高压换热器
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层流中脉动气流横掠平板的强化传热点击：1870 日期：[ 2014-04-26 21:13:58 ] |
| 层流中脉动气流横掠平板的强化传热 李国能，项忠晓，郑友取，胡桂林 （浙江科技学院新能源与节能技术研究所（筹），浙江杭州３１００２３） 关键词：层流；脉动流；强化传热；横掠平板 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０４３８－１１５７．２０１２．０６．００９ 中图分类号：ＴＫ １２４ 文献标志码：Ａ文章编号：０４３８－１１５７（２０１２）０６－１７１７－０６ 引 言 换热器是各种工业部门最常见的通用热工设备，广泛应用于化工、能源、机械、交通、制冷及航空航天等各个领域，是工业过程不可缺少的重要设备，提高换热器的工作性能直接影响到各个工业部门的设备能耗和低品位能源的回收程度，是低碳能源技术的一个重要方面。由于换热器的涉及面广，因此提高换热器换热性能的研究意义重大，具有深远的工业应用背景。近年来，一种基于脉动气流强化传热的换热技术得到了广泛的关注，国内外的文献报道呈现出不断增加的趋势。 Ｄｅｃ等［１］研究了脉动燃烧器出口的气流换热特性，发现脉动频率ｆ约为８０Ｈｚ的脉动气流能大幅度地提高系统的换热效率。Ｍｏｓｃｈａｎｄｒｅｏｕ等［２］采用理论方法研究了脉动气流中不同Ｐｒａｎｄｔｌ数和脉动频率ｆ在固定壁面热流率的管内强化传热的响应行为，发现Ｐｒ和ｆ只有在特定的范围内才能增加系统的换热效率。类似地，Ｃｈａｔｔｏｐａｄｈｙａｙ等［３］和Ａｋｄａｇ等［４－５］分别采用数值模拟方法验证了Ｍｏｓｃｈａｎｄｒｅｏｕ等［２］的发现，并指出低频小振幅热声脉动强化传热的效果有限。Ｆｒａｅｎｋｅｌ等［６］研究了Ｒｉｊｋｅ管激发的热声脉动波在提高谷物干燥速度的效果，发现脉动频率ｆ为８０Ｈｚ，振幅ｐ为１５３ｄＢ的热声脉动波能提高谷物的干燥速度１倍以上。 Ｈｏｍｍｅｍａ等［７］研究了一个脉动燃烧器的尾部烟气的换热特性，其烟气的脉动频率固定为３４Ｈｚ，燃烧器尾部装设的换热器的有效换热效率增加１．８倍。Ｈｅｍｉｄａ等［８］采用理论方法研究了脉动气流与稳定气流在传热上的区别，提出了适用于脉动条件下的换热效率计算公式。Ｔｈｙａｇｅｓｗａｒａｎ［９］发展了一种能合理预测基于脉动传热的近壁面湍流模型，其模拟结果与实验结果吻合良好。Ｂｏｕｖｉｅｒ等［１０］探讨了一根细圆管在脉动波作用下的热通量特性，获得了一个能更准确预测有效换热效率的数学模型。 Ｍｏｏｎ等［１１］分析了一个布置矩形方块的管道在脉动波影响下的传热情况，详细测量了脉动频率在１０Ｈｚ到１００Ｈｚ之间的换热效率，发现脉动频率与矩形方块间距的流动周期频率一致时，系统的换热效率最大。 程林等［１２］对流体诱导振动强化传热进行了理论分析，发现脉动气流具备强化传热的可能。何雅玲等［１３］对脉动流强化凸块散热进行了数值模拟，指出凸块的传热效率随着气流的Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数和脉动振幅ｐ的增大而增大，并且存在强化传热的最佳Ｓｔｒｏｕｈａｌ数Ｓｔ。俞接成等［１４］对平板通道内脉动流强化传热进行了数值研究，发现脉动频率ｆ越低，受热面边界内的速度场和温度场协同程度越好，强化传热的效果越显著。谢公南等［１５］采用ＳＩＭＰＬＥＲ数值方法研究了一种周期性渐扩渐缩波纹管通道内脉动气流引起的强化传热特性，认为换热效率随着Ｒｅ、ｆ和ｐ的增大而增大。翟明等［１６］研究了脉动燃烧器尾部去耦室的压力振幅ｐ的大小对燃烧室的传热影响，发现传热效率随着脉动振幅的增大而增大。 综上所述，脉动气流强化传热的研究尚处于起步阶段，大多数文献以结构复杂的燃烧器内的脉动气流对整体传热的影响报道为主［１，６－７］；或单纯进行理论或数值模拟研究［２－５，８－１０，１２－１５］；少数研究者搭建了换热形式简单的实验台架［１１，１６］，研究了脉动气流下换热表面的传热机理，同时存在结论相矛盾的文献报道［１４－１５］。