矩形通道內(nèi)渦流發(fā)生器的換熱與壓降特性

矩形通道內(nèi)渦流發(fā)生器的換熱與壓降特性

0渦流發(fā)生器的研究氣-液體交換裝置廣泛應(yīng)用于動態(tài)、化工、冶金、建筑、紡織、航空等行業(yè)。面對能源短缺的局面,通過提高熱交換器效率以實(shí)現(xiàn)節(jié)能、節(jié)材的思想引起普遍關(guān)注,促使人們不斷開發(fā)出各種強(qiáng)化傳熱技術(shù),特別是由于空氣側(cè)熱阻比液側(cè)或汽側(cè)大得多,往往成為傳熱過程的控制熱阻,所以強(qiáng)化空氣側(cè)換熱是解決問題的關(guān)鍵所在。渦流發(fā)生器是一種通過誘導(dǎo)渦旋擾動來減薄或破壞邊界層的被動式強(qiáng)化傳熱技術(shù),由于其經(jīng)濟(jì)實(shí)用以及在強(qiáng)化傳熱方面的積極效果而成為人們研究的焦點(diǎn)。目前研究中比較一致的看法是:縱向渦的強(qiáng)化換熱效果要好于橫向渦;利用渦流發(fā)生器可使局部換熱系數(shù)增大數(shù)倍,然而在換熱系數(shù)增大的同時也引起壓降的增大。國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了實(shí)驗研究、數(shù)值模擬和流動分析。除利用全自動煙絲技術(shù)、染料噴射技術(shù)、萘升華技術(shù)以及采用激光多普勒測速儀等流動顯示實(shí)驗方法外,還針對渦流發(fā)生器的不同布置方法、安裝方式以及在通道流、板翅式換熱器和百葉式換熱器等中研究對傳熱和壓降的影響。大多數(shù)研究主要針對翼型、柱狀和塊狀渦流發(fā)生器。Mokrani等在管道里安裝7排梯形渦流發(fā)生器進(jìn)行實(shí)驗研究,運(yùn)用激光感應(yīng)技術(shù)觀測流體的流動結(jié)構(gòu),用多普勒激光測速計測量平均速度和紊流量。流體流經(jīng)渦流發(fā)生器時,流體截面減小,導(dǎo)致平均流速增大。實(shí)驗結(jié)果顯示,渦旋提高了紊流強(qiáng)度,從5%增大到17%。Wang等比較了在翅片管換熱器中放置三角翼型和環(huán)狀渦流發(fā)生器的流動狀況和壓降特性,指出在相同的高度和雷諾數(shù)下,三角翼型渦流發(fā)生器產(chǎn)生更為劇烈的渦旋運(yùn)動和流體震蕩,而引起的壓降卻較小。Allison等研究三角翼型渦流發(fā)生器對翅片管換熱器性能的影響。三角翼型渦流發(fā)生器產(chǎn)生了明顯的渦旋,增加了管表面的速度梯度和努謝爾特數(shù)。研究結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的翅片表面相比,渦流發(fā)生器表面的傳熱能力增強(qiáng)87%,而壓力損失只有53%。Wu等研究了在矩形通道中放置矩形翼渦流發(fā)生器后的流動狀況和換熱特性,運(yùn)用場協(xié)同原理分析,渦流發(fā)生器產(chǎn)生的二次流減小了速度和流體溫度梯度的交角,因此換熱增強(qiáng);還指出縱向渦能夠使總的換熱增強(qiáng),而橫向渦只能使局部換熱增強(qiáng)。Leu等研究在板翅式換熱器中放置長方體渦流發(fā)生器的傳熱特性和流動狀況。渦流發(fā)生器能夠產(chǎn)生縱向渦來強(qiáng)化尾流區(qū)的換熱。攻角β=60°時的傳熱系數(shù)比β=45°的高5%~11%,但同時β=60°時的壓力損失也最大,而且壓力損失隨著速度的增加而增大;同時還指出換熱器圓管產(chǎn)生的馬蹄渦與渦流發(fā)生器產(chǎn)生的縱向渦相互作用,能夠提高圓管后換熱性能較弱區(qū)域的換熱。