換熱表面矩形翼布局對顆粒污垢與流阻特性的影響*

張一龍 王樂君 韓志敏 徐志明

(東北電力大學 a.自動化工程學院；b.能源動力工程學院)

換熱表面矩形翼布局對顆粒污垢與流阻特性的影響*

張一龍**a王樂君a韓志敏b徐志明b

(東北電力大學 a.自動化工程學院；b.能源動力工程學院)

為研究矩形通道內部流動阻力與顆粒污垢間的關系，通過改變渦流發生器的布局方式，改變通道內部壓降，研究渦流發生器對流阻和污垢熱阻的影響，進而實現流阻與污垢熱阻的關聯研究。通過實驗得出，在布置區間改變過程中，污垢熱阻漸近值與結垢前后的壓降差呈同相變化。在改變交錯方式過程中，污垢熱阻漸近值隨壓降的增加而減小。

換熱器 渦流發生器 顆粒污垢 流動阻力 污垢熱阻

換熱器作為能源行業的主要熱力設備，在電力、化工、冶金領域有著廣泛的應用。渦流發生器最初提出時，主要應用于空氣動力學領域。經過多年的研究發展，其應用逐步擴展到強化傳熱方面。Habchia C通過計算3類12種渦流發生器的傳熱特性，總結出了摩擦系數和Nu數的關系[1]。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[2]。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要優于安裝在錯排布置的管翅式換熱器上[3]。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°時能產生強烈的縱向渦[4]。周國兵等以實驗和模擬兩種方法，研究不同傾角的渦流發生器在不同雷諾數下對換熱和壓降的影響[5～7]。何雅玲等通過研究縱向渦發生器在管翅式換熱器中的應用并優化得出矩形小翼對翅片式換熱器空氣側換熱提升幅度高于阻力增加幅度[8]。

據統計，九成以上的換熱器均存在不同程度的污垢問題[9]。根據研究發現，渦流發生器的渦旋理論同樣對于換熱器污垢有抑制的效果。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不存在明顯的誘導期，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[10]。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[11]。Zhang G等研究發現波形板換熱器的水力半徑越大、螺距比越高其抑制顆粒垢的能力越強[12]。田磊等研究表明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趨勢[13]。

目前對翼型渦流發生器的研究多表現在強化換熱方面與空氣動力學方面，但對于渦流發生器所帶來的流阻與污垢特性的關聯分析研究較少。筆者通過改變換熱表面矩形翼的布局改變通道內部流阻，實現顆粒污垢與流阻的關聯分析。

1 實驗系統與方案

1.1實驗系統與裝置

實驗臺系統如圖1所示，由恒溫水浴、換熱循環回路和數據采集系統3部分構成。

恒溫水浴是由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，確保恒溫水箱中工質的溫度維持在設定溫度范圍內。換熱循環回路包括換熱面污垢沉積部分和冷卻循環部分。數據采集系統主要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 實驗臺系統

1.2實驗通道及流阻改變方式

矩形翼渦流發生器布置于尺寸為1000mm×100mm×8.5mm的矩形通道之中，矩形通道示意圖如圖2所示。為使兩換熱面受熱狀態一致，避免污垢的重力作用影響實驗結果，實驗過程中需使矩形通道呈豎直狀態。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。實驗中所采用的矩形翼示意圖如圖3所示，高寬比為1∶5，材料與換熱面材料相同，均為304不銹鋼，厚度為0.3mm。

圖2 矩形通道示意圖

圖3 矩形翼示意圖

為研究流動過程中流阻與污垢熱阻之間的關系，通過布置渦流發生器改變通道內部流阻。改變流阻方式分為兩類，第1類是通過改變渦流發生器的布局區間改變通道內部流阻，布置形式如圖4所示；第2類是通過改變渦流發生器的交錯方式改變通道內部流阻，布置形式如圖5所示。

