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自激振荡管壳式换热器强化传热的可行性分析
王福生 仇性启 王晓琦
（中国石油大学 机电学院，山东 东营 257061）
摘要：脉动流体能够使管壳式换热器换热系数得到提高，而自激振荡腔在一定的结构参数和运行参数下能够使流体产生脉动。在管壳式换热器前安装自激振荡腔，使流体流经自激振荡腔产生脉动流动，从而实现管壳式换热器的强化传热。分析了将自激振荡腔用于管壳式换热器强化传热可行性。
关键词：管壳式换热器；自激振荡；强化传热
中图分类号：TF066.21 文献标识码：A 文章编号：1002-1639(2007)03-0005-02
随着经济的快速发展，世界能源消耗不断增加，近年来强化传热技术越来越受到人们的重视。在各种换热设备中，管壳式换热器由其结构简单, 造价低廉, 选材范围广, 清洗方便, 适应性强, 容量大, 耐压能力强等优点而始终是工业上应用最广的一种换热器。但与某些高效板式换热器相比, 管壳式换热器传热效率低, 单位传热面金属耗量大等缺点又极大地限制了它的应用和发展。因此有必要针对其特点, 对管内流体采用适当的强化措施。脉动强化换热技术具有独特的优越性。一方面，流体脉动能够破坏边界层，减小层流底层的热阻，提高换热系数1 ；另一方面，流体脉动可以有效地防止结垢，实现符合强化传热。本文分析了将自激振荡脉冲射流用于管壳式换热器实现无源强化传热的可行性。
1 脉动强化对流传热
在传热学中，对流2 是指流体各部分之间发生相对位移所引起的热量传递过程。对流仅在流体中发生，且必然伴随着导热现象。在工程上，特别在表面式换热器中，大量遇到的是流体流过另一个物体表面时所发生的热交换过程。当流体作层流运动时，由于各层流体间互不掺混，垂直与流动方向上的热量传递只能依靠流体内部的导热进行。因此换热强度较低。当流体作湍流运动时，流体中传热因存在强烈的流体微团混合运动而大为加强。但是在紧贴壁面的流体底层仍作层流运动。在此层流底层中，热量传递仍依靠导热。所以湍流换热时主要热阻即在此层流底层中。
由上述可见，就物理本质而言，影响流体换热强度最主要的因素是层流底层。如能使紧贴壁面的层流底层减薄，增加主流流体湍流度使流体中心和壁面之间产生强烈的扰动混合，拉平管道中心主流流体的径向温度梯度，增加管壁处流体的径向温度梯度。
扰动是产生和增强湍流的根本因素。
1.1 脉动强化对流传热机理
流体脉动强化传热的机理大致以下几点：
（1）管内流场由于脉动的存在而发生了改变，从而也改变了管内流体的温度场，使流体与壁面处的温度梯度发生了变化，导致了对流换热的改变，这已经被理论解以及数值解所证实。
（2）将强迫对流引入层流底层。在恒定管流中，热量是通过热传导的方式穿过层流底层，对流对于该层影响很小。但是对恒定流施加脉动以后，脉动的压力使层流底层与中心流体交界附近产生径向周期性的变化，在微小尺度上可以认为是流体在径向产生周期性的流动，从而在径向产生了强迫对流换热。
（3）“卷吸”现象 。对于流体脉动强化传热方式而 言，换热管内流体的流速在周期地发生变化，管中心主流流体由于径向速度梯度较小，流体粘性的影响很小甚至可以忽略，因此流速变化比较迅速，脉动幅度也较大。而对于靠近壁面粘性底层处的流体而言，根据牛顿内摩擦定律：由于流速远低于管中心主流流体的速度，具有很大的速度梯度，因此在粘性底层内粘性力起很大作用，使得振动时流速变化比较迟缓，脉动幅度也较小。当管内流体流速逐渐增大时，很大的中心速度及其变化将在粘性底层的边缘处引起类似“卷吸”现象，形成尺寸较大的大量涡旋。由于粘性的作用，在运动过程中这些涡旋将分解成为更小尺寸的涡旋，同时在管内径向涡旋浓度差和流体脉动压力作用下将向管中心扩散，这一过程促进了中心流体和近壁面处流体之间的掺混，增加了边缘流体与管中心流体的热量传递，提高了对流换热系数。
1.2 脉动强化对流换热的研究