周國兵、汪健生、湯俊潔、魏晉等對斜截半橢圓柱體和斜截半圓柱體渦流發(fā)生器進(jìn)行了研究,指出斜截半橢圓柱體渦流發(fā)生器可以產(chǎn)生端部渦和馬蹄渦系,有利于強(qiáng)化換熱,特別是其流線型結(jié)構(gòu)而使得壓降相對較低。端部渦產(chǎn)生于斜截柱體的斜邊,渦強(qiáng)大,對邊界層的擾動大;馬蹄渦系產(chǎn)生于斜截柱體的根部,位置較低,同時壓降較小。本文在已有研究的基礎(chǔ)上,開發(fā)了斜截半橢圓柱面、斜截半圓柱面等新型渦流發(fā)生器,較斜截柱體加工簡單,制作方便。在矩形通道內(nèi)分別布置單排一對該渦流發(fā)生器并與三角翼、矩形翼、梯形翼、斜截半橢圓柱體和斜截半圓柱體等幾種不同形狀的渦流發(fā)生器進(jìn)行對比實(shí)驗,研究不同工況下的強(qiáng)化換熱性能和壓降特性。1管道泵和水系統(tǒng)實(shí)驗采用氣–水逆流換熱,便于調(diào)整控制工況、更換渦流發(fā)生器,進(jìn)行多種渦流發(fā)生器性能實(shí)驗。本實(shí)驗屬于應(yīng)用基礎(chǔ)性研究,故要求較高的精確度和可靠的定量誤差分析,所以選擇保持熱水和冷風(fēng)入口溫度和流量基本不變的情況下,測量換熱板壁面溫度、氣水出口溫度和壓降,通過實(shí)驗數(shù)據(jù)得到局部換熱系數(shù)變化規(guī)律、壓降–Re關(guān)系,來評價渦流發(fā)生器強(qiáng)化傳熱和壓降特性。實(shí)驗系統(tǒng)分為水系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)、換熱面,如圖1所示。水系統(tǒng)中水在電加熱鍋爐中加熱,進(jìn)入DN15鍍鋅鋼管,流經(jīng)水道(水道長860mm,寬240mm,高20mm),后回到加熱鍋爐完成循環(huán)。采用型號為HM–40E的管道泵來提供循環(huán)動力,在泵的出口安裝LWGY渦輪流量計(精度±0.5%)測量水的流量,安裝調(diào)節(jié)閥控制和調(diào)節(jié)水流量。風(fēng)系統(tǒng)分為入口穩(wěn)定段(長300mm)、實(shí)驗風(fēng)道段(長1000mm)、出口穩(wěn)定段(長300mm),各段寬度均為240mm,高度為40mm。為減少風(fēng)道內(nèi)流場的擾動,在風(fēng)道末端安裝離心式引風(fēng)機(jī)。在引風(fēng)機(jī)的入口處設(shè)置風(fēng)量調(diào)節(jié)閥,控制和調(diào)節(jié)風(fēng)速和風(fēng)量。在出口穩(wěn)定段(距實(shí)驗段出口200mm處)安裝QDF–3熱球風(fēng)速計(誤差±5%)來測量出口的風(fēng)速。在實(shí)驗風(fēng)道入口和出口布置了測壓孔,用橡膠管連接在WO5TAL微壓計上(精度±2%),測量氣流經(jīng)過渦流發(fā)生器、實(shí)驗段后的壓力損失。水系統(tǒng)中的管路、水道和風(fēng)道分別采用15mm厚的橡塑管、橡塑板保溫。水系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)之間的換熱面采用導(dǎo)熱性能良好的銅板(厚1.5mm)。在水側(cè)銅板上打孔埋設(shè)21個銅–康銅熱電偶(精度±0.5℃)來測量壁面溫度分布,孔深1.2mm,沿流向布置7排,每排3個。同時,水道的入口和出口分別布置了pt100鉑電阻溫度計(精度±0.1℃),來測量熱水進(jìn)、出口溫度;風(fēng)道進(jìn)出口溫度用銅–康銅熱電偶測量。溫度測量數(shù)據(jù)由Agilent34970A數(shù)據(jù)采集儀器采集。2渦流發(fā)生器實(shí)驗對比性實(shí)驗:選取直角三角翼、梯形翼、矩形翼、斜截半圓柱體、斜截半橢圓柱體、斜截半圓柱面、斜截半橢圓柱面渦流發(fā)生器(如圖2所示)及平直通道進(jìn)行實(shí)驗。