圖4 第1類布置形式示意圖

圖5 第2類布置形式示意圖

1.3實驗原理

單位時間內流經實驗段的換熱量Φ可表示為：

Φ=ρvscp(tfo-tfi)

(1)

式中cp——流體的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；

s——矩形通道的截面積，m2；

tfi——流體進入矩形通道時的溫度，℃；

tfo——流體流出矩形通道時的溫度，℃；

v——流體的流速，m/s；

ρ——流體的密度，kg/m3。

總的傳熱系數K表達式為：

(2)

即：

(3)

式中A——換熱面的總面積，m2；

Δtm——對數平均溫差，℃。

對數平均溫差Δtm表達式為：

(4)

式中tsy——恒溫水浴溫度，℃。

污垢熱阻Rf表達式為：

(5)

式中k——有污垢狀態下總的傳熱系數，W/(m2·℃)；

k0——清潔狀態下總的傳熱系數，W/(m2·℃)。

2 實驗結果與分析

2.1布置區間對流阻與污垢特性的影響

2.1.1渦流發生器對流阻的影響

圖6為第1類布置形式下實驗段進出口壓降Δp隨雷諾數Re的變化，由于實驗段截面是矩形，因此雷諾數Re計算表達式中的特征尺寸選取的是矩形通道當量直徑，當量直徑de計算表達式為：

(6)

式中Ac——通道換熱面積，m2；

p——矩形通道截面周長，m。

圖6 實驗段進出口壓降隨雷諾數變化

從圖6可以看出，B(前密后疏)、C(前疏后密)、D(全排列)的壓降都比A(光板)的大，說明安裝過矩形翼后實驗段內工質流動阻力明顯增加，其中D的阻力增加最為明顯。觀察圖中曲線可知，隨雷諾數的增加，4條曲線的斜率都在不斷增大，說明隨流速的增加流動阻力的增長速率越來越大，于此同時，可以看出在低雷諾數時4種不同布置的壓降雖有所不同，但差異不是很大，隨雷諾數的增大B、C、D與A的壓降之差逐漸增大，且D與其他布置拉開的距離最大，說明隨著湍流程度的加強，不同布置所造成的壓力損失增長速率是不同的，矩形翼安裝的數量越多壓力損失增長率越大。

值得注意的是B、C，從圖6可以看出B的實驗段進出口壓降要略高于C，而在布置方式上B和C同樣是安裝了6排矩形翼渦流發生器，間距和尺寸均相同，唯一的差別就在于B中的矩形翼布置在了矩形通道的上游即前半段，而C中的矩形翼布置在了矩形通道的下游即后半段，可以認為這個差別就造成了B、C實驗段進出口壓降的不同，而且從實驗結果可以看出在相同的條件下，前疏后密的布置形式在降低工質流動阻力這一方面要優于前密后疏的布置形式，筆者所得到的這一結論與文獻[14]得到的結果一致。而對于這一結論文獻[15]給出了解釋，提出了流動區域內流動速度與速度梯度協同的概念，并在這個基礎上，提出了流體流動的機械能耗散原理，該原理指出流體在流動過程中所受的阻力不僅受流動速度和速度梯度的影響，同時與它們之間的協同程度也有很大的關系。在整個流動區域內，流動速度與速度梯度的協同程度越低，流體阻力也越小，也就是說當流體的進口流量或速度給定時，速度場和速度梯度場在整個流動區域內的協同程度越差，則流體的流動阻力越小。因此，基于實驗結果來說，B、C兩種布置進出口壓降之所以不同可以歸結為兩種布置得到的速度場與速度梯度的協同度不同，且前疏后密要比前密后疏布置差，故得到的進出口壓降要小一些。

2.1.2渦流發生器對污垢熱阻的影響

在相同的工況，相同的顆粒垢濃度下對A、B、C、D4種布置形式進行了污垢實驗，其中工況參數分別為：流速v=0.1m/s，水浴溫度tsy=45℃，實驗段入口溫度tfi=28.5±0.5℃。實驗所用氧化鎂顆粒粒徑為50nm，人工配置顆粒垢溶液濃度為CMgO=200mg/L。

