涡流发生器污垢特性实验台的设计

徐志明，杨苏武，朱新龙，张一龙，刘坐东

(1.东北电力大学，吉林 吉林 132012;2.华北电力大学，北京 102206)

涡流发生器最早是在1960年由Schubauer和Spangenberg提出并用于强化风洞内湍流边界层的流动［1］。之后Jonhnson和Joubert首次将涡流发生器应用于换热器，对三角小翼涡流发生器进行了研究，探讨了圆柱体表面加装三角翼对空气对流强化换热的影响［2］。不同的涡流发生器能够产生不同的诱导涡旋来减薄边界层例如马蹄涡等，能够通过提高管壁面换热系数，从而强化换热［3］。由于涡流发生器能够破坏流体的边界层，那么其也可能在抑垢方面起到一定的作用。

国内外已经有许多学者对涡流发生器进行了深入的研究。在强化换热方面，Wu［4］对在层流状态下矩形通道内安装涡流发生器不同参数的改变对强化换热以及流动阻力的变化进行了数值模拟。Charbel和Serge等［5］对不同类型的涡流发生器对多功能热交换器的强化换热进行了研究。Chen和Jyh-Tong等［6］对各类型纵向涡流发生器在矩形通道中的流动特性与换热特性进行了研究。高英伦［7］用离线称重法研究了几种涡流发生器在CaCO3污垢溶液中对换热器结垢的影响。刘坐东［8］采用离线称重法对浮点型和楞型涡流发生器在CaSO4溶液中的污垢特性做了大量研究，发现对于浮点涡流发生器和楞型涡流发生器它们的排列间距对于污垢的沉积有一定影响。张仲彬［9］等对涡流发生器在CaCO3溶液中的污垢特性做了一系列实验研究，发现涡流发生器的尺寸对于污垢的沉积也有一定的影响。刘锴喆［10］等，对半圆柱面涡流发生器进行了一系列的研究，发现涡流发生器的高度，间距对于结垢都有一定影响。王宇朋［11］对于翼型涡流发生器进行了大量研究，发现对于析晶污垢三种翼形涡流发生器试片中，迎流截面积是影响析晶污垢的重要因素。

目前国内对于涡流发生器污垢方面的研究主要的技术手段为离线称重法。但是离线称重法得到的是结垢量，而不是污垢热阻，没有与换热联系起来，对于污垢的研究存在局限性。本实验台旨在通过在线监测采集数据，得到污垢热阻，与涡流发生器的换热特性，压降特性以及流动特性联系起来分析涡流发生器的污垢特性。

1 实验系统设计

1.1 实验设备

实验台的实验系统大体可以分为五个部分:热源，冷源，循环管路，实验段以及测试系统。实验系统及实物见图1～2。

热源:热源为图中恒温水箱，由温控仪对3根2000 W的加热棒进行加热控制，能保证恒温水箱中的温度稳定。

冷源:冷源由两部分组成，一部分是风机提供的风冷;另一部分是冷水机提供的水冷。

循环回路:实验台循环回路主要由高位水箱，低位水箱和实验段三部分组成，工质由水泵从低位水箱中打入高位水箱，一部分流入实验段中然后流回低位水箱，另外一部分经过溢流板溢流后直接流入低位水箱。

图1 实验系统简图

图2 实验台实物图

实验段:实验段是一个长1 000 mm，宽100 mm，高8.5 mm的矩形通道，两个换热面由厚0.5 mm，宽100 mm，长1 000 mm的304锈钢板制成，中间用PVC塑料板与硅胶垫密封，涡流发生器按具体实验设计布置于换热面，见图3。

图3 实验段示意图

测量系统:测量系统主要包括温度，压力，流量三个部分。实验中所测得的数据都通过鸿格M-7033D，M-7017RC，I-7520AR3种采集模块直接实时地记录在IPC-610微型计算机中。温度测量:在实验段的进出水口以及恒温水箱内都布置有PT100热电阻，能够测量实验段的进出口温度以及恒温水箱内的温度。压力测量:实验台采用的是型号为TS220-3051的压差计，测压孔布置在实验段的进出水口，能得到结垢前后实验段的压差的变化。流量测量:在实验段出口布置了一个型号为LDE-15SM2F100的电磁流量计来测量实验中的流量。

