低頻脈動(dòng)強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)研究

王 軍，葛憶茹，潘朝峰，陳 寧

(江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

板式換熱器廣泛運(yùn)用于中央冷卻器、海水預(yù)熱器等領(lǐng)域，但其流道狹窄，易結(jié)垢，清洗周期短，維護(hù)費(fèi)用高。脈動(dòng)強(qiáng)化換熱在提高設(shè)備換熱性能的同時(shí)還具有抑垢、除垢的效果，這使得脈動(dòng)強(qiáng)化換熱技術(shù)在船舶等工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。Havemainn[1]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳熱性能與頻率、幅值、波形及流動(dòng)雷諾數(shù)有關(guān)。Zohir[2]與Karamercan[3]對(duì)水平式蒸汽-水換熱器的換熱率進(jìn)行研究，得出在過(guò)渡區(qū)脈動(dòng)強(qiáng)化換熱效果最佳的結(jié)論。 Juber[4]對(duì)管道內(nèi)脈動(dòng)湍流氣流的傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示Nu數(shù)受到脈動(dòng)頻率和雷諾數(shù)的強(qiáng)烈影響。Jin[5]和Jafari[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了最佳脈動(dòng)頻率的存在。脈動(dòng)強(qiáng)化換熱機(jī)理主要概括為以下3點(diǎn)：1）提高流體湍流度，減薄邊界層從而提高換熱[7]；2）周期性的壓力變化使流體產(chǎn)生漩渦，向邊界層引入強(qiáng)制對(duì)流；3）空化效應(yīng)在產(chǎn)生機(jī)械作用的同時(shí)，空化泡潰滅瞬間在氣泡周圍微小空間形成局部熱點(diǎn)，產(chǎn)生具有高化學(xué)活性和強(qiáng)氧化性的OH–和H2O2[8]，從而具有良好的抑垢、除垢的效果。

1 脈動(dòng)強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖 1 脈動(dòng)強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig. 1 System schematic diagram of pulsating enhanced heat transfer experiment

實(shí)驗(yàn)在離心泵上加裝變頻器，通過(guò)變頻調(diào)節(jié)泵的流量。在冷水路端設(shè)置分流，以保證主流流量的穩(wěn)定。調(diào)節(jié)兩支流端的球閥開度，可控制脈動(dòng)振幅的大小。通過(guò)時(shí)間控制器設(shè)置電磁閥的開閉時(shí)間，從而改變脈動(dòng)頻率。實(shí)驗(yàn)選用異側(cè)釬焊式板式換熱器，以智能溫控?zé)崴白鳛楹銣厮洹?shí)驗(yàn)選用K型熱電偶插入管道內(nèi)測(cè)量流體溫度，選用SIN-P300壓力傳感器測(cè)量脈動(dòng)壓力振幅，選用浮子流量計(jì)測(cè)量冷卻水分流流量，以體積流量法測(cè)得冷、熱水流量。選用研華USB-4718數(shù)據(jù)采集卡，以Microsoft Visual Studio為平臺(tái)，自主編程，建立數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)及數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖 2 脈動(dòng)強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig. 2 System physical diagram of pulsating enhanced heat transfer experiment

1.2 實(shí)驗(yàn)計(jì)算

冷水路換熱量Qc為：

板式換熱器熱水路換熱量Qh為：

板式換熱器總傳熱系數(shù)K為：

定義強(qiáng)化換熱比Em為：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)在雷諾數(shù)Re為2 409，3 127，3 614，4 263，5 269，6 075，7 186，8 180；頻率為 0.5 Hz，1 Hz，1.52 Hz，2 Hz，2.5 Hz；脈動(dòng)振幅為 0.01 MPa，0.015 MPa的工況下進(jìn)行。

2.1 強(qiáng)化換熱比Em與雷諾數(shù)Re的關(guān)系

脈動(dòng)振幅A1，A2下Em與Re的關(guān)系如圖3和圖4所示。

圖 3 脈動(dòng)振幅A1下強(qiáng)化換熱比Em與雷諾數(shù)Re的關(guān)系Fig. 3 The relationship between the reynolds number and enhanced heat exchange ratio under the pulsation amplitude of A1

圖 4 脈動(dòng)振幅A2下強(qiáng)化換熱比與雷諾數(shù)的關(guān)系Fig. 4 The relationship between the reynolds number and enhanced heat exchange ratio under the pulsation amplitude of A2

