低频脉动强化换热实验研究

王 军，葛忆茹，潘朝峰，陈 宁

(江苏科技大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212003)

0 引 言

板式换热器广泛运用于中央冷却器、海水预热器等领域，但其流道狭窄，易结垢，清洗周期短，维护费用高。脉动强化换热在提高设备换热性能的同时还具有抑垢、除垢的效果，这使得脉动强化换热技术在船舶等工业领域具有广泛的应用前景。Havemainn[1]的实验结果表明传热性能与频率、幅值、波形及流动雷诺数有关。Zohir[2]与Karamercan[3]对水平式蒸汽-水换热器的换热率进行研究，得出在过渡区脉动强化换热效果最佳的结论。 Juber[4]对管道内脉动湍流气流的传热特性进行了实验研究，结果显示Nu数受到脉动频率和雷诺数的强烈影响。Jin[5]和Jafari[6]通过实验验证了最佳脉动频率的存在。脉动强化换热机理主要概括为以下3点：1）提高流体湍流度，减薄边界层从而提高换热[7]；2）周期性的压力变化使流体产生漩涡，向边界层引入强制对流；3）空化效应在产生机械作用的同时，空化泡溃灭瞬间在气泡周围微小空间形成局部热点，产生具有高化学活性和强氧化性的OH–和H2O2[8]，从而具有良好的抑垢、除垢的效果。

1 脉动强化换热实验

1.1 实验设计

图 1 脉动强化换热实验系统原理图Fig. 1 System schematic diagram of pulsating enhanced heat transfer experiment

实验在离心泵上加装变频器，通过变频调节泵的流量。在冷水路端设置分流，以保证主流流量的稳定。调节两支流端的球阀开度，可控制脉动振幅的大小。通过时间控制器设置电磁阀的开闭时间，从而改变脉动频率。实验选用异侧钎焊式板式换热器，以智能温控热水桶作为恒温水箱。实验选用K型热电偶插入管道内测量流体温度，选用SIN-P300压力传感器测量脉动压力振幅，选用浮子流量计测量冷却水分流流量，以体积流量法测得冷、热水流量。选用研华USB-4718数据采集卡，以Microsoft Visual Studio为平台，自主编程，建立数据可视化平台及数据库。

图 2 脉动强化换热实验系统实物图Fig. 2 System physical diagram of pulsating enhanced heat transfer experiment

1.2 实验计算

冷水路换热量Qc为：

板式换热器热水路换热量Qh为：

板式换热器总传热系数K为：

定义强化换热比Em为：

2 实验结果及数据分析

实验在雷诺数Re为2 409，3 127，3 614，4 263，5 269，6 075，7 186，8 180；频率为 0.5 Hz，1 Hz，1.52 Hz，2 Hz，2.5 Hz；脉动振幅为 0.01 MPa，0.015 MPa的工况下进行。

2.1 强化换热比Em与雷诺数Re的关系

脉动振幅A1，A2下Em与Re的关系如图3和图4所示。

图 3 脉动振幅A1下强化换热比Em与雷诺数Re的关系Fig. 3 The relationship between the reynolds number and enhanced heat exchange ratio under the pulsation amplitude of A1

图 4 脉动振幅A2下强化换热比与雷诺数的关系Fig. 4 The relationship between the reynolds number and enhanced heat exchange ratio under the pulsation amplitude of A2

在各实验工况下，Em均大于100%，即在脉动振幅A2下，脉动流均具有强化换热的效果。 由此可见，在较低脉动振幅A1下，在层流阶段，较低脉动频率的脉动流会出现弱化换热效果的现象，可能是因为在较低流速下，低频脉动流不利于流体流动的连续性；在其他稍高脉动频率下，脉动流具有较弱的强化换热效果。在过渡阶段，不同实验频率下的脉动流均具有显著的强化换热效果，且强化换热比Em出现峰值。过渡阶段为最佳强化换热区，印证了Lemlich，Baird等提出的在过渡区脉动强化换热效果最佳的结论。其原因是随着雷诺数Re的增加，流体的湍流度增加，且将脉动引入流体后，周期性的压力变化使流体产生强制对流，并通过促进旋涡的形成增加有效传热，从而将对流引入边界层。在湍流阶段，脉动流具有一定的强化换热效果，但随着雷诺数Re的增加，强化换热效果逐渐减弱。在旺盛湍流阶段，在不同实验频率下均出现脉动流弱化换热效果的现象。其原因是在较高的流速下，脉动流要与流体中已形成的高湍流度相竞争。