1.2 实验原理

实验台能够直接得到实验段进出水口的温度t1，t2恒温水浴温度t0，和实验中的流量qv以及压差ΔP等数据。由传热方程式(1)以及热平衡方程式(2):

可以得到传热系数k的表达式(3):

式中:ρ为流体密度;cp为流体比热容，对数平均温差

而污垢热阻可以由式(4)得到:

式中:Rf为污垢热阻，单位是m2·K/W;k0、k分别为清洁状态下和有污垢状态下实验段的总传热系数，单位是W/(m2·K)。

1.3 实验步骤

(1)将实验所需的涡流发生器按照实验设计的布置方式用耐水胶粘于实验段换热面上并将实验段安装于循环回路中。

(2)将水注入低位水箱与恒温水箱中启动水泵，检测电磁流量计，压差计是否正常运行，实验系统密封是否完好。将流量计，压差计调零。

(3)启动风机，冷水机与加热棒，设定好所需控制温度。观察计算机采集的数据，待换热稳定后往低位水箱中加入实验所需的药品。

(4)保持实验工况不变，待结垢稳定后，保存采集的数据，停止实验，清洗实验台。

(5)对采集的数据进行分析，并进行下一组实验。

2 实验准确性与稳定性分析

2.1 稳定性分析

图4为实验台的验证实验，二组光板实验采用相同的工况(入口温度t1=26.5±0.5℃，流速为0.1 m/s，水浴温度t0=50℃，污垢药剂为20 0 mg/L粒径为50 nm的氧化镁溶液)，得到的污垢热阻曲线基本一致重合性较好，在实验稳定后波动也不大，实验系统比较稳定，可以进行实验研究。

图4 光板重复性验证实验污垢热阻

2.2 准确性分析

采用稳定性实验中的光板二中的一组数据t1=26.4℃、t2=30.7℃对验证实验进行准确性分析，定性温度选用算数平均温差

实验工况的Re=1938为层流流动，采用30℃的饱和水的热物理性质进行计算，由公式(5)［12］可以判断实验整个流道都处于入口段的影响范围，实验工况符合齐德 -泰特公式(6)［12］的使用条件。

由式(6)与(7)可以得出冷侧流体的对流换热系数 hf=12 175.6 w/m2k。

通过式(8)与(9)可以求得冷侧壁面的平均温度tw=29.2℃。由于壁面为不锈钢板，换热系数很大且壁面很薄因此可以忽略壁面热阻，实验工况的水浴温度t0=50℃，将之代入(10)可以求得水浴侧的平均对流换热系数通过式(11)可以求得总传热系数

将二组稳定性实验中未加入污垢药剂前的纯换热稳定段部分的总传热系数与齐德-泰特公式计算出的总传热系数进行对比见图5。从图5中可以看出二组实验与热力计算出来的数值相差不大，误差不超过10%，因此说明实验台数据具有一定的准确性。

图5 传热系数对比图

3 误差分析

采用文献［13］中的均方根法(12)对实验台污垢热阻进行误差分析。

实验台的精密线绕电阻的最大误差为0.05%，采集系统中PT100热电阻的最大测量误差为0.2%，电磁流量计的最大测量误差分别为0.5%，压差变送器的最大测量误差为0.1%。用均方根法可以得到温度测量的最大相对误差为0.206 2%，流量测量的最大相对误差为0.502 5%，压力测量的最大相对误差为0.111 8%。换热量的相对误差可由均方根法求得:

其中:εG为电磁流量计的最大相对误差，ε(t2－t1)=0.29% 为进出口温度测量误差。

实验台对数平均温差的最大相对误差可由实验数据中的一组最大对数平均温差得到(取稳定性实验二中的一组最大对数平均温差代入):

