矩形翼渦流發生器排列方式對顆粒污垢的影響*

徐志明 朱新龍 楊蘇武 張一龍 劉坐東

(1．東北電力大學能源與動力工程學院；2. 華北電力大學能源動力與機械工程學院)

矩形翼渦流發生器排列方式對顆粒污垢的影響*

徐志明*1朱新龍1楊蘇武1張一龍2劉坐東2

(1．東北電力大學能源與動力工程學院；2. 華北電力大學能源動力與機械工程學院)

為探索排列方式對顆粒污垢特性的影響，以加入納米MgO顆粒的水為工質，實驗研究了不同排列方式的矩形翼渦流發生器對顆粒污垢的影響。結果表明：無論是否安裝渦流發生器，矩形通道中納米MgO顆粒污垢都沒有明顯的誘導期；在換熱面上安裝矩形翼能夠抑制顆粒垢的生成，但流動阻力卻明顯增大；攻角為90°條件下，錯排布置抑垢能力比順排布置強，攻角為45°條件下，錯排布置與順排布置抑垢能力相近，且都比同等條件攻角為90°時的強；在攻角相同的條件下，插排布置的抑垢能力最好，但其流動阻力最大，攻角不同時，45°攻角比90°抑垢能力強。

矩形翼渦流發生器 錯排 順排 納米顆粒 污垢特性

污垢是指在與流體相接觸的固體表面上逐漸積聚起來的固態物質，污垢的存在不僅增加了換熱面的傳熱阻力，同時也增加了流動阻力，給換熱設備造成巨大的經濟損失[1]。徐志明等參照國際通用算法提出了一種電站鍋爐污垢費用的計算方法，并按照該方法推算出2000年我國由于鍋爐污垢導致的經濟損失約為100.08億元[2]。在液側，顆粒污垢是一種常見的污垢類型，朱華等研究了銅質內置螺紋管的污垢特性，并通過比較實際冷卻水污垢和顆粒污垢的實驗數據，解釋了兩者之間存在差異的主要原因[3]。田磊等研究發現微生物污垢和顆粒污垢間存在多重性交互作用，隨顆粒濃度的增高污垢質量增加，但污垢熱阻呈先上升后下降的趨勢[4]。王建國等通過研究顆粒垢和析晶垢在縮放管中的污垢性能，得出了與光管相比縮放管的阻垢特性更好，但其誘導期小于光管的結論[5]。Abd-Elhady M S等研究表明在低流速條件下小粒徑顆粒比大粒徑顆粒更容易沉積到換熱壁面上[6]。徐志明等通過對板式換熱器顆粒污垢特性的實驗研究得出板式換熱器顆粒污垢無明顯誘導期，并分析了顆粒粒徑、濃度、流速和溫度對污垢熱阻漸近值的影響[7]。

作為一種常見的被動式強化換熱元件，翼型渦流發生器被廣泛使用。Fiebig M研究發現當矩形翼的攻角為90°時產生的主要是橫向渦，攻角為45°時產生強烈的縱向渦[8]。楊澤亮和姚剛通過對水平矩形通道內縱向渦發生器強化換熱的研究得出縱向渦發生器是強化平板換熱的有效形式，發生器布置的方式、排數和攻角都會影響強化換熱效果[9]。田林等研究表明縱向渦發生器后垂直于主流方向的橫向流動大幅增加，渦量成千倍的增加，遠大于光通道，從而產生較強的擾動[10]。Hsiao K Y等研究認為縱向渦發生器在影響流體混合度方面的因素及其重要程度關系為：不對稱系數>攻角>矩形翼高度>間距[11]。Jang J Y等研究認為在順排布置的管翅式換熱器上安裝縱向渦發生器得到的強化換熱效果優于將其安裝在錯排布置的管翅式換熱器上時的效果[12]。蔣春龍通過對帶有順排、錯排擾流片的矩形通道進行實驗研究得出：在相同的雷諾數下，錯排擾流片比順排擾流片具有更好的強化換熱效果[13]。高猛和周國兵通過對幾種渦流發生器對矩形通道流阻和傳熱性能影響的數值模擬，發現矩形小翼的強化換熱能力最強但其流動阻力也最大[14]。徐志明等通過對幾種翼型渦流發生器對CaCO3污垢特性影響的數值模擬，得出換熱面單位面積結垢量與翼型渦流發生器的攻角和間距都有較大的關系[15]。目前對翼型渦流發生器的研究多針對強化換熱方面，尤其是空氣側的強化換熱，而翼型渦流發生器對液側顆粒污垢特性的研究卻很少，筆者通過改變矩形翼的布置方式(順排、錯排和插排)和攻角大小(90、45°)來研究翼型渦流發生器對納米顆粒垢污垢特性的影響。