文献 [4] 在一套管式换热系统上装有一频率可调的脉动源，实现了强化换热的目的。研究表明：由于脉动能提高流体的湍流程度，在较低流速即层流时的换热也应有明显的强化换热作用。但由于流速过低, 流体脉动的幅度太小不可能引起强烈的扰动作用,因此适用于流体脉动来强化换热的流体速度有一定范围。在工业换热器常用的流速（0.2 ～ 2.0 m/s）内, 脉动强化效果是很显著的，说明脉动强化传热是一种很有使用价值的强化措施。
脉动频率是影响换热的重要因素。在低频时, 提高频率能够增强速度梯度, 因而有利于换热。但过高的脉动频率会使流速得不到足够的衰减, 减弱脉动强度, 反而不利于换热。这样必存在着一个最佳频率值, 在此频率下, 能达到最佳传热效果。
Nishimura 研究了凹槽通道中脉动流动的流动和传热特性。Lee6 研究了脉动流动对波纹管中流体的掺混和传质效果的强化作用。大量研究证实，流体的脉动是强化传热的一个主要因素，利用脉动流动技术能显著地增强流体扰动和相互掺混，从而达到强化传热的目的。
2 自激振荡
所谓自激振动，就是不须外加激励，靠流体自身在合适的流体结构中产生的振荡。流体自激振动是自然界的一个普遍现象，许多时候流体自激振动会产生破坏作用. 例如飞机航行时，飞机翅膀出现的湍流抖振现象，海底电缆、输油管线以及输气管各种阀门，由于流体振动而导致破裂等等。为了减少或消除流体流动所引起的振动，人们对各种引起流体自激振动的流动形式及机理进行了广泛深人的研究。其中 D. Fiock-well 和 E. Naudascher 根据流体诱发自激振动的原因，将流体的自激振动分为三类:
（1）流体动力学（Fluid-dynamic）激励。即通过剪切层不稳定性产生扰动并使扰动放大，再通过反馈作用加强。
（2）流体共振（Fluid-resonant）激励。即通过共振波效应引起脉动，在合适的液体结构中产生驻波，将压力放大。
（3）流体弹性（Fluid-elastic）激励。即自激振动靠结构固体边界周期性变形产生。
当然，在实际中，腔室中的自激振动可能同时由流体动力学、流体共振和流体弹性引起。虽然以上三种自激振荡产生的形式不同，但产生的自激振动机理 类似， 其工作原理如图 1 所示。
即流束中的不稳定扰动波如涡量脉动在穿过自由剪切层时，剪切层不稳定性对其有放大作用；当扰动波传递到下游端，并与下游端碰撞时，就在下游壁附近产生压力扰动波并向上游反射；此反馈扰动波在上游边界层分离处诱发新的扰动波，当新扰动与原扰动频率匹配且具有合适的相位关系时射流上游就不断地周期性激励，其固有波形受到调制，振荡腔内就产生流体自激振荡并在出口形成脉动射流。这就是说扰动波在腔内剪切层中的传播由以下四部分组成：a. 在上喷嘴出口处初生的涡量扰动；b. 这些扰动在向下游传播的过程中脉动幅值增大；c. 涡量扰动与碰撞壁的相互作用；d. 在碰撞区的扰动波不是以声频、弹性效应就是以水动力学方式向上游传播，在诱发分离区产生新的涡量扰动。
另一种自激振荡的机理是“空气弹簧”理论 ，其理论如图 2 所示。
由于上喷嘴高速射流束与下游碰撞壁相互作用，在碰撞壁靠腔壁侧产生空化汽核进而产生漩涡空化，该空化汽囊沿轴线两侧对称的周向循环，其间不断发生空化汽囊的“产生-增长-溃灭-再生”的循环过程，空化区域周期性胀缩，从而引起腔内流体阻抗的周期性变化，波及脉冲射流中心，产生脉冲射流。空化汽囊增大时，对射流进行阻抗，为低压储能阶段，空化汽囊溃灭时，产生高压冲击，集中释放射流能量，对称空化区的变化起到了改变能量分布的作用。
3 自激振荡强化传热研究现状
脉动流体能够起到强化传热的作用，而自激振荡腔在一定的结构参数和运行参数下能使流体产生脉动，于是人们想到了用自激振荡腔使流体产生脉动来强化传热，并进行了相关的研究9~12。研究表明：流体经过振荡腔后，产生的脉动作用实现了强化换热；振荡腔的结构参数和运行参数都将影响流体的脉动效果，进而影响换热效果。
4 结论
将自激振荡腔用于管壳式换热器上，一方面可以实现无源强化换热，有效防止结垢，技术上可行；另一方面自激振荡腔结构简单，可直接安装在换热器的入口处，有利于对现有的管壳式换热器进行改造，经济上可行。综上所述，将自激振荡腔用于管壳式换热器强化传热是可行的。
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