低頻脈動強化換熱實驗研究

王 軍，葛憶茹，潘朝峰，陳 寧

(江蘇科技大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

板式換熱器廣泛運用于中央冷卻器、海水預熱器等領域，但其流道狹窄，易結垢，清洗周期短，維護費用高。脈動強化換熱在提高設備換熱性能的同時還具有抑垢、除垢的效果，這使得脈動強化換熱技術在船舶等工業領域具有廣泛的應用前景。Havemainn[1]的實驗結果表明傳熱性能與頻率、幅值、波形及流動雷諾數有關。Zohir[2]與Karamercan[3]對水平式蒸汽-水換熱器的換熱率進行研究，得出在過渡區脈動強化換熱效果最佳的結論。 Juber[4]對管道內脈動湍流氣流的傳熱特性進行了實驗研究，結果顯示Nu數受到脈動頻率和雷諾數的強烈影響。Jin[5]和Jafari[6]通過實驗驗證了最佳脈動頻率的存在。脈動強化換熱機理主要概括為以下3點：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生漩渦，向邊界層引入強制對流；3）空化效應在產生機械作用的同時，空化泡潰滅瞬間在氣泡周圍微小空間形成局部熱點，產生具有高化學活性和強氧化性的OH–和H2O2[8]，從而具有良好的抑垢、除垢的效果。

1 脈動強化換熱實驗

1.1 實驗設計

圖 1 脈動強化換熱實驗系統原理圖Fig. 1 System schematic diagram of pulsating enhanced heat transfer experiment

實驗在離心泵上加裝變頻器，通過變頻調節泵的流量。在冷水路端設置分流，以保證主流流量的穩定。調節兩支流端的球閥開度，可控制脈動振幅的大小。通過時間控制器設置電磁閥的開閉時間，從而改變脈動頻率。實驗選用異側釬焊式板式換熱器，以智能溫控熱水桶作為恒溫水箱。實驗選用K型熱電偶插入管道內測量流體溫度，選用SIN-P300壓力傳感器測量脈動壓力振幅，選用浮子流量計測量冷卻水分流流量，以體積流量法測得冷、熱水流量。選用研華USB-4718數據采集卡，以Microsoft Visual Studio為平臺，自主編程，建立數據可視化平臺及數據庫。

圖 2 脈動強化換熱實驗系統實物圖Fig. 2 System physical diagram of pulsating enhanced heat transfer experiment

1.2 實驗計算

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K為：

定義強化換熱比Em為：

2 實驗結果及數據分析

實驗在雷諾數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；脈動振幅為 0.01 MPa，0.015 MPa的工況下進行。

2.1 強化換熱比Em與雷諾數Re的關系

脈動振幅A1，A2下Em與Re的關系如圖3和圖4所示。

圖 3 脈動振幅A1下強化換熱比Em與雷諾數Re的關系Fig. 3 The relationship between the reynolds number and enhanced heat exchange ratio under the pulsation amplitude of A1

圖 4 脈動振幅A2下強化換熱比與雷諾數的關系Fig. 4 The relationship between the reynolds number and enhanced heat exchange ratio under the pulsation amplitude of A2

在各實驗工況下，Em均大于100%，即在脈動振幅A2下，脈動流均具有強化換熱的效果。 由此可見，在較低脈動振幅A1下，在層流階段，較低脈動頻率的脈動流會出現弱化換熱效果的現象，可能是因為在較低流速下，低頻脈動流不利于流體流動的連續性；在其他稍高脈動頻率下，脈動流具有較弱的強化換熱效果。在過渡階段，不同實驗頻率下的脈動流均具有顯著的強化換熱效果，且強化換熱比Em出現峰值。過渡階段為最佳強化換熱區，印證了Lemlich，Baird等提出的在過渡區脈動強化換熱效果最佳的結論。其原因是隨著雷諾數Re的增加，流體的湍流度增加，且將脈動引入流體后，周期性的壓力變化使流體產生強制對流，并通過促進旋渦的形成增加有效傳熱，從而將對流引入邊界層。在湍流階段，脈動流具有一定的強化換熱效果，但隨著雷諾數Re的增加，強化換熱效果逐漸減弱。在旺盛湍流階段，在不同實驗頻率下均出現脈動流弱化換熱效果的現象。其原因是在較高的流速下，脈動流要與流體中已形成的高湍流度相競爭。