圖7為4種布置所得到的污垢熱阻曲線，從圖中可以看出納米顆粒垢沒有明顯的誘導期，結垢類型為漸近型，在初始階段污垢的沉積速率比剝蝕速率要大，隨時間的增長沉積速率減少剝蝕速率增加，這一階段污垢熱阻值上升，到最后沉積速率會與剝蝕速率相等，也就是說達到了動態平衡，污垢熱阻值不變，即污垢熱阻達到漸近值。4種布置達到漸近值所需時間也都各不相同，其中光板布置所需時間大約為13h，前密后疏布置所需時間為21h，前疏后密布置所需時間為15h，全排列布置所需時間為7h。4種布置的熱阻漸近值約是，A(光板)：10×10-4(m2·K)/W，B(前密后疏)：6×10-4(m2·K)/W，C(前疏后密)：3.5×10-4(m2·K)/W，D(全排列)：1.5×10-4(m2·K)/W。污垢熱阻值最小的為全排列布置，最大的為光板，且幾乎是全排列布置時的7倍，B和C兩種布置處于中間值，其中B布置要高于C布置。

圖7 4種布置的污垢熱阻值

比較A(光板)和D(全排列)兩種布置的污垢熱阻值可知，D的污垢熱阻值要比A小很多，從數據上可以判斷，光板時換熱面上的結垢量要比全排列時多很多，說明在換熱面上布置翼型渦發生器不僅能夠強化換熱而且在含有顆粒垢的工質中運行結垢量更少，其性能更要優于光板。圖8給出了兩種布置情況下結垢后的圖片，可以看出光板時產生的垢層比較厚實，幾乎完全將換熱面覆蓋，而全排列時產生的垢層比較薄，而且細小，換熱面基面能夠顯現出來。以上兩點充分說明了D布置的結垢量要明顯少于A布置，也就是說在換熱面上安裝矩形翼渦流發生器能夠抑制顆粒污垢的生成。對于這一現象可以解釋為：攻角為90°的矩形翼渦流發生器在工質流動時在其周圍能夠產生大量的橫向渦，這些渦旋的存在會給流體帶來強烈的擾動，納米MgO顆粒受到的剪切力增大，使其難以附著到換熱面，從而抑制了顆粒垢的生成。除此之外，納米MgO顆粒粒徑較小，工質在流動過程中顆粒受到的水分子作用力不能被忽略，布朗運動顯著，這些顆粒在相互碰撞過程中會積聚變成更大粒徑顆粒，附著到換熱面上則形成了污垢，當換熱面上安裝有矩形翼后，實驗段內工質擾動增強，小顆粒積聚形成的大顆粒更容易被剝蝕掉，也就是說大顆粒不容易附著到換熱面上形成污垢，而小顆粒受到的影響不大，這就解釋了光板時所形成的顆粒垢比較厚實且粒徑較大而全排列時所形成的顆粒垢比較薄且細小的原因。

圖8 A、D兩種布置時結垢圖片

從之前的數據可以看出，不管是在減小流動阻力方面還是在強化換熱方面，與前密后疏布置相比前疏后密布置具有更優越的特性，圖7則給出了在污垢狀態下B(前密后疏)、C(前疏后密)兩種布置的污垢熱阻曲線，圖中所示B的熱阻漸近值要高于C，且幾乎為C的兩倍，說明在污垢狀態下前疏后密布置仍然比前密后疏布置性能優越，其具有更好抑垢性，前疏后密布置同樣適合在含有顆粒垢的工質中使用。

