周 麗，張東輝，王劍橋，丁玉鑫,2

(1. 江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 武昌船舶重工集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430060)

0 引 言

近年來(lái)，船用換熱設(shè)備的傳熱強(qiáng)化和防結(jié)垢問(wèn)題已越來(lái)越引起重視。目前船舶上很多換熱設(shè)備，為節(jié)省空間和提高換熱增強(qiáng)因子，也趨于用板式換熱器替代殼管式換熱器，但板式換熱器流道非常狹窄，造成使用過(guò)程中易結(jié)垢，清洗周期短，維護(hù)費(fèi)用高。

正是由于這些矛盾因素。作為強(qiáng)化傳熱技術(shù)的一個(gè)分支，脈動(dòng)流技術(shù)在換熱設(shè)備中的應(yīng)用受到關(guān)注。目前來(lái)看，船舶行業(yè)還沒(méi)有應(yīng)用脈動(dòng)流對(duì)換熱設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)化換熱和除垢的先例。在國(guó)外，近十年來(lái)，美國(guó)能源部為解決高熱流密度器件的冷卻問(wèn)題，在脈動(dòng)技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)品化方面投入了大量經(jīng)費(fèi)，ACT公司研究表明[1]，脈動(dòng)頻率位于20 Hz時(shí)，脈動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)1 300 W/cm2散熱熱流密度，而同樣尺寸的銅/水熱管的散熱器能力只能達(dá)到40 W/cm2。俄羅斯摩爾多瓦大學(xué)[2]對(duì)脈動(dòng)裝置也進(jìn)行了長(zhǎng)期而深入的研究，研發(fā)了以限流閥和隔膜泵為脈動(dòng)源的換熱系統(tǒng)，目前已廣泛應(yīng)用于采暖、柴油機(jī)廢熱回收等領(lǐng)域。Blel等[3，4]在2009年對(duì)Limlech[5]的系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，將自動(dòng)控制閥與單向閥并聯(lián)，這樣可保證運(yùn)行時(shí)管路中有一最小流量。研究中發(fā)現(xiàn)了脈動(dòng)流除垢的機(jī)理。針對(duì)食品行業(yè)的板式換熱器，Boxler等[6]深入研究了流體脈動(dòng)對(duì)其換熱和結(jié)垢特性的影響，采用了往復(fù)活塞泵作為脈動(dòng)源。研究發(fā)現(xiàn)：間斷式脈動(dòng)比連續(xù)脈動(dòng)除垢效果更好。隨著脈動(dòng)振幅的加大，會(huì)獲得更好的除垢效果。由于研究對(duì)象是板式換熱器，其系統(tǒng)是雙回路循環(huán)。對(duì)于層流條件下的脈動(dòng)換熱，Gupta[7]利用振動(dòng)位移裝置使管內(nèi)水流進(jìn)行脈動(dòng)來(lái)探究其對(duì)換熱性能的影響。無(wú)因次脈動(dòng)頻率從0.02變化到0.055，雷諾數(shù)從10變化到650。結(jié)論表明：在沒(méi)有往復(fù)流出現(xiàn)且低振幅的條件下，換熱性能隨著脈動(dòng)頻率的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；在往復(fù)流出現(xiàn)的條件下，隨著脈動(dòng)頻率的增加，換熱性能最大提高20%，但是這個(gè)提高隨著頻率的升高不斷衰減。

脈動(dòng)流在提高設(shè)備換熱性能的同時(shí)又能達(dá)到抑制結(jié)垢的效果，因此獨(dú)特的優(yōu)越性，受到了國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注，并且在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中具有廣泛的應(yīng)用前景。本研究的目的以某一型號(hào)板式換熱器為換熱元件，搭建相應(yīng)往復(fù)脈動(dòng)流動(dòng)強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，觀察在不同脈動(dòng)參數(shù)下相應(yīng)的換熱效果。

1 脈動(dòng)強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 雙路開(kāi)式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了達(dá)到探究脈動(dòng)流條件下脈動(dòng)頻率、脈動(dòng)振幅、雷諾數(shù)對(duì)板式換熱器強(qiáng)化換熱的影響目的，自行設(shè)計(jì)了脈動(dòng)源、穩(wěn)流系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由往復(fù)泵、加熱器、水箱、管道泵、板式換熱器、混合室、電磁流量計(jì)、壓力傳感器、球閥等元器件組成。

