往复脉动流对板式换热器的性能强化实验研究

周 丽，张东辉，王剑桥，丁玉鑫,2

(1. 江苏科技大学 能源与动力学院，江苏 镇江 212003；2. 武昌船舶重工集团有限公司，湖北 武汉 430060)

0 引 言

近年来，船用换热设备的传热强化和防结垢问题已越来越引起重视。目前船舶上很多换热设备，为节省空间和提高换热增强因子，也趋于用板式换热器替代壳管式换热器，但板式换热器流道非常狭窄，造成使用过程中易结垢，清洗周期短，维护费用高。

正是由于这些矛盾因素。作为强化传热技术的一个分支，脉动流技术在换热设备中的应用受到关注。目前来看，船舶行业还没有应用脉动流对换热设备进行强化换热和除垢的先例。在国外，近十年来，美国能源部为解决高热流密度器件的冷却问题，在脉动技术的研发和产品化方面投入了大量经费，ACT公司研究表明[1]，脉动频率位于20 Hz时，脉动系统可实现1 300 W/cm2散热热流密度，而同样尺寸的铜/水热管的散热器能力只能达到40 W/cm2。俄罗斯摩尔多瓦大学[2]对脉动装置也进行了长期而深入的研究，研发了以限流阀和隔膜泵为脉动源的换热系统，目前已广泛应用于采暖、柴油机废热回收等领域。Blel等[3，4]在2009年对Limlech[5]的系统进行了改进，将自动控制阀与单向阀并联，这样可保证运行时管路中有一最小流量。研究中发现了脉动流除垢的机理。针对食品行业的板式换热器，Boxler等[6]深入研究了流体脉动对其换热和结垢特性的影响，采用了往复活塞泵作为脉动源。研究发现：间断式脉动比连续脉动除垢效果更好。随着脉动振幅的加大，会获得更好的除垢效果。由于研究对象是板式换热器，其系统是双回路循环。对于层流条件下的脉动换热，Gupta[7]利用振动位移装置使管内水流进行脉动来探究其对换热性能的影响。无因次脉动频率从0.02变化到0.055，雷诺数从10变化到650。结论表明：在没有往复流出现且低振幅的条件下，换热性能随着脉动频率的增加而呈现减小的趋势；在往复流出现的条件下，随着脉动频率的增加，换热性能最大提高20%，但是这个提高随着频率的升高不断衰减。

脉动流在提高设备换热性能的同时又能达到抑制结垢的效果，因此独特的优越性，受到了国内外广泛的关注，并且在工业生产及日常生活中具有广泛的应用前景。本研究的目的以某一型号板式换热器为换热元件，搭建相应往复脉动流动强化换热实验台架，观察在不同脉动参数下相应的换热效果。

1 脉动强化传热实验系统

1.1 双路开式实验系统

为了达到探究脉动流条件下脉动频率、脉动振幅、雷诺数对板式换热器强化换热的影响目的，自行设计了脉动源、稳流系统、测量系统。整个实验系统由往复泵、加热器、水箱、管道泵、板式换热器、混合室、电磁流量计、压力传感器、球阀等元器件组成。

如图 1所示，整个实验系统是双路开式系统。实验用水由市政供给的自来水提供，经过远距离埋地处理后进入室内，可认为水的温度恒定不变，实验系统设计为开式系统，实验段经换热后的水直接排出，利用恒温的自来水和开式系统的设计对实验误差的控制都非常有效。对于冷水管路而言，外来管路的自来水流入大水箱中，实验所用水箱用不锈钢材质制作而成，长宽均为 600 mm，高为 500 mm，容积为 180 L，经过管道增压泵（管道增压泵是型号为25SG（R）3-20的离心水泵，工作电压220 V，流量3 m3/h，扬程20 m，功率0.37 kW），流经管路中的转子流量计，通过阀门控制主流流量，调整到实验设定参数下的流量流入混合室，混合室上方开有排气阀和压力表，可以通过控制排气阀的开闭控制混合室的水位以实现消除脉动对主流流量的干扰，混合室的侧面焊接有3个管螺纹接头，1个接头与入流管路连接，1个备用，1个与流出管路连接，通过三通阀与脉动之路混合一起流入板式换热器与热水路流经的热水进行热量交换，换热后的高温水经过管路流入下水道排出，完成整个冷水管路循环。热水路与冷水路共用一个水箱，经过涡旋泵（涡旋泵是Calpeda公司生产的，工作电压220 V，最大流量 3.6 m3/h，扬程 10 m，功率 0.75 kW），流经管路中的转子流量计进入加热器中，在加热器中设定好流量的水流被加热至相应的温度后通过管道流入板式换热器的热水路，在板式换热器中与冷水路冷水进行热量交换，最终完成换热后的流体通过管道排入下水道，完成整个热水路循环。整个循环中，在板式换热器的冷热水路进出口各布置2个热电偶测量进出口水温，在冷水路的进出口处各布置1个压力传感器用来测量脉动压力，在冷水路的进口处布置1个电磁流量计用来测量脉动流量。最终，电磁流量计、压力传感器、热电阻的值经过研华数据采集卡实时传输到PC计算机中进行显示和存储。实验管路均用管径15 mm的PP-R管热熔连接而成。

