往復脈動流對板式換熱器的性能強化實驗研究

周 麗，張東輝，王劍橋，丁玉鑫,2

(1. 江蘇科技大學 能源與動力學院，江蘇 鎮江 212003；2. 武昌船舶重工集團有限公司，湖北 武漢 430060)

0 引 言

近年來，船用換熱設備的傳熱強化和防結垢問題已越來越引起重視。目前船舶上很多換熱設備，為節省空間和提高換熱增強因子，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，造成使用過程中易結垢，清洗周期短，維護費用高。

正是由于這些矛盾因素。作為強化傳熱技術的一個分支，脈動流技術在換熱設備中的應用受到關注。目前來看，船舶行業還沒有應用脈動流對換熱設備進行強化換熱和除垢的先例。在國外，近十年來，美國能源部為解決高熱流密度器件的冷卻問題，在脈動技術的研發和產品化方面投入了大量經費，ACT公司研究表明[1]，脈動頻率位于20 Hz時，脈動系統可實現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到40 W/cm2。俄羅斯摩爾多瓦大學[2]對脈動裝置也進行了長期而深入的研究，研發了以限流閥和隔膜泵為脈動源的換熱系統，目前已廣泛應用于采暖、柴油機廢熱回收等領域。Blel等[3，4]在2009年對Limlech[5]的系統進行了改進，將自動控制閥與單向閥并聯，這樣可保證運行時管路中有一最小流量。研究中發現了脈動流除垢的機理。針對食品行業的板式換熱器，Boxler等[6]深入研究了流體脈動對其換熱和結垢特性的影響，采用了往復活塞泵作為脈動源。研究發現：間斷式脈動比連續脈動除垢效果更好。隨著脈動振幅的加大，會獲得更好的除垢效果。由于研究對象是板式換熱器，其系統是雙回路循環。對于層流條件下的脈動換熱，Gupta[7]利用振動位移裝置使管內水流進行脈動來探究其對換熱性能的影響。無因次脈動頻率從0.02變化到0.055，雷諾數從10變化到650。結論表明：在沒有往復流出現且低振幅的條件下，換熱性能隨著脈動頻率的增加而呈現減小的趨勢；在往復流出現的條件下，隨著脈動頻率的增加，換熱性能最大提高20%，但是這個提高隨著頻率的升高不斷衰減。

脈動流在提高設備換熱性能的同時又能達到抑制結垢的效果，因此獨特的優越性，受到了國內外廣泛的關注，并且在工業生產及日常生活中具有廣泛的應用前景。本研究的目的以某一型號板式換熱器為換熱元件，搭建相應往復脈動流動強化換熱實驗臺架，觀察在不同脈動參數下相應的換熱效果。

1 脈動強化傳熱實驗系統

1.1 雙路開式實驗系統

為了達到探究脈動流條件下脈動頻率、脈動振幅、雷諾數對板式換熱器強化換熱的影響目的，自行設計了脈動源、穩流系統、測量系統。整個實驗系統由往復泵、加熱器、水箱、管道泵、板式換熱器、混合室、電磁流量計、壓力傳感器、球閥等元器件組成。

如圖 1所示，整個實驗系統是雙路開式系統。實驗用水由市政供給的自來水提供，經過遠距離埋地處理后進入室內，可認為水的溫度恒定不變，實驗系統設計為開式系統，實驗段經換熱后的水直接排出，利用恒溫的自來水和開式系統的設計對實驗誤差的控制都非常有效。對于冷水管路而言，外來管路的自來水流入大水箱中，實驗所用水箱用不銹鋼材質制作而成，長寬均為 600 mm，高為 500 mm，容積為 180 L，經過管道增壓泵（管道增壓泵是型號為25SG（R）3-20的離心水泵，工作電壓220 V，流量3 m3/h，揚程20 m，功率0.37 kW），流經管路中的轉子流量計，通過閥門控制主流流量，調整到實驗設定參數下的流量流入混合室，混合室上方開有排氣閥和壓力表，可以通過控制排氣閥的開閉控制混合室的水位以實現消除脈動對主流流量的干擾，混合室的側面焊接有3個管螺紋接頭，1個接頭與入流管路連接，1個備用，1個與流出管路連接，通過三通閥與脈動之路混合一起流入板式換熱器與熱水路流經的熱水進行熱量交換，換熱后的高溫水經過管路流入下水道排出，完成整個冷水管路循環。熱水路與冷水路共用一個水箱，經過渦旋泵（渦旋泵是Calpeda公司生產的，工作電壓220 V，最大流量 3.6 m3/h，揚程 10 m，功率 0.75 kW），流經管路中的轉子流量計進入加熱器中，在加熱器中設定好流量的水流被加熱至相應的溫度后通過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行熱量交換，最終完成換熱后的流體通過管道排入下水道，完成整個熱水路循環。整個循環中，在板式換熱器的冷熱水路進出口各布置2個熱電偶測量進出口水溫，在冷水路的進出口處各布置1個壓力傳感器用來測量脈動壓力，在冷水路的進口處布置1個電磁流量計用來測量脈動流量。最終，電磁流量計、壓力傳感器、熱電阻的值經過研華數據采集卡實時傳輸到PC計算機中進行顯示和存儲。實驗管路均用管徑15 mm的PP-R管熱熔連接而成。