而脈動振幅A2下的脈動流對于板式換熱器均具有強化換熱的效果，且脈動頻率對強化換熱效果的影響較大。在層流階段，各脈動頻率下的強化換熱比Em差距不大。在過渡階段，較高脈動頻率下下的強化換熱比Em波動較大，且出現最大值，即脈動流達到了最佳換熱效果。在旺盛湍流階段，各脈動頻率下的強化換熱比Em變化較小，脈動流的強化換熱效果較為穩定。

2.2 不同脈動頻率下換熱結果分析

脈動振幅A1，A2下Em與f的關系如圖5和圖6所示。

圖 5 脈動振幅A1下強化換熱比Em與脈動頻率f的關系Fig. 5 The relationship between the pulsating frequency and the heat exchange ratio under the pulsation amplitude of A1

圖 6 脈動振幅A2下強化換熱比Em與脈動頻率f的關系Fig. 6 The relationship between the pulsating frequency and the heat exchange ratio under the pulsation amplitude of A2

在脈動振幅A1下，在層流及過渡階段，脈動頻率f對脈動流強化換熱效果的影響較小；在湍流階段，脈動頻率f對換熱效果的影響最為強烈，各雷諾數下的強化換熱比Em的變化趨勢有所不同；在旺盛湍流階段，脈動頻率f對強化換熱效果的影響很小，同時出現脈動流弱化換熱的現象。在脈動振幅A2下，在層流及過渡階段，脈動頻率f對脈動流強化換熱效果的影響較小；在湍流階段，脈動頻率f對換熱效果的影響最為強烈，最佳換熱區在此出現；在旺盛湍流階段，脈動頻率f對強化換熱效果的影響很小。

2.3 不同脈動振幅下換熱結果分析

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

2.4 脈動振幅A1，A2下的最佳脈動頻率fo

在同一工況下，脈動流達到最佳強化換熱效果所在的脈動頻率定義為最佳脈動頻率fo。在脈動振幅A1與A2下，強化換熱比Em隨脈動頻率f的變化關系如圖7所示。

圖 7 脈動振幅A1，A2下最佳脈動頻率fo與雷諾數Re的關系Fig. 7 The relationship between the optimum pulsating frequency and the Reynolds number under the pulsation amplitude of A1 and A2

脈動振幅A1下的最佳脈動頻率fo主要集中在2.5 Hz，而脈動振幅A2下的最佳脈動頻率fo主要集中在1.5 Hz，且從整體來看，兩者變化趨勢相似。這表明在不同工況下，最佳脈動頻率fo存在，與流體流動狀態、脈動振幅等因素有關且有一定的變化規律。同一脈動振幅下造成最佳脈動頻率隨雷諾數變化而遷移可能是因為，在不同的脈動頻率下，空化效應產生的氣泡的速率以及氣泡破滅的速率不同。

3 結 語

本文以電磁閥作為脈動源，研究低頻脈動流對于板式換熱器換熱效果的影響，得到以下結論：

1）過渡階段為最佳強化換熱區；在旺盛湍流階段，可能會出現脈動流弱化換熱效果的現象；

2）在層流、過渡、旺盛湍流階段，脈動頻率對脈動流強化換熱效果的影響較小；在湍流階段，脈動頻率對換熱效果的影響最為強烈；

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

4）在各實驗工況下，存在最佳脈動頻率fo，其值與流體流動狀態、脈動振幅等因素有關；

5）總體而言，在實驗工況下，脈動流具有一定的強化換熱效果。實驗在脈動振幅A2下，Re=4 263，f=2.5 Hz，d=50%時所獲得的最佳強化換熱比Em達到129.07%。

本文實驗對于脈動振幅的研究范圍較窄，對各脈動參數的內在聯系缺乏系統的認識，只將脈動流動應用于板式換熱器換熱方面，今后可以將其廣泛應用于柴油機冷卻、電子芯片散熱、柴油機余熱回收等領域。