1 實驗系統與原理

1.1 實驗系統與裝置

實驗系統如圖1所示，主要包括恒溫水浴、實驗段循環回路、冷卻循環回路和數據采集系統部分。恒溫水浴由3根加熱棒和一個恒溫水箱組成，通過溫控儀來控制加熱棒，以確保恒溫水箱中工質的溫度維持在設定范圍之內；實驗段循環回路低位水箱中的工質通過循環水泵被輸送到高位水箱，工質在高位水箱中受重力作用經過管道流入實驗段，實驗段浸沒于恒溫水浴中，從實驗段流出的工質再流入低位水箱中，如此不斷循環，其中溢流板的作用是保證高位水箱中的工質水位恒定，以確保入口條件相同；冷卻循環回路用于冷卻從實驗段流入低位水箱中的工質，以保證進入實驗段的工質溫度保持恒定，該循環回路包括兩個冷卻裝置，一是冷水機水冷冷卻，用于粗調，二是風機風冷冷卻，用于微調；數據采集系統用于采集和記錄從測量裝置得到的實驗數據，以便分析實驗結果。

圖1 實驗系統

1.2 實驗段與矩形翼布置

矩形通道模型如圖2所示，通道尺寸為1000mm×100mm×8.5mm，工質在所形成的矩形槽中流動，圖中箭頭表示工質流動方向。換熱面是尺寸為1000mm×100mm的兩個面，換熱面材料是304不銹鋼板，厚度為0.5mm，其余四面是將一塊PVC塑料板挖空形成的。實驗時矩形通道是豎直放置的，其作用有：使兩換熱面受熱狀態一致；避免污垢在重力作用下直接沉積到換熱面，影響實驗結果的準確性。由于矩形通道左右側面狹窄，因此進出水口均布置在前后兩換熱面上。

圖2 矩形通道示意圖

實驗采用的翼型渦流發生器為矩形翼，矩形翼示意圖如圖3所示，高寬比為1∶5，材料與換熱面材料相同，為304不銹鋼，厚度為0.3mm。

圖3 矩形翼示意圖

矩形翼在換熱面上的基本布置尺寸如圖4所示，以換熱面長軸線為對稱軸成對布置，兩翼片前端間距為20mm，第一排與入口處間距為150mm，排與排間距為90mm，為了保證渦流發生器安裝尺寸，渦流發生器均安裝在一塊換熱面上，另外一片與其相對的面為光板，圖中箭頭表示工質的流動方向。

圖4 矩形翼在換熱面上的基本布置尺寸

文中矩形翼的布置形式分為順排、錯排和插排3種，3種布置方式均采用45°和90°兩種攻角，共有6種布置方式(圖5)。A、B、C安裝攻角均為90°，其中A為順排布置，其尺寸如圖4所示；B為錯排布置，與A相比是將其上面一列統一向后移動45mm，構成錯排，具體尺寸參考A；C為插排布置，與A相比是在每兩排之間又插入了一個矩形翼，從而構成插排，增加的單個矩形翼位于兩排之間的中間位置，具體尺寸參考A；A、B、C是安裝攻角為45°時的順排、錯排和插排布置，除攻角不同之外，其他尺寸與A、B、C分別對應相同。

圖5 矩形翼布置類型

1.3 實驗原理

單位時間內流經實驗段的換熱量Φ為：

Φ=ρvscp(tfo-tfi)

(1)

總傳熱系數K的表達式為：

(2)

因此，總傳熱系數K為：

(3)

其中，ρ為流體的密度，kg/m3；v為流體的流速，m/s；s為矩形通道的截面積，m2；cp為流體的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；tfo為流體流出矩形通道時的溫度，℃；tfi為流體進入矩形通道時的溫度，℃；A為換熱面的總面積，m2；Δtm為對數平均溫差，℃。

對數平均溫差Δtm的表達式為：

(4)

其中，tsy為恒溫水浴溫度，℃。

污垢熱阻Rf的表達式為：

(5)