直角三角翼、梯形翼、矩形翼下面的矩形區(qū)域為粘貼區(qū),方便將其固定在換熱面銅板上。其中渦流發(fā)生器的高寬比h/b=1/2,高h(yuǎn)=20mm,寬b=40mm,對于斜截半圓柱體、柱面渦流發(fā)生器直徑d=40mm,斜截傾角a=20°,垂直安裝于傳熱壁面。攻角β=60°,且固定渦流發(fā)生器距實(shí)驗段前沿的距離170mm,一對渦流發(fā)生器間的前沿間距S=20mm,渦流發(fā)生器采用硅膠粘貼在銅板上。實(shí)驗過程:將水路系統(tǒng)注水,在通道內(nèi)按設(shè)計位置安裝一對渦流發(fā)生器,進(jìn)行外保溫。啟動水泵和風(fēng)機(jī),將測壓計、水流量計和熱球風(fēng)速計調(diào)零。調(diào)節(jié)風(fēng)量和水量調(diào)節(jié)閥,使風(fēng)速達(dá)到設(shè)計雷諾數(shù)要求的數(shù)值,相應(yīng)地將水流量固定在某一值處。啟動電加熱鍋爐,將水溫設(shè)置在65℃。系統(tǒng)運(yùn)行中,通過Agilent34970A數(shù)據(jù)采集儀器,觀測出口風(fēng)溫,進(jìn)口水溫,當(dāng)溫度變化保持在0.5℃范圍內(nèi)至少3min時,認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定工況,此時,進(jìn)行掃描。為提高實(shí)驗精度,每個工況掃描3次,掃描間隔為3s;改變工況,重復(fù)以上步驟。另外隨Re的增大,適量提高水流量,以得到適宜的熱流量。根據(jù)(0.9Q1-Q2)/(0.9Q1)≤5%,判斷實(shí)驗是否達(dá)到熱平衡。(根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)計算,實(shí)驗的熱損失為水側(cè)放熱量的10%,故取0.9Q1)檢驗平衡后進(jìn)行實(shí)驗。數(shù)據(jù)處理:氣側(cè)Re由Re=υ?De/ν確定,其中當(dāng)量直徑De=2HB/(H+B)。式中:H為實(shí)驗段風(fēng)道高度,mm;B為實(shí)驗段風(fēng)道寬度,mm;υ為風(fēng)道中風(fēng)速,m/s;ν為空氣運(yùn)動粘度系數(shù),m2/s。從公式中知,不同的風(fēng)速對應(yīng)不同的雷諾數(shù),因此,首先根據(jù)實(shí)驗選定的雷諾數(shù)計算所需要的風(fēng)速,通過調(diào)整出口擋板控制風(fēng)速,保證實(shí)驗所研究的不同雷諾數(shù)工況。出口平均風(fēng)速由QDF–3熱球風(fēng)速計來測量。根據(jù)實(shí)驗測得的數(shù)據(jù)由換熱公式Q=cρν(t1,it1,0)分別計算水側(cè)放熱量、空氣側(cè)吸熱量,其中t1,i和t1,0分別為流體進(jìn)、出口溫度,然后由q=(0.9Q1+Q2)/(2F)得出平均熱流密度q。根據(jù)公式αj=q/(twj-tj)計算局部對流換熱系數(shù)αj,twj為j截面處3個熱電偶值的平均值;tj為實(shí)驗段j截面處的空氣溫度,可由空氣進(jìn)出口溫度按線性插值求得。3渦流發(fā)生器的充放電性能圖3為不同Re時,平直通道和不同渦流發(fā)生器作用下沿通道方向的局部換熱系數(shù)分布圖。其中pz表示平直通道,JXY表示矩形翼,SJY表示三角翼,TXY表示梯形翼,h-JTM表示斜截半橢圓柱面,h-JYM表示斜截半圓柱面,h-JTZ表示斜截半橢圓柱體,h-JYZ表示斜截半圓柱體。可以看出不同工況下斜截半橢圓柱面的強(qiáng)化換熱效果最好。