如圖 1所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是雙路開(kāi)式系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)用水由市政供給的自來(lái)水提供，經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離埋地處理后進(jìn)入室內(nèi)，可認(rèn)為水的溫度恒定不變，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為開(kāi)式系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)段經(jīng)換熱后的水直接排出，利用恒溫的自來(lái)水和開(kāi)式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差的控制都非常有效。對(duì)于冷水管路而言，外來(lái)管路的自來(lái)水流入大水箱中，實(shí)驗(yàn)所用水箱用不銹鋼材質(zhì)制作而成，長(zhǎng)寬均為 600 mm，高為 500 mm，容積為 180 L，經(jīng)過(guò)管道增壓泵（管道增壓泵是型號(hào)為25SG（R）3-20的離心水泵，工作電壓220 V，流量3 m3/h，揚(yáng)程20 m，功率0.37 kW），流經(jīng)管路中的轉(zhuǎn)子流量計(jì)，通過(guò)閥門控制主流流量，調(diào)整到實(shí)驗(yàn)設(shè)定參數(shù)下的流量流入混合室，混合室上方開(kāi)有排氣閥和壓力表，可以通過(guò)控制排氣閥的開(kāi)閉控制混合室的水位以實(shí)現(xiàn)消除脈動(dòng)對(duì)主流流量的干擾，混合室的側(cè)面焊接有3個(gè)管螺紋接頭，1個(gè)接頭與入流管路連接，1個(gè)備用，1個(gè)與流出管路連接，通過(guò)三通閥與脈動(dòng)之路混合一起流入板式換熱器與熱水路流經(jīng)的熱水進(jìn)行熱量交換，換熱后的高溫水經(jīng)過(guò)管路流入下水道排出，完成整個(gè)冷水管路循環(huán)。熱水路與冷水路共用一個(gè)水箱，經(jīng)過(guò)渦旋泵（渦旋泵是Calpeda公司生產(chǎn)的，工作電壓220 V，最大流量 3.6 m3/h，揚(yáng)程 10 m，功率 0.75 kW），流經(jīng)管路中的轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)入加熱器中，在加熱器中設(shè)定好流量的水流被加熱至相應(yīng)的溫度后通過(guò)管道流入板式換熱器的熱水路，在板式換熱器中與冷水路冷水進(jìn)行熱量交換，最終完成換熱后的流體通過(guò)管道排入下水道，完成整個(gè)熱水路循環(huán)。整個(gè)循環(huán)中，在板式換熱器的冷熱水路進(jìn)出口各布置2個(gè)熱電偶測(cè)量進(jìn)出口水溫，在冷水路的進(jìn)出口處各布置1個(gè)壓力傳感器用來(lái)測(cè)量脈動(dòng)壓力，在冷水路的進(jìn)口處布置1個(gè)電磁流量計(jì)用來(lái)測(cè)量脈動(dòng)流量。最終，電磁流量計(jì)、壓力傳感器、熱電阻的值經(jīng)過(guò)研華數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)傳輸?shù)絇C計(jì)算機(jī)中進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)管路均用管徑15 mm的PP-R管熱熔連接而成。

為了探討脈動(dòng)流的脈動(dòng)頻率、脈動(dòng)振幅、雷諾數(shù)的變化對(duì)板式換熱器換熱性能的影響，實(shí)驗(yàn)選取5組脈動(dòng)頻率（f=0.55 Hz，0.66 Hz，0.81 Hz，0.92 Hz，1.06 Hz）、1 組脈動(dòng)振幅（0.03 MPa）以及 6 組雷諾數(shù)（Re=3 774，4 246，4 954，5 426，6 133，7 313）作為變量參數(shù)，實(shí)驗(yàn)中板式換熱器冷、熱水路中的流量保持一致。實(shí)驗(yàn)利用控制變量法對(duì)各參數(shù)控制以實(shí)現(xiàn)各參數(shù)下的脈動(dòng)強(qiáng)化換熱效果對(duì)比研究。

實(shí)驗(yàn)中所使用的板式換熱器用不銹鋼材通過(guò)釬焊焊接而成，具體結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表 1所示。

表 1 板式換熱器的尺寸參數(shù)Tab. 1 The size parameters of plate heat exchanger

1.2 計(jì)算方法

在板式換熱器的冷熱水路的進(jìn)出口處各安裝一個(gè)鎧裝熱電偶，來(lái)測(cè)量板式換熱器進(jìn)口處和出口處的流體溫度，由此可以計(jì)算出板式換熱器冷熱水路進(jìn)出口溫差。

板式換熱器水路換熱量Qh為：

式中： c為水的比熱容，J/（kg·℃）；m為水的質(zhì)量流率，kg/s；Tin為板式換熱器出口水溫，℃；Tout為板式換熱器進(jìn)口水溫，℃。

根據(jù)板式順流板式換熱器總傳熱系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算總傳熱系數(shù)K為：

式中： A為板式換熱器中的總換熱面積，m2；Δtm為板式換熱器中的對(duì)數(shù)平均溫差，℃；Δtmax為順流板式換熱器冷熱水路進(jìn)口溫差，℃；Δtmin為順流板式換熱器冷熱水路出口溫差，℃。

實(shí)驗(yàn)中采用的雷諾數(shù)Re有如下定義：

式中： u為水流的平均流速，m/s；D為板槽中的水力直徑，m；υ為流體的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。

定義換熱增強(qiáng)因子Em為：

式中 ：Kp為脈動(dòng)流動(dòng)下的總傳熱系數(shù)；Ks為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)下的總傳熱系數(shù)。