式中k——有污垢狀態下的總傳熱系數，W/(m2·℃)；

k0——清潔狀態下的總傳熱系數，W/(m2·℃)。

2 實驗結果與分析

2.1 流動阻力特性

圖6所示為6種布置方式和光板(沒有安裝矩形翼的換熱面)條件下矩形通道進出口壓差隨雷諾數的變化，從圖6可以看出，安裝矩形翼后實驗段進出口壓差明顯增加，即流動阻力明顯增大，同時由于矩形翼布置方式的不同，實驗段進出口壓差也不盡相同，具體順序為：C(插排90°)>C(插排45°)>B(錯排90°)>B(錯排45°)>A(順排90°)>A(順排45°)，比較A、B和A、B可知，在排數相同、間距相同的條件下錯排布置帶來的流動阻力要比順排布置更大，在其他條件相同、攻角不同的情況下，45°攻角所造成的阻力更小一些，隨雷諾數的增大不同布置形式的壓降差別增大。

圖6 實驗段進出口壓降隨雷諾數變化

2.2 污垢特性

在相同的工況、相同的顆粒垢濃度下對A、B、C、A、B、C和光板7種布置進行了污垢實驗。工況參數為：流速v=0.1m/s，水浴溫度tsy=45℃，實驗段入口溫度tfi=28.5±0.5℃。實驗所用MgO顆粒粒徑為50nm，實驗用水為自來水，人工配置顆粒垢溶液濃度CMgO=400mg/L。圖7為7種布置在污垢實驗中得到的污垢熱阻曲線，從圖中可以看出，7種布置形式下納米顆粒垢均沒有明顯的誘導期，污垢類型均為漸進型。光板的污垢熱阻值比其他6種布置大得多，說明在換熱面上安裝翼型渦流發生器能抑制顆粒垢的生成，再比較這6種安裝有渦流發生器的情況，可以看出所得到的污垢熱阻漸近值也不同，這些不同是由翼型渦流發生器的排列和攻角的改變造成的，也就是說不同的布置其抑制顆粒垢的能力也不同。

圖7 7種布置污垢狀態下污垢熱阻曲線

為了更清楚地分析矩形翼布置的不同和攻角的改變對顆粒垢污垢特性的影響，將A、B、C和A、B、C分別進行比較。

圖8是攻角為90°時順排、錯排和插排3種布置得到的污垢熱阻，可知3種布置的污垢熱阻漸近值為：A(順排90°)時約8.0×10-4(m2·K)/W，B(錯排90°)時約7.0×10-4(m2·K)/ W，C(插排90°)時約5.5×10-4(m2·K)/ W。說明在這3種布置中插排布置抑制顆粒垢能力最好，順排最差，但同時從圖6可以看出，插排布置造成的壓力損失卻也是最大的。圖9a為順排布置時結垢后的圖片，從圖中可以看出，矩形翼周圍的污垢層比較薄，并有一定的流跡，這些流跡的形成是由于工質流動時會在矩形翼周圍形成大量的橫向渦，這使流體的擾動增強，從而使納米MgO顆粒受到的剪切力增大，使其難以附著在換熱面上，因此有橫向渦存在的地方顆粒垢垢層就較薄，由于橫向渦只存在于矩形翼的周圍而不能傳遞到更遠的地方[8]，所以只有在矩形翼的周圍才有這些流跡。對比A和B，對順排布置來說，同排的兩個矩形翼產生的橫向渦有一個重合的區域，該區域擾動強烈，顆粒垢較少，但由于橫向渦重合使橫向渦影響的范圍減少，而對于錯排布置，由于矩形翼都相互錯開，因此其產生的橫向渦沒有重合區域(圖9b)，因此相比而言，錯排布置時矩形翼產生橫向渦的影響范圍比順排布置時的大，而由于橫向渦的存在能夠減少顆粒垢的生成，因此錯排布置時的污垢量要比順排布置時小。由于橫向渦不能傳遞，因此對于順排布置每兩排之間的區域基本不受橫向渦的影響，顆粒垢較多，插排布置相當于在兩排之間的區域安裝了一個矩形翼，在這個矩形翼周圍產生了橫向渦，帶來了強烈的擾動，從而使這一區域的污垢量明顯減少，圖8顯示插排布置時得到的污垢熱阻漸近值最小，說明總體來看插排布置時矩形翼產生橫向渦的影響范圍最大，抑垢能力最強。

