舰船科学技术  2019, Vol. 41 Issue (2): 106-109   PDF    
低频脉动强化换热实验研究
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
摘要: 鉴于脉动强化换热技术在提高船舶设备换热性能及除垢等方面具有广泛的应用前景,本文针对低频脉动流进行强化换热研究。实验在板式换热器冷却水端上游加入以电磁阀为脉动源的脉动流,以强化换热比表征换热效果,并改变脉动流的雷诺数、脉动频率、脉动振幅,探究各脉动参数与强化换热效果之间的关系。实验结果表明,脉动流具有强化换热效果,其强化换热能力与流体流动状态、脉动频率等因素有关;在某些工况下,脉动流会导致弱化换热。
关键词: 脉动     强化换热     脉动频率     板式换热器    
Experimental study on heat transfer enhancement of low frequency pulsation
WANG Jun, GE Yi-ru, PAN Chao-feng, CHEN Ning     
School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China
Abstract: In this paper, the low-frequency pulsating flow on the intensified heat transfer is studied in view of the application of pulsating intensified heat transfer technology has a wide application prospect in improving the heat transfer performance and scale removal of ship equipment. The pulsating flow with the electromagnetic valve as the pulsating source is added to the upstream of the cooling water end of the plate heat exchanger. The heat exchange ratio Em was used to characterize the heat transfer effect. Change the Reynolds number, pulsation frequency and pulsation amplitude of the pulsating flow to explore the relationship between the pulse parameters and the heat exchange effect. The experimental results show that the pulsating flow has the effect of enhanced heat transfer. Its enhanced heat transfer capacity is affected by the fluid flow state, pulsating frequency and other factors. In some cases, pulsating flow can lead to weaken heat transfer. In some cases, pulsating flow will lead to heat transfer weakening.
Key words: pulsating     strengthening heat transfer     pulsating frequency     plate heat exchanger    
0 引 言

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。

1 脉动强化换热实验 1.1 实验设计
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
1.2 实验计算

冷水路换热量Qc为:

$ {Q_C} = c \cdot \overline m {}_c \cdot {\overline {\Delta T} _c} = c \cdot \overline {{m_c}} \cdot \left( {\overline {{T_{co}}} - \overline {{T_{cin}}} } \right){\text{。}} $ (1)

式中: $c$ 为水的比热容,J/(kg·℃); ${\overline m _c}$ 为冷却水的平均质量流率,kg/s; ${\overline T _{co}}$ 为冷却水的平均出口水温,℃; ${\overline T _{cin}}$ 为冷却水的平均进口水温,℃。

板式换热器热水路换热量Qh为:

$ {Q_h} = c \cdot {\overline m _h} \cdot {\overline {\Delta T} _h} = c \cdot \overline {{m_h}} \cdot \left( {\overline {{T_{hin}}} - \overline {{T_{ho}}} } \right){\text{。}} $ (2)

式中: ${\overline m _{_h}}$ 为热水的平均质量流率,kg/s; ${\overline T _{ho}}$ 为热水的平均出口水温,℃; ${\overline T _{hin}}$ 为热水的平均进口水温,℃。

板式换热器总传热系数K为:

$ K = \frac{Q}{{A\Delta {t_m}}}{\text{。}} $ (3)
$ Q = \frac{{{Q_c}{Q_h}}}{2}{\text{,}} $ (4)
$ \Delta {t_m} = \frac{{\Delta {t_{\max }} - \Delta {t_{\min }}}}{{\ln \left( {\frac{{\Delta {t_{\max }}}}{{\Delta {t_{\min }}}}} \right)}}{\text{。}} $ (5)

式中: $Q$ 为冷热水侧平均换热量,W; $A$ 为总换热面积,m2 $\Delta {t_m}$ 为对数平均温差,℃; $\Delta {t_{\max }}$ 为冷热水路进口温差,℃; $\Delta {t_{\min }}$ 为冷热水路出口温差,℃。

定义强化换热比Em为:

$ {E_{\rm{m}}} = \frac{{{K_p}}}{{{K_s}}}{\text{。}} $ (6)

式中: ${K_p}$ 为脉动流动下的总传热系数; ${K_{\rm{s}}}$ 为稳态流动下的总传热系数。

2 实验结果及数据分析

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。

2.1 强化换热比Em与雷诺数Re的关系

脉动振幅A1A2EmRe的关系如图3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。

2.2 不同脉动频率下换热结果分析

脉动振幅A1A2Emf的关系如图5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。

2.3 不同脉动振幅下换热结果分析

从整体来看,脉动振幅A1A2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。

2.4 脉动振幅A1A2下的最佳脉动频率fo

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A1A2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A1A2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。

3 结 语

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。

参考文献
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