而脉动振幅A2下的脉动流对于板式换热器均具有强化换热的效果，且脉动频率对强化换热效果的影响较大。在层流阶段，各脉动频率下的强化换热比Em差距不大。在过渡阶段，较高脉动频率下下的强化换热比Em波动较大，且出现最大值，即脉动流达到了最佳换热效果。在旺盛湍流阶段，各脉动频率下的强化换热比Em变化较小，脉动流的强化换热效果较为稳定。

2.2 不同脉动频率下换热结果分析

脉动振幅A1，A2下Em与f的关系如图5和图6所示。

图 5 脉动振幅A1下强化换热比Em与脉动频率f的关系Fig. 5 The relationship between the pulsating frequency and the heat exchange ratio under the pulsation amplitude of A1

图 6 脉动振幅A2下强化换热比Em与脉动频率f的关系Fig. 6 The relationship between the pulsating frequency and the heat exchange ratio under the pulsation amplitude of A2

在脉动振幅A1下，在层流及过渡阶段，脉动频率f对脉动流强化换热效果的影响较小；在湍流阶段，脉动频率f对换热效果的影响最为强烈，各雷诺数下的强化换热比Em的变化趋势有所不同；在旺盛湍流阶段，脉动频率f对强化换热效果的影响很小，同时出现脉动流弱化换热的现象。在脉动振幅A2下，在层流及过渡阶段，脉动频率f对脉动流强化换热效果的影响较小；在湍流阶段，脉动频率f对换热效果的影响最为强烈，最佳换热区在此出现；在旺盛湍流阶段，脉动频率f对强化换热效果的影响很小。

2.3 不同脉动振幅下换热结果分析

从整体来看，脉动振幅A1，A2下的强化换热比Em随雷诺数Re变化的趋势非常相似，但相比于脉动振幅A1，脉动振幅A2下强化换热比Em的变化波动更大。且脉动振幅A2下的强化换热比Em整体高于脉动振幅A1，即脉动振幅A2下脉动流对板式换热器的强化换热效果更好。这说明在实验工况下，增加脉动振幅对脉动流强化换热能力有一定的提升作用。其原因是更高的脉动振幅意味着更大的周期性压力梯度的变化，可以扭转轴流，引起更剧烈的径向分流，从而提高湍流度。

2.4 脉动振幅A1，A2下的最佳脉动频率fo

在同一工况下，脉动流达到最佳强化换热效果所在的脉动频率定义为最佳脉动频率fo。在脉动振幅A1与A2下，强化换热比Em随脉动频率f的变化关系如图7所示。

图 7 脉动振幅A1，A2下最佳脉动频率fo与雷诺数Re的关系Fig. 7 The relationship between the optimum pulsating frequency and the Reynolds number under the pulsation amplitude of A1 and A2

脉动振幅A1下的最佳脉动频率fo主要集中在2.5 Hz，而脉动振幅A2下的最佳脉动频率fo主要集中在1.5 Hz，且从整体来看，两者变化趋势相似。这表明在不同工况下，最佳脉动频率fo存在，与流体流动状态、脉动振幅等因素有关且有一定的变化规律。同一脉动振幅下造成最佳脉动频率随雷诺数变化而迁移可能是因为，在不同的脉动频率下，空化效应产生的气泡的速率以及气泡破灭的速率不同。

3 结 语

本文以电磁阀作为脉动源，研究低频脉动流对于板式换热器换热效果的影响，得到以下结论：

1）过渡阶段为最佳强化换热区；在旺盛湍流阶段，可能会出现脉动流弱化换热效果的现象；

2）在层流、过渡、旺盛湍流阶段，脉动频率对脉动流强化换热效果的影响较小；在湍流阶段，脉动频率对换热效果的影响最为强烈；

3）增加脉动振幅对脉动流强化换热能力有一定的提升作用，但在一些情况下，脉动流在较高脉动振幅下的强化换热效果反而降低；

4）在各实验工况下，存在最佳脉动频率fo，其值与流体流动状态、脉动振幅等因素有关；

5）总体而言，在实验工况下，脉动流具有一定的强化换热效果。实验在脉动振幅A2下，Re=4 263，f=2.5 Hz，d=50%时所获得的最佳强化换热比Em达到129.07%。

本文实验对于脉动振幅的研究范围较窄，对各脉动参数的内在联系缺乏系统的认识，只将脉动流动应用于板式换热器换热方面，今后可以将其广泛应用于柴油机冷却、电子芯片散热、柴油机余热回收等领域。