总传热系数误差包括两部分:一是仪表精度误差，二是数据线性回归带来的误差，有文献［14］指出数据线性回归时最大相对误差εA=5%。那么可以得到:

查阅文献［15］得知污垢热阻测量的相对误差可用

式(14)表示:

式可以化为式(14):

将稳定性实验中的光板二的数据代入式(15)中进行计算可以得到图6。

图6 污垢热阻测量的相对误差

由图6可以看出除开始结垢一小段时间内污垢热阻不稳定之外，其它段的污垢热阻的最大相对误差均小于5%。所以，该实验平台的温度、压力以及流量测量的相对误差均满足工程上小于±1%的规定，总传热系数的相对误差小于±10%(文献［16］)的要求。另外，污垢热阻误差也在工程上所接受的范围内。

4 示例实验

采用高为5 mm，宽高比为5∶1材质为0.3 mm厚的304不锈钢板的矩形翼涡流发生器与三角翼涡流发生器以及光板在相同实验工况(涡流发生器沿流向布置2排12列，入口稳定段S=150 mm，C为出口稳定段，涡流发生器攻角为90°，前沿间距a=20 mm，列间距b=60 mm，涡流发生器布置与实物见图7、图8。实验的入口温度为28±0.5℃，流速为0.1 m/s，水浴温度为50℃，药品为200 mg/L的50 nm粒径的MgO颗粒污垢)下进行了涡流发生器纳米氧化镁污垢实验。

图7 涡流发生器布置示意图

图8 涡流发生器实物图

图9 不同涡流发生器对污垢热阻的影响

图9为三组实验的污垢热阻。从图9中可以清晰的看出对于纳米MgO颗粒垢三组实验在结垢开始都有一小段时间的诱导期，矩形翼和三角翼与光板相比有明显的抑垢效果，且光板的污垢生长曲线的斜率也比两种涡流发生器要大，相对来说矩形翼的污垢热阻比三角翼小，这是由于流体经过涡流发生器后会产生纵向涡，矩形翼与三角翼相比产生的涡流影响面积较大，对涡流发生器后部的冲刷作用强，导致污垢的剥蚀率较高，从而导致污垢热阻减小。

图10为三组实验的进出水口的压降变化。从图中可以看出未结垢前加装涡流发生器流体进出口的压降明显比光板高，相对来说矩形翼的压降是最高的为光板的1.22倍，这是由于在相同的宽高比以及布置下矩形翼的迎流面积较大产生的前后压差较大，因而压降较大导致需要消耗较多的泵功。而结垢之后光板的压降上升最快，说明结垢越多压降越大。因此，抑垢手段对于减少压降降低泵功也能起到一定作用。

图10 不同涡流发生器对压降的影响

图11 不同涡流发生器对总传热系数的影响

图11为3组实验的总传热系数随时间的变化。从图中可以看出0到12 h为纯换热未加入污垢药剂，未结垢时涡流发生器对于换热有明显的强化作用，而相对来说，矩形翼的强化换热效果比三角翼要高，在12 h后总换热系数在曲线上都有一个凸起这是由于加入了药剂后流体中颗粒对于换热在短时间内有一定的强化作用，是结垢过程的诱导期在总换热系数上的体现。对于纳米MgO颗粒垢在结垢后，由于矩形翼抑垢效果较好因而矩形翼的总传热系数下降较小。

5 结 论

(1)设计了涡流发生器污垢特性实验台，该实验台能在线监测实验过程中的流速，压降，温度等参数，能够直接得到污垢热阻。

(2)通过对实验台进行稳定性实验、准确性分析与误差分析，证明该实验台实验系统稳定，实验数据安全可靠，可以进行实验研究。

(3)开展了涡流发生器纳米氧化镁污垢特性实验，实验结果证明实验台可以较好的反映出涡流发生器的污垢特性、压力特性以及换热特性。

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