为了探讨脉动流的脉动频率、脉动振幅、雷诺数的变化对板式换热器换热性能的影响，实验选取5组脉动频率（f=0.55 Hz，0.66 Hz，0.81 Hz，0.92 Hz，1.06 Hz）、1 组脉动振幅（0.03 MPa）以及 6 组雷诺数（Re=3 774，4 246，4 954，5 426，6 133，7 313）作为变量参数，实验中板式换热器冷、热水路中的流量保持一致。实验利用控制变量法对各参数控制以实现各参数下的脉动强化换热效果对比研究。

实验中所使用的板式换热器用不锈钢材通过钎焊焊接而成，具体结构尺寸参数如表 1所示。

表 1 板式换热器的尺寸参数Tab. 1 The size parameters of plate heat exchanger

1.2 计算方法

在板式换热器的冷热水路的进出口处各安装一个铠装热电偶，来测量板式换热器进口处和出口处的流体温度，由此可以计算出板式换热器冷热水路进出口温差。

板式换热器水路换热量Qh为：

式中： c为水的比热容，J/（kg·℃）；m为水的质量流率，kg/s；Tin为板式换热器出口水温，℃；Tout为板式换热器进口水温，℃。

根据板式顺流板式换热器总传热系数计算公式计算总传热系数K为：

式中： A为板式换热器中的总换热面积，m2；Δtm为板式换热器中的对数平均温差，℃；Δtmax为顺流板式换热器冷热水路进口温差，℃；Δtmin为顺流板式换热器冷热水路出口温差，℃。

实验中采用的雷诺数Re有如下定义：

式中： u为水流的平均流速，m/s；D为板槽中的水力直径，m；υ为流体的运动粘度，m2/s。

定义换热增强因子Em为：

式中 ：Kp为脉动流动下的总传热系数；Ks为稳态流动下的总传热系数。

利用上述公式，通过测量所得到的板式换热器进出口水度，可以计算出对应的总传热系数和换热增强因子。利用图表依次分析总传热系数和换热增强因子随雷诺数、脉动频率、脉动振幅的变化关系，最终表征出这些因素对脉动流强化换热的影响规律。

2 实验结果与分析

依据实验所测得的相关数据结合上述所提及的相应公式，对实验数据进行相应的后期处理，得到了以下关于实验所用板式换热器的总传热系数和换热增强因子的相关曲线图。

2.1 不同雷诺数下换热结果分析

图 3所示为脉动振幅0.03 MPa、不同脉动频率下总传热系数随雷诺数的变化关系。从图中可以看出，随着雷诺数不断增大，板式换热器的总传热系数也不断增大，这也契合了前文通过热沉室实验所得到的相关规律；另外，图中同样发现在雷诺数达到旺盛湍流区之后，板式换热器在稳态流动和脉动流动下的总传热系数几乎无差值，这也和热沉室实验得到的结果相吻合。

图 4所示为脉动振幅0.03 MPa、不同脉动频率下换热增强因子随雷诺数的变化关系。从图中可以发现，随着换热器中冷、热水路测的雷诺数增大，换热增强因子呈现逐渐减小的态势，换热增强因子最大值1.598出现在雷诺数3 774、脉动频率0.55 Hz附近，在雷诺数达到7 000以后甚至出现了换热增强因子小于1的点，说明在此板式换热器中，随着雷诺数的增大，脉动流动对换热的增强效果在逐渐减弱，这也符合此前在热沉室实验中所得到的相应规律。

2.2 不同脉动频率下换热结果分析

图 5所示为脉动振幅0.03 MPa、不同雷诺数下总传热系数随脉动频率的变化关系。从图中发现，脉动流动下板式换热器的总传热系数总大于稳态流动条件下，且当雷诺数越小它们之间差值越大；另外还发现，在各雷诺数下，随着脉动频率增大，总传热系数基本符合先减小后增大的趋势，最小值出现在脉动频率 0.66 Hz 附近。

图 6所示为脉动振幅0.03 MPa、不同雷诺数下换热增强因子随脉动频率的变化关系。从图中可以清晰的看到，随着雷诺数的增大，各脉动频率下的换热增强因子逐级递减；同时，各雷诺数下的换热增强因子随着脉动频率的增大，出现先增大后减小的现象，换热增强因子最差频率均出现在0.66 Hz附近。

3 结 语

本文针对板式换热器进行了系统的脉动流动强化换热实验研究。实验研究发现：随着雷诺数的不断增大，无论稳态流动抑或脉动流动，板式换热器的总传热系数逐渐变大；而换热增强因子确随之降低。这些现象也符合基于热沉室得到的相应结论；实验发现的最佳换热增强因子点在雷诺数Re=3 774、脉动频率f=0.55 Hz附近，达到了1.598；实验中，随着脉动频率的增大，在各雷诺数下，换热增强因子出现先降低后增大的现象，且最低点出现在脉动频率0.66 Hz附近。本文的研究结果表明：利用脉动流方法，可进一步提升板式换热器的换热性能，而且，脉动流技术还可达到防结垢的良好效果，可进一步将其应用于船舶和化工领域。