Re=700時,最高局部換熱系數(shù)約比平直通道提高16.9%;Re=4000時,提高約為9.3%,其次為斜截半圓柱面、矩形翼,提高分別為6.8%、6%。因為斜截半橢圓柱面前沿滯止面的曲率半徑比半圓柱面的大,使得前后壓差及壓力梯度大,因而產(chǎn)生的端部渦和馬蹄渦都較強(qiáng),換熱效果較好。而斜截半圓柱面由于柱面后滯止區(qū)的影響較強(qiáng),使其在雷諾數(shù)較小的的工況下的換熱效果并不優(yōu)越。另外看到少數(shù)渦流發(fā)生器在層流工況下的換熱效果次于平直通道。這種現(xiàn)象是由于流速較低時在翼后面出現(xiàn)大片滯止區(qū),而此時產(chǎn)生的端部渦不足以明顯減弱滯止區(qū)的影響。隨著流速的增大,端部渦逐漸增強(qiáng),有效地減弱了翼后滯止區(qū)的影響。Re=2×104時,斜截半橢圓柱面的局部換熱系數(shù)約比平直通道增加了11.4%,其次是矩形翼、斜截半圓柱體,分別為增大6%、4.7%。由圖3可以看出隨著流速的增大,安裝渦流發(fā)生器后,氣側(cè)局部換熱系數(shù)在無量綱距離X/L=0.26處(X/L為流向位置與通道實(shí)驗段長度之比),即渦流發(fā)生器后出現(xiàn)了凸起點(diǎn),說明該處氣流流過渦流發(fā)生器后,由于產(chǎn)生渦旋的作用減薄了邊界層,使氣流與壁面的對流換熱增強(qiáng)。汪健生等對斜截半橢圓柱體渦流發(fā)生器進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,同樣得出了:布置單列渦流發(fā)生器后,空氣沿流向在X/L=0.22處(即渦流發(fā)生器后)的局部對流換熱系數(shù)有一次突變,這表明由于橢圓柱誘導(dǎo)作用產(chǎn)生了縱向渦與流向渦,從而引起局部對流換熱系數(shù)的增加。另外,三角翼型渦流發(fā)生器在Re=700時換熱和壓降各增加5%、16%,與Kwak等研究中三角翼型渦流發(fā)生器在管束換熱器中的換熱和壓降性能的實(shí)驗結(jié)果,Re為350~2100,換熱和壓降分別增強(qiáng)5%~15%,2%~10%(漸擴(kuò)式),10%~30%,34%~55%(漸縮式)基本吻合。Re=700和4000時,由于沿流道方向,氣側(cè)溫升幅度較大,局部換熱系數(shù)呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。由圖3可以看出,不同工況下,斜截半橢圓柱面的換熱效果優(yōu)于斜截半橢圓柱體,Re=2×104時前者比后者高9.5%。這是由于柱面的銳邊相對于柱體的鈍體能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的端部渦,更有利于減薄邊界層和消除回流區(qū)的影響。圖4為不同渦流發(fā)生器各個工況下的壓降特性隨Re變化圖。由圖4看到矩形翼的阻力損失最大,Re=2×104時約為平直流道的1.7倍。而斜截半柱體、柱面的阻力損失要小得多,當(dāng)Re=2×104時,斜截半圓柱面的阻力損失約是平直通道的1.17倍,斜截半橢圓柱面為1.05倍(約增加5%),斜截半柱體的阻力損失與斜截半柱面相差不大。由于在相同高寬比的條件下,矩形翼的迎流面積最大,產(chǎn)生的前后壓差較大,因而壓降較大。而斜截柱面、柱體渦流發(fā)生器由于其流線型結(jié)構(gòu),減少了表面摩擦力,而且延緩了邊界層分離,使其形狀阻力損失明顯減小。Re=2×104時,斜截半橢圓柱面、斜截半圓柱面壓降分別比矩形翼低37.9%、31%。圖5為斜截半橢圓柱面和斜截半圓柱面渦流發(fā)生器在攻角β=60°和β=45°時的局部換熱系數(shù)分布圖。從圖5中可以看到,β=60°時的斜截半橢圓柱面的強(qiáng)化換熱效果最好,最高換熱系數(shù)比β=45°的斜截半圓柱面高6.9%,比β