本文采用先进的高温共烧陶瓷发热片作为换热平面，研究了层流中不同Ｒｅｙｎ－ｏｌｄｓ数下脉动气流对换热平面的强化传热效率，研究结果可充实已有的文献报道，同时为新型的换热器设计提供参考。 １ 实验简介 图１给出了自行搭建的脉动气流强化传热实验台架的示意图。研究对象为高温共烧陶瓷发热片（ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏ－ｆｉｒｅｄ ｃｅｒａｍｉｃｓ，ＨＴＣＣ）在脉动气流中的传热规律，本文研究的流动范围为层流流动。ＨＴＣＣ发热片外表面上单位面积的热流率相等，因此ＨＴＣＣ发热片为等热通量平面，适合于表面传热的机理研究，这是本文实验设计时选取的特殊实验元件。实验采用的ＨＴＣＣ发热片尺寸为７０ｍｍ×２０ｍｍ×１．３ｍｍ，布置在一个内边长为５２ｍｍ，高度为５５０ｍｍ的正方形不锈钢方管中，壁厚为４ｍｍ，不锈钢管垂直布置，外面没有设置保温层。在不锈钢入口处布置了一片厚度为１５ｍｍ，孔隙率为０．７２的方孔型空气整流板，材质为致密堇青石。空气整流板上方３０ｍｍ处布置一个ＣＹＧ１４０６系列的动态压力传感器，精度为０．５％，压力传感器上方９０ｍｍ处的横截面均匀布置ＨＴＣＣ发热片，宽度方向为下游方向。在ＨＴＣＣ上方１２０ｍｍ处的中心位置布置了一根直径为２ｍｍ的Ｋ型热电偶，精度为０．５％。 为在稳定气流中施加低频的脉动分量，在不锈钢管下方布置一个口径为３００ｍｍ的８Ω低频扬声器，通过合理设计聚声管将口径缩小至８０ｍｍ的圆形减振管。在减振管下方开口布置进气管，空气经空压机压缩存储在一个１ｍ３的不锈钢储气罐中，经由三级除湿除尘系统进入Ａｌｉｃａｔ系列质量流量控制器，Ａｌｉｃａｔ质量流量控制器的精度为读数的０．８％加上量程的０．２％。扬声器的激励采用ＸＤ２２系列低频信号发生器，经由Ｖｉｌｉｏｄｏｒ ９７０２系列信号放大器将信号输入扬声器，与此同时采用ＳＴ１６系列示波器监视信号发生器输入的信号波形。压力信号通过ＮＩ ６００８系列数据采集系统，结合自行开发的ＬａｂＶＩＥＷ数据采集软件进行动态压力的采集， 以获得不锈钢管入口处的脉动振幅。ＨＴＣＣ发热片的供电通过变压器实现，并接入ＥＶＥＲＦＩＮＥＰＦ９８００系列功率测量仪，从而测量得到ＨＴＣＣ的供电电压、电流、功率和功率因素，测量精度为读数的０．４％加上量程的０．１％。热电偶的信号通过Ａｇｉｌｅｎｔ ３４９７０Ａ和Ａｇｉｌｅｎｔ ３４９０８Ａ数据采集系统，结合Ａｇｉｌｅｎｔ ＢｅｎｃｈＬｉｎｋ Ｄａｔａ Ｌｏｇｇｅｒ进行数据采集。 在进行实验研究时，ＨＴＣＣ发热片组的输入电压固定为５０．０Ｖ，通过质量流量控制器改变空气流率Ｑａｉｒ，从而获得不同的Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数。本文研究的Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数范围为４３３～１７３３，Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数的计算是基于不锈钢方管的内边长和管内的平均流速。综合考虑文献［６－７，１０］的研究结果，选择脉动频率ｆ＝３０Ｈｚ，脉动振幅ｐｒｍｓ＝１６５Ｐａ作为本文研究的脉动参数，着重研究层流条件下Ｒｅｙｎ－ｏｌｄｓ数对脉动气流强化传热效果的影响。关于脉动频率和脉动振幅等系统参数对脉动气流强化传热的影响，将在后续工作中进行报道。本文的实验工况的进气温度为２８９．５Ｋ。 ２ 实验结果与分析 ２．１ 脉动气流强化传热的实验结果与分析 图２给出了工况１在脉动条件下压力传感器测量得到的压力波形及其频谱。各个工况下的压力波形和频谱非常接近，因此只给出工况１的压力波形和频谱结果。由图２可见，压力波形接近正弦波，频谱分析主峰明显，无其他谐波。