圖8 攻角為90°時的污垢熱阻

圖9 攻角為90°時的結垢圖片

如圖10所示，是當攻角為45°時順排、錯排和插排3種布置得到的污垢熱阻，從圖中可以看出3種布置的污垢熱阻漸近值分別為：A(順排45°)≈6.3×10-4(m2·K)/ W，B(錯排45°)≈6.0×10-4(m2·K)/ W，C(插排45°)≈4.0×10-4(m2·K)/ W。在相同布置方式下與90°攻角相比，45°攻角得到的污垢熱阻漸近值更小，說明其抑垢能力更好。同時還可以看出，當攻角為90°時，錯排布置比順排布置得到的污垢熱阻漸近值小14.3%，而在45°攻角時兩者的污垢熱阻曲線重合部分較多，污垢熱阻漸近值相差僅為5.0%，兩者相差變小。圖11為矩形翼順排布置攻角為45°時的污垢圖片，從圖11a、b可以看出在矩形翼末端沿流動方向有一條流跡(圖11b為順排45°布置時，與安裝有矩形翼換熱面相對的光板面的污垢圖片)，由文獻[8]可知，矩形翼攻角為45°時，能產生強烈的縱向渦，縱向渦能夠延伸到下游較遠的區域，與橫向渦類似，縱向渦使流體擾動增強，納米MgO顆粒受到的剪切力增大，使其難以附著在換熱面上，污垢量減少，不同的是橫向渦只存在于矩形翼周圍，而縱向渦則能夠傳遞的較遠，能傳遞到下游與之相鄰的矩形翼，影響范圍更大。同時比較攻角為90°和45°時形成的流跡，可以看出攻角為45°順排布置時流跡不會產生重合區，也就是說錯排布置與順排布置縱向渦的影響范圍差別不大。如圖11c所示，對于插排布置可以從兩方面來分析，第一，與90°攻角時相同，每兩排之間安裝的矩形翼在其周圍產生了大量的橫向渦，帶來了強烈的擾動，從而使這一區域的污垢量明顯減少；第二，該矩形翼還能產生少量的縱向渦，它能強化前一排渦流發生器產生的縱向渦，使擾動增強，從而使其抑垢能力更強。

圖10 攻角為45°時的污垢熱阻

圖11 攻角為45°時的污垢圖片

3 結論

3.1無論是否安裝渦流發生器，矩形通道中納米MgO顆粒污垢都沒有明顯誘導期。

3.2在實驗段換熱面安裝矩形翼渦流發生器能夠抑制納米MgO的生成，但卻產生了較大的流動阻力。

3.3在攻角為90°，間距和排數相同的條件下，錯排布置要比順排布置具有更好的抑制顆粒垢能力，但其流動阻力卻也相對更大一些；在攻角為45°條件下，錯排布置與順排布置的抑垢能力相近，且都比同等條件下攻角為90°時的抑垢能力強。

3.4在攻角相同的條件下，插排布置的抑垢能力最好，但其流動阻力最大，攻角不同時，45°攻角比90°抑垢能力強。

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EffectofRectangularly-wingedVortexGenerators’ArrangementModeonParticulateFoulingCharacteristics

XU Zhi-ming1, ZHU Xin-long1, YANG Su-wu1, ZHANG Yi-long2, LIU Zuo-dong2

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China;2.CollegeofEnergyandPowerandMechanicalEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)

In order to investigate the arrangement mode’s effect on particle’s fouling characteristics, the water mixed with nanoscale MgO particles was taken as the working medium to research this effect. The results show that no matter whether the vortex generator was installed, the nanoscale MgO particle in the rectangular channel has no obvious induction period; installing the rectangularly-winged vortex generator on the heat transfer surface can inhibit the fouling formation and result in the increase of the flow resistance; as for the attack angle of 90°, the anti-scaling capability of staggered arrangement outperforms that of the aligned arrangement; regarding the angle of attack of 45°, both staggered and aligned arrangements has same anti-scaling ability and becomes better than that at the 90°attack angle; at the same angle of attack, the staggered arrangement has the best anti-scaling ability and the biggest flow resistance; when the attack angle differs, the 45°attack angle outperforms the 90° attack angle in the scale suppression.

rectangularly-winged vortex generator,staggered arrangement, aligned arrangement, nanoscale particles, fouling characteristic

TQ051.1

A

0254-6094(2016)01-0028-06

*國家自然科學基金資助項目(51076025)。

**徐志明，男，1959年4月生，教授。吉林省吉林市，132012。

2015-03-12，

2016-01-10)