利用上述公式，通過(guò)測(cè)量所得到的板式換熱器進(jìn)出口水度，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的總傳熱系數(shù)和換熱增強(qiáng)因子。利用圖表依次分析總傳熱系數(shù)和換熱增強(qiáng)因子隨雷諾數(shù)、脈動(dòng)頻率、脈動(dòng)振幅的變化關(guān)系，最終表征出這些因素對(duì)脈動(dòng)流強(qiáng)化換熱的影響規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

依據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)合上述所提及的相應(yīng)公式，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的后期處理，得到了以下關(guān)于實(shí)驗(yàn)所用板式換熱器的總傳熱系數(shù)和換熱增強(qiáng)因子的相關(guān)曲線圖。

2.1 不同雷諾數(shù)下?lián)Q熱結(jié)果分析

圖 3所示為脈動(dòng)振幅0.03 MPa、不同脈動(dòng)頻率下總傳熱系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化關(guān)系。從圖中可以看出，隨著雷諾數(shù)不斷增大，板式換熱器的總傳熱系數(shù)也不斷增大，這也契合了前文通過(guò)熱沉室實(shí)驗(yàn)所得到的相關(guān)規(guī)律；另外，圖中同樣發(fā)現(xiàn)在雷諾數(shù)達(dá)到旺盛湍流區(qū)之后，板式換熱器在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)和脈動(dòng)流動(dòng)下的總傳熱系數(shù)幾乎無(wú)差值，這也和熱沉室實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果相吻合。

圖 4所示為脈動(dòng)振幅0.03 MPa、不同脈動(dòng)頻率下?lián)Q熱增強(qiáng)因子隨雷諾數(shù)的變化關(guān)系。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著換熱器中冷、熱水路測(cè)的雷諾數(shù)增大，換熱增強(qiáng)因子呈現(xiàn)逐漸減小的態(tài)勢(shì)，換熱增強(qiáng)因子最大值1.598出現(xiàn)在雷諾數(shù)3 774、脈動(dòng)頻率0.55 Hz附近，在雷諾數(shù)達(dá)到7 000以后甚至出現(xiàn)了換熱增強(qiáng)因子小于1的點(diǎn)，說(shuō)明在此板式換熱器中，隨著雷諾數(shù)的增大，脈動(dòng)流動(dòng)對(duì)換熱的增強(qiáng)效果在逐漸減弱，這也符合此前在熱沉室實(shí)驗(yàn)中所得到的相應(yīng)規(guī)律。

2.2 不同脈動(dòng)頻率下?lián)Q熱結(jié)果分析

圖 5所示為脈動(dòng)振幅0.03 MPa、不同雷諾數(shù)下總傳熱系數(shù)隨脈動(dòng)頻率的變化關(guān)系。從圖中發(fā)現(xiàn)，脈動(dòng)流動(dòng)下板式換熱器的總傳熱系數(shù)總大于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)條件下，且當(dāng)雷諾數(shù)越小它們之間差值越大；另外還發(fā)現(xiàn)，在各雷諾數(shù)下，隨著脈動(dòng)頻率增大，總傳熱系數(shù)基本符合先減小后增大的趨勢(shì)，最小值出現(xiàn)在脈動(dòng)頻率 0.66 Hz 附近。

圖 6所示為脈動(dòng)振幅0.03 MPa、不同雷諾數(shù)下?lián)Q熱增強(qiáng)因子隨脈動(dòng)頻率的變化關(guān)系。從圖中可以清晰的看到，隨著雷諾數(shù)的增大，各脈動(dòng)頻率下的換熱增強(qiáng)因子逐級(jí)遞減；同時(shí)，各雷諾數(shù)下的換熱增強(qiáng)因子隨著脈動(dòng)頻率的增大，出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，換熱增強(qiáng)因子最差頻率均出現(xiàn)在0.66 Hz附近。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)板式換熱器進(jìn)行了系統(tǒng)的脈動(dòng)流動(dòng)強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：隨著雷諾數(shù)的不斷增大，無(wú)論穩(wěn)態(tài)流動(dòng)抑或脈動(dòng)流動(dòng)，板式換熱器的總傳熱系數(shù)逐漸變大；而換熱增強(qiáng)因子確隨之降低。這些現(xiàn)象也符合基于熱沉室得到的相應(yīng)結(jié)論；實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的最佳換熱增強(qiáng)因子點(diǎn)在雷諾數(shù)Re=3 774、脈動(dòng)頻率f=0.55 Hz附近，達(dá)到了1.598；實(shí)驗(yàn)中，隨著脈動(dòng)頻率的增大，在各雷諾數(shù)下，換熱增強(qiáng)因子出現(xiàn)先降低后增大的現(xiàn)象，且最低點(diǎn)出現(xiàn)在脈動(dòng)頻率0.66 Hz附近。本文的研究結(jié)果表明：利用脈動(dòng)流方法，可進(jìn)一步提升板式換熱器的換熱性能，而且，脈動(dòng)流技術(shù)還可達(dá)到防結(jié)垢的良好效果，可進(jìn)一步將其應(yīng)用于船舶和化工領(lǐng)域。