在各實(shí)驗(yàn)工況下，Em均大于100%，即在脈動(dòng)振幅A2下，脈動(dòng)流均具有強(qiáng)化換熱的效果。 由此可見，在較低脈動(dòng)振幅A1下，在層流階段，較低脈動(dòng)頻率的脈動(dòng)流會(huì)出現(xiàn)弱化換熱效果的現(xiàn)象，可能是因?yàn)樵谳^低流速下，低頻脈動(dòng)流不利于流體流動(dòng)的連續(xù)性；在其他稍高脈動(dòng)頻率下，脈動(dòng)流具有較弱的強(qiáng)化換熱效果。在過(guò)渡階段，不同實(shí)驗(yàn)頻率下的脈動(dòng)流均具有顯著的強(qiáng)化換熱效果，且強(qiáng)化換熱比Em出現(xiàn)峰值。過(guò)渡階段為最佳強(qiáng)化換熱區(qū)，印證了Lemlich，Baird等提出的在過(guò)渡區(qū)脈動(dòng)強(qiáng)化換熱效果最佳的結(jié)論。其原因是隨著雷諾數(shù)Re的增加，流體的湍流度增加，且將脈動(dòng)引入流體后，周期性的壓力變化使流體產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流，并通過(guò)促進(jìn)旋渦的形成增加有效傳熱，從而將對(duì)流引入邊界層。在湍流階段，脈動(dòng)流具有一定的強(qiáng)化換熱效果，但隨著雷諾數(shù)Re的增加，強(qiáng)化換熱效果逐漸減弱。在旺盛湍流階段，在不同實(shí)驗(yàn)頻率下均出現(xiàn)脈動(dòng)流弱化換熱效果的現(xiàn)象。其原因是在較高的流速下，脈動(dòng)流要與流體中已形成的高湍流度相競(jìng)爭(zhēng)。

而脈動(dòng)振幅A2下的脈動(dòng)流對(duì)于板式換熱器均具有強(qiáng)化換熱的效果，且脈動(dòng)頻率對(duì)強(qiáng)化換熱效果的影響較大。在層流階段，各脈動(dòng)頻率下的強(qiáng)化換熱比Em差距不大。在過(guò)渡階段，較高脈動(dòng)頻率下下的強(qiáng)化換熱比Em波動(dòng)較大，且出現(xiàn)最大值，即脈動(dòng)流達(dá)到了最佳換熱效果。在旺盛湍流階段，各脈動(dòng)頻率下的強(qiáng)化換熱比Em變化較小，脈動(dòng)流的強(qiáng)化換熱效果較為穩(wěn)定。

2.2 不同脈動(dòng)頻率下?lián)Q熱結(jié)果分析

脈動(dòng)振幅A1，A2下Em與f的關(guān)系如圖5和圖6所示。

圖 5 脈動(dòng)振幅A1下強(qiáng)化換熱比Em與脈動(dòng)頻率f的關(guān)系Fig. 5 The relationship between the pulsating frequency and the heat exchange ratio under the pulsation amplitude of A1

圖 6 脈動(dòng)振幅A2下強(qiáng)化換熱比Em與脈動(dòng)頻率f的關(guān)系Fig. 6 The relationship between the pulsating frequency and the heat exchange ratio under the pulsation amplitude of A2

在脈動(dòng)振幅A1下，在層流及過(guò)渡階段，脈動(dòng)頻率f對(duì)脈動(dòng)流強(qiáng)化換熱效果的影響較小；在湍流階段，脈動(dòng)頻率f對(duì)換熱效果的影響最為強(qiáng)烈，各雷諾數(shù)下的強(qiáng)化換熱比Em的變化趨勢(shì)有所不同；在旺盛湍流階段，脈動(dòng)頻率f對(duì)強(qiáng)化換熱效果的影響很小，同時(shí)出現(xiàn)脈動(dòng)流弱化換熱的現(xiàn)象。在脈動(dòng)振幅A2下，在層流及過(guò)渡階段，脈動(dòng)頻率f對(duì)脈動(dòng)流強(qiáng)化換熱效果的影響較小；在湍流階段，脈動(dòng)頻率f對(duì)換熱效果的影響最為強(qiáng)烈，最佳換熱區(qū)在此出現(xiàn)；在旺盛湍流階段，脈動(dòng)頻率f對(duì)強(qiáng)化換熱效果的影響很小。