图３给出了不同Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数下稳定气流中和脉动气流中ＨＴＣＣ发热片组的功率消耗情况，由于ＨＴＣＣ的发热是其内部按照发热电路印刷的发热电阻浆料产生的，所以ＨＴＣＣ发热片组为纯电阻性，所有工况下的功率因素均为１．０。当Ｒｅ＝４３３时，稳定气流中ＨＴＣＣ发热片组的功率为５１．７Ｗ，施加脉动分量后的功率为５６．７Ｗ，有了显著的提高。值得注意的是，施加脉动分量前后ＨＴＣＣ发热片组的供电电压均稳定在５０．０Ｖ，因此在施加脉动分量后，ＨＴＣＣ发热片组的总电流值发生了改变，从而导致了ＨＴＣＣ发热片组的功率增大。当Ｒｅ＝１７３３时，稳定气流中ＨＴＣＣ发热片组的功率为５５．４Ｗ，施加脉动分量后的功率为６１．４Ｗ。在稳定气流中加入脉动分量时，在固定供电电压的条件下ＨＴＣＣ发热片组的电流值并非随着Ｒｅ的增加而线性增大，而是电流值的平方值随着Ｒｅ的增大而线性增大，即ＨＴＣＣ发热片组的功率随着Ｒｅ的增大而线性增大。由基本的对流传热知识可知，当横掠平面的气流速度增加时，换热量会增加；但是由基本的对流传热知识并不能确定换热量是按照什么样的规律增加，本文的实验结果发现了换热量是随着Ｒｅ线性增加的。另外，将稳定气流下ＨＴＣＣ发热片组的功率消耗数据与脉动气流下的功率消耗数据均作线性拟合，可以发现，拟合结果的斜率分别为０．０２７３和０．０３４５，脉动气流下的线性拟合结果的斜率较大，为稳定气流下的斜率的１．２６倍。 图４给出了不同Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数下脉动气流强化传热效率的结果，强化传热效率ξ定义为脉动气流下ＨＴＣＣ发热片组的功率减去稳定气流下ＨＴＣＣ发热片组的功率，然后除以稳定气流下ＨＴＣＣ发热片组的功率所获得的百分数。本文以功率的变化来描述对流传热强化规律，能体现出脉动气流对传热过程的最终影响，但是更精确的做法应该是通过三维热成像仪获得各处的表面温度，进而根据Ｎｕｓｓｅｌｔ数的公式计算对流传热系数。限于实验条件，本文无法开展这样的研究，另外，本文获得的强化传热系数与类似文献［１７］结果基本一致，强化传热系数在９％～１２％之间，但是文献［１７］的研究对象是等热通量长方体。由图４可见，当Ｒｅ＝４３３时，脉动气流使得ＨＴＣＣ发热片组的传热增加９．７％；当Ｒｅ＝１７３３时，脉动气流使得ＨＴＣＣ发热片组的传热增加１０．８％，这说明了在合适的脉动参数下（ｆ＝３０Ｈｚ，ｐｒｍｓ＝１６５Ｐａ），脉动气流有效地强化了等热通量平面的换热性能，在层流的大部分区域中（Ｒｅ＝４３３～１７３３）脉动气流强化等热通量平面的传热的效率超过了９．７％。 ２．２ 脉动气流对换热面下游温度的影响特性 图５给出了不同Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数下ＨＴＣＣ发热片组下游１２０ｍｍ中心处气流的温度在稳定气流变化到脉动气流的变化曲线。脉动的施加时间为横坐标的７５ｓ。由图可知，在稳定气流施加脉动分量后，ＨＴＣＣ发热片组下游１２０ｍｍ处的温度迅速增加，在２５ｓ之内，从稳定气流下的温度上升到最高温度，然后稍微下降一定的幅度。在施加脉动分量１００ｓ之后可认为系统达到新的平衡，脉动分量导致的强化传热效果已经形成。另外，施加脉动分量后的测量温度在最小Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数下获得了最大的测量值；在最大的Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数下获得了最小的测量值。在不同Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数下ＨＴＣＣ片组的强化传热效率约为１０％，因此，施加脉动前后ＨＴＣＣ的功率增加部分较为接近，但是低Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数意味着气流的体积流率明显降低，从而在相近的功率增加值条件下获得了最高的温度值。