為了探討脈動流的脈動頻率、脈動振幅、雷諾數的變化對板式換熱器換熱性能的影響，實驗選取5組脈動頻率（f=0.55 Hz，0.66 Hz，0.81 Hz，0.92 Hz，1.06 Hz）、1 組脈動振幅（0.03 MPa）以及 6 組雷諾數（Re=3 774，4 246，4 954，5 426，6 133，7 313）作為變量參數，實驗中板式換熱器冷、熱水路中的流量保持一致。實驗利用控制變量法對各參數控制以實現各參數下的脈動強化換熱效果對比研究。

實驗中所使用的板式換熱器用不銹鋼材通過釬焊焊接而成，具體結構尺寸參數如表 1所示。

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

1.2 計算方法

在板式換熱器的冷熱水路的進出口處各安裝一個鎧裝熱電偶，來測量板式換熱器進口處和出口處的流體溫度，由此可以計算出板式換熱器冷熱水路進出口溫差。

板式換熱器水路換熱量Qh為：

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

根據板式順流板式換熱器總傳熱系數計算公式計算總傳熱系數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數平均溫差，℃；Δtmax為順流板式換熱器冷熱水路進口溫差，℃；Δtmin為順流板式換熱器冷熱水路出口溫差，℃。

實驗中采用的雷諾數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為流體的運動粘度，m2/s。

定義換熱增強因子Em為：

式中 ：Kp為脈動流動下的總傳熱系數；Ks為穩態流動下的總傳熱系數。

利用上述公式，通過測量所得到的板式換熱器進出口水度，可以計算出對應的總傳熱系數和換熱增強因子。利用圖表依次分析總傳熱系數和換熱增強因子隨雷諾數、脈動頻率、脈動振幅的變化關系，最終表征出這些因素對脈動流強化換熱的影響規律。

2 實驗結果與分析

依據實驗所測得的相關數據結合上述所提及的相應公式，對實驗數據進行相應的后期處理，得到了以下關于實驗所用板式換熱器的總傳熱系數和換熱增強因子的相關曲線圖。

2.1 不同雷諾數下換熱結果分析

圖 3所示為脈動振幅0.03 MPa、不同脈動頻率下總傳熱系數隨雷諾數的變化關系。從圖中可以看出，隨著雷諾數不斷增大，板式換熱器的總傳熱系數也不斷增大，這也契合了前文通過熱沉室實驗所得到的相關規律；另外，圖中同樣發現在雷諾數達到旺盛湍流區之后，板式換熱器在穩態流動和脈動流動下的總傳熱系數幾乎無差值，這也和熱沉室實驗得到的結果相吻合。

圖 4所示為脈動振幅0.03 MPa、不同脈動頻率下換熱增強因子隨雷諾數的變化關系。從圖中可以發現，隨著換熱器中冷、熱水路測的雷諾數增大，換熱增強因子呈現逐漸減小的態勢，換熱增強因子最大值1.598出現在雷諾數3 774、脈動頻率0.55 Hz附近，在雷諾數達到7 000以后甚至出現了換熱增強因子小于1的點，說明在此板式換熱器中，隨著雷諾數的增大，脈動流動對換熱的增強效果在逐漸減弱，這也符合此前在熱沉室實驗中所得到的相應規律。

2.2 不同脈動頻率下換熱結果分析

圖 5所示為脈動振幅0.03 MPa、不同雷諾數下總傳熱系數隨脈動頻率的變化關系。從圖中發現，脈動流動下板式換熱器的總傳熱系數總大于穩態流動條件下，且當雷諾數越小它們之間差值越大；另外還發現，在各雷諾數下，隨著脈動頻率增大，總傳熱系數基本符合先減小后增大的趨勢，最小值出現在脈動頻率 0.66 Hz 附近。

圖 6所示為脈動振幅0.03 MPa、不同雷諾數下換熱增強因子隨脈動頻率的變化關系。從圖中可以清晰的看到，隨著雷諾數的增大，各脈動頻率下的換熱增強因子逐級遞減；同時，各雷諾數下的換熱增強因子隨著脈動頻率的增大，出現先增大后減小的現象，換熱增強因子最差頻率均出現在0.66 Hz附近。

3 結 語

本文針對板式換熱器進行了系統的脈動流動強化換熱實驗研究。實驗研究發現：隨著雷諾數的不斷增大，無論穩態流動抑或脈動流動，板式換熱器的總傳熱系數逐漸變大；而換熱增強因子確隨之降低。這些現象也符合基于熱沉室得到的相應結論；實驗發現的最佳換熱增強因子點在雷諾數Re=3 774、脈動頻率f=0.55 Hz附近，達到了1.598；實驗中，隨著脈動頻率的增大，在各雷諾數下，換熱增強因子出現先降低后增大的現象，且最低點出現在脈動頻率0.66 Hz附近。本文的研究結果表明：利用脈動流方法，可進一步提升板式換熱器的換熱性能，而且，脈動流技術還可達到防結垢的良好效果，可進一步將其應用于船舶和化工領域。