2.3 不同脈動(dòng)振幅下?lián)Q熱結(jié)果分析

從整體來(lái)看，脈動(dòng)振幅A1，A2下的強(qiáng)化換熱比Em隨雷諾數(shù)Re變化的趨勢(shì)非常相似，但相比于脈動(dòng)振幅A1，脈動(dòng)振幅A2下強(qiáng)化換熱比Em的變化波動(dòng)更大。且脈動(dòng)振幅A2下的強(qiáng)化換熱比Em整體高于脈動(dòng)振幅A1，即脈動(dòng)振幅A2下脈動(dòng)流對(duì)板式換熱器的強(qiáng)化換熱效果更好。這說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)工況下，增加脈動(dòng)振幅對(duì)脈動(dòng)流強(qiáng)化換熱能力有一定的提升作用。其原因是更高的脈動(dòng)振幅意味著更大的周期性壓力梯度的變化，可以扭轉(zhuǎn)軸流，引起更劇烈的徑向分流，從而提高湍流度。

2.4 脈動(dòng)振幅A1，A2下的最佳脈動(dòng)頻率fo

在同一工況下，脈動(dòng)流達(dá)到最佳強(qiáng)化換熱效果所在的脈動(dòng)頻率定義為最佳脈動(dòng)頻率fo。在脈動(dòng)振幅A1與A2下，強(qiáng)化換熱比Em隨脈動(dòng)頻率f的變化關(guān)系如圖7所示。

圖 7 脈動(dòng)振幅A1，A2下最佳脈動(dòng)頻率fo與雷諾數(shù)Re的關(guān)系Fig. 7 The relationship between the optimum pulsating frequency and the Reynolds number under the pulsation amplitude of A1 and A2

脈動(dòng)振幅A1下的最佳脈動(dòng)頻率fo主要集中在2.5 Hz，而脈動(dòng)振幅A2下的最佳脈動(dòng)頻率fo主要集中在1.5 Hz，且從整體來(lái)看，兩者變化趨勢(shì)相似。這表明在不同工況下，最佳脈動(dòng)頻率fo存在，與流體流動(dòng)狀態(tài)、脈動(dòng)振幅等因素有關(guān)且有一定的變化規(guī)律。同一脈動(dòng)振幅下造成最佳脈動(dòng)頻率隨雷諾數(shù)變化而遷移可能是因?yàn)椋诓煌拿}動(dòng)頻率下，空化效應(yīng)產(chǎn)生的氣泡的速率以及氣泡破滅的速率不同。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以電磁閥作為脈動(dòng)源，研究低頻脈動(dòng)流對(duì)于板式換熱器換熱效果的影響，得到以下結(jié)論：

1）過(guò)渡階段為最佳強(qiáng)化換熱區(qū)；在旺盛湍流階段，可能會(huì)出現(xiàn)脈動(dòng)流弱化換熱效果的現(xiàn)象；

2）在層流、過(guò)渡、旺盛湍流階段，脈動(dòng)頻率對(duì)脈動(dòng)流強(qiáng)化換熱效果的影響較小；在湍流階段，脈動(dòng)頻率對(duì)換熱效果的影響最為強(qiáng)烈；

3）增加脈動(dòng)振幅對(duì)脈動(dòng)流強(qiáng)化換熱能力有一定的提升作用，但在一些情況下，脈動(dòng)流在較高脈動(dòng)振幅下的強(qiáng)化換熱效果反而降低；

4）在各實(shí)驗(yàn)工況下，存在最佳脈動(dòng)頻率fo，其值與流體流動(dòng)狀態(tài)、脈動(dòng)振幅等因素有關(guān)；

5）總體而言，在實(shí)驗(yàn)工況下，脈動(dòng)流具有一定的強(qiáng)化換熱效果。實(shí)驗(yàn)在脈動(dòng)振幅A2下，Re=4 263，f=2.5 Hz，d=50%時(shí)所獲得的最佳強(qiáng)化換熱比Em達(dá)到129.07%。

本文實(shí)驗(yàn)對(duì)于脈動(dòng)振幅的研究范圍較窄，對(duì)各脈動(dòng)參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，只將脈動(dòng)流動(dòng)應(yīng)用于板式換熱器換熱方面，今后可以將其廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)冷卻、電子芯片散熱、柴油機(jī)余熱回收等領(lǐng)域。