圖9是B和C兩種布置換熱面的結垢圖片，分別觀察B、C兩種布置安裝矩形翼的區域和未安裝矩形翼的區域，可以看出B和C安裝矩形翼的部分結垢量都不大而且差別也很小，而對于未安裝矩形翼的光板區，B、C結垢量都較大，因此可以認為B和C的污垢熱阻的大小主要是由其未布置渦流發生器的部位決定的。同時可以看出，與C相比B的污垢形態更為厚實一些且污垢顆粒更大一些。從圖7來看B的熱阻值高于C，這主要也是由B的光板區域結垢量大于C的光板區域的結垢量造成的。

圖9 B、C兩種布置時結垢圖片

對于這一現象可以解釋為：含有污垢的工質在矩形通道中流動的時候會被不斷加熱，也就是說矩形通道中后半段的工質溫度要比前半段高，工質溫度越高布朗運動越強，納米MgO顆粒運動到換熱面的機會增加，而小粒徑顆粒容易沉積到壁面形成污垢，也就是說相同條件下，后半段要比前半段容易結垢，而從前面可以知道B、C結垢的部分主要集中在光板區，而B的光板區位于換熱面的后半段，C的光板區位于換熱面的前半段，因此B的后半段要比C的前半段更容易結垢，同時，B的前半段安裝的由矩形翼渦流發生器，C的前半段為光板，從上一節的分析可知在換熱面上安裝渦流發生器能夠有效強化換熱，這也就是說B后半段工質溫度要更高一些，其布朗運動更強烈一些，這也就更加促使了B后半段污垢的生成，綜上所述，B的光板區要比C的光板區結垢量大。

由上述結果可知，不管是在強化換熱方面還是在抑制顆粒污垢方面，前疏后密布置都要優于前密后疏布置，但考慮到結垢受眾多因素的影響，因此對污垢特性還需要進一步的研究，文中實驗結果是在加熱狀態下得到的，對于冷卻狀態下是否仍然具有這一特性，則需要進一步的研究進行說明。

2.1.3熱阻與流阻的相關性分析

通過布置區間的改變帶來壓降的變化與熱阻之間并不存在直接的線性關系，但是將4種布置分別進行含垢和不含垢的壓降測定后，得到壓差變化(表1)。進而得出壓差變化與污垢熱阻變化的關系(圖10)。伴隨壓差變化增加，顆粒污垢熱阻漸近值呈上升變化。分析其原因，主要是因為換熱面結垢后矩形通道變窄，工質在流動過程中沿程阻力損失增加。4種布置比較來看，A結垢前和熱阻達到漸近值后壓差變化最大，D變化最小，B和C次之，其中B又大于C，從前面的污垢熱阻分析可以知道4種布置結垢量大小關系為A>B>C>D，而4種布置結垢前后壓差變化大小關系同樣為A>B>C>D，說明結垢前與熱阻達到漸近值后壓差變化的大小在一定程度上也反映了結垢量的大小。

表1 結垢前與熱阻達到漸近值后 實驗段進出口壓差變化

圖10 結垢前后壓降變化差與污垢熱阻關系

2.2布置的交錯方式對流阻與污垢影響

2.2.1渦流發生器對流阻的影響

圖11所示為第2類布置形式和光板(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變化，從圖中可以看出安裝矩形翼后實驗段進出口壓差明顯增加，也就是說流動阻力明顯增大，同時由于矩形翼布置方式的不同，實驗段進出口壓差也是不盡相同的，可以看出C(插排90°)>B(錯排90°)>A(順排90°)，比較A和C兩種布置可知，在排數相同、間距不變的條件下錯排布置要比順排布置帶來的流動阻力更大一些。從圖中曲線斜率可以看出隨雷諾數增大不同布置形式的壓降差別越來越大。

圖11 實驗段進出口壓降隨雷諾數變化

2.2.2渦流發生器對污垢熱阻的影響

攻角為90°時，A(順排)、B(錯排)和C(插排)3種布置得到的污垢熱阻曲線如圖12所示，從圖中可以看出3種布置達到漸近值所需的時間相差不大，基本上都在十七小時左右，其中污垢熱阻漸近值分別為，A(順排90°)：8×10-4(m2·K)/W，B(錯排90°)：7×10-4(m2·K)/W，C(插排90°)：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11可以看出插排布置造成的壓力損失卻也是最大的，因此，在選擇渦流發生器布置的時候應該綜合考慮其抑垢效果和流動阻力。

