,从而提高湍流度。
在同一工况下,脉动流达到最佳强化换热效果所在的脉动频率定义为最佳脉动频率fo。在脉动振幅A1与A2下,强化换热比Em随脉动频率f的变化关系如图7所示。
图 7 脉动振幅A1,A2下最佳脉动频率fo与雷诺数Re的关系Fig. 7 The relationship between the optimum pulsating frequency and the Reynolds number under the pulsation amplitude of A1 and A2
脉动振幅A1下的最佳脉动频率fo主要集中在2.5 Hz,而脉动振幅A2下的最佳脉动频率fo主要集中在1.5 Hz,且从整体来看,两者变化趋势相似。这表明在不同工况下,最佳脉动频率fo存在,与流体流动状态、脉动振幅等因素有关且有一定的变化规律。同一脉动振幅下造成最佳脉动频率随雷诺数变化而迁移可能是因为,在不同的脉动频率下,空化效应产生的气泡的速率以及气泡破灭的速率不同。
本文以电磁阀作为脉动源,研究低频脉动流对于板式换热器换热效果的影响,得到以下结论:
1)过渡阶段为最佳强化换热区;在旺盛湍流阶段,可能会出现脉动流弱化换热效果的现象;
2)在层流、过渡、旺盛湍流阶段,脉动频率对脉动流强化换热效果的影响较小;在湍流阶段,脉动频率对换热效果的影响最为强烈;
3)增加脉动振幅对脉动流强化换热能力有一定的提升作用,但在一些情况下,脉动流在较高脉动振幅下的强化换热效果反而降低;
4)在各实验工况下,存在最佳脉动频率fo,其值与流体流动状态、脉动振幅等因素有关;
5)总体而言,在实验工况下,脉动流具有一定的强化换热效果。实验在脉动振幅A2下,Re=4 263,f=2.5 Hz,d=50%时所获得的最佳强化换热比Em达到129.07%。
本文实验对于脉动振幅的研究范围较窄,对各脉动参数的内在联系缺乏系统的认识,只将脉动流动应用于板式换热器换热方面,今后可以将其广泛应用于柴油机冷却、电子芯片散热、柴油机余热回收等领域。