但是，在稳定气流下，并非越小的Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数就能获得越大的温度测量结果，如图５所示，工况４到工况９的测量温度变化规律合乎常理，但是工况１到工况３的温度测量结果并不是最大。对此，作者认为这是由于稳定气流的低Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数造成的，因为工况１的Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数为４３３，对应的平均气流速度只有０．１２ｍ·ｓ－１，而ＨＴＣＣ发热片组下游１２０ｍｍ的热电偶探头位于横截面中心位置，在俯视图上探头距离两侧的ＨＴＣＣ发热片均有５ｍｍ的距离，因此，缓慢的气流流经ＨＴＣＣ发热片时被对流加热，然后在下游进行内部温度传递，当Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数较低时，经过了１２０ｍｍ的距离之后的内部热传递后仍不能达到较为均匀的水平，从而造成了工况１的测量结果的奇异性。另外，工况２和工况３也呈现出类似的规律，吻合上述的分析和推测；而工况４的温度测量结果也初步体现出了这种低Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数的影响特性。 图６给出了不同Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数下所有工况在进入稳定状态时的温度测量结果。由图可见，当Ｒｅ＞８００之后，增加脉动分量之后的温度测量结果与稳定气流下的温度测量结果的温差在１３．６～１５．０Ｋ之间。然而，由图５可见，在相同的Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数范围内稳定气流下气流流经ＨＴＣＣ发热片组后的测量温度的温升在２８．４～４５．０Ｋ之间，从前面的功率测量结果可知，各个工况下强化换热效率均小于１０．８％。因此，ＨＴＣＣ发热片组下游１２０ｍｍ处的温度测量结果并不能用于计算真实的强化换热效率，原因是该测量点远离ＨＴＣＣ发热片组，而且仅仅为点测量，同时整个系统都在发生着热交换，但是该温度测点却给出了丰富的信息，这在前文中已经阐述，综合图５和图６可以知道，脉动气流在强化ＨＴＣＣ发热片组换热的同时，也增强了气流内部的热传递。 ３ 结 论 搭建了脉动气流强化传热实验台架，研究了不同Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数下脉动气流强化等热通量平面的传热，脉动气流的脉动频率ｆ固定为３０Ｈｚ，脉动振幅ｐｒｍｓ固定为１６５Ｐａ，Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数范围４３３～１７３３，获得了以下结论。 （１）在本文采用的脉动参数条件下，脉动气流有效地强化了等热通量平面的换热性能，强化换热效率介于９．７％～１０．８％之间，随着Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数的增加轻微地线性增加。 （２）在层流流动中，不管是在稳定气流下还是在脉动气流下，等热通量平面的换热性能都随着Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数的增加而线性地增加。 （３）脉动气流能迅速增加换热面下游的温度水平，在强化发热面传热的同时，也增强了气流内部的热传递。 参考文献：略 |
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