圖12 攻角為90°時的污垢熱阻曲線

順排布置時結垢后的圖片如圖13a所示，從圖片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，橫向渦使流體的擾動增強，從而使納米MgO顆粒受到的剪切力增大，MgO顆粒就更容易被沖刷掉，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。根據文獻[16]所述，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，所以只有在矩形翼的周圍才有這些流跡。對比A、B兩種布置方式，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，但由于橫向渦的重合則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，因此產生的橫向渦沒有重合的區域，錯排布置時矩形翼產生橫向渦的影響范圍比順排布置時大，而由于橫向渦的存在能夠減少顆粒垢的生成，所以說錯排布置時的污垢量要比順排布置時少，這也正好解釋了B(錯排90°)的污垢熱阻漸近值要小于A(順排90°)。由于橫向渦不能傳遞，因此對于順排布置來說每兩排之間的區域基本不受橫向渦的影響，因此該區域顆粒垢較多，插排布置相當于在兩排之間的區域安裝了一個矩形翼，這個矩形翼在其周圍產生了橫向渦，帶來了強烈的擾動，從而使這一區域的污垢量明顯減少，而對于B和C之間的比較，由圖12可以知道插排布置時得到的污垢熱阻漸近值最小，說明總體來看C(插排90°)布置時矩形翼產生橫向渦的影響范圍比B(錯排90°)布置時大，抑垢能力更強。

圖13 3種布置的結垢圖片

2.2.3關聯分析

通過交錯方式改變通道內部壓降方式，得到污垢熱阻漸近值與壓降呈現出近似線性的變化情況，如圖14所示。伴隨通道內部壓降的增加，熱阻呈現下降的狀態。通過改變交錯具有良好的抑垢的效果，但是通道內部阻力同樣呈現出線性的增加，并且在所做的實驗范圍內，此種趨勢呈線性變化規律，并未出現減緩的趨勢。

圖14 壓降與污垢熱阻關系

3 結論

3.1在換熱面布置渦流發生器可以有效抑制顆粒污垢的沉積，但是卻產生了不同程度的流動阻力的增加。

3.2在改變布置區間的實驗中，伴隨結垢前后的壓降差增加，污垢熱阻漸近值呈現增加趨勢。在壓降差較低的階段，熱阻變化較小。

3.3在改變布置交錯方式的實驗中，壓降與污垢熱阻漸近值呈現線性下降的狀態。在實驗區間內熱阻隨壓降并未出現平穩的趨勢。

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EffectsofRectangularWingLayoutatHeatExchangeSurfaceonDirtParticles’FlowResistanceCharacteristics

ZHANG Yi-longa, WANG Le-juna，HAN Zhi-minb, XU Zhi-mingb

(a.SchoolofAutomationEngineering; b.SchoolofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

For purpose of investigating the relationship between internal flow resistance and dirt particles within the rectangular channel, having the layout of vortex generator and the channel’s internal pressure drop amended to analyze the vortex generator’s effects on both convective resistance and fouling resistance was implemented, including the association studies on the flow resistance and fouling resistance. Experimental results show that, in the process of changing the layout, the fouling resistance’s gradual value changes similarly to the pressure drop difference before and after the scale formation; and in the process of changing the way of interlaced, the fouling resistance’s gradual value decreases with the increase of the pressure drop.

heat exchanger, vortex generator, particle fouling, flow resistance, fouling resistance

*國家自然科學基金項目(51476025)，東北電力大學博士科研基金項目(BSJXM-201513)。

**張一龍，男， 1983年12月生，講師。吉林省吉林市，132012。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)05-0589-08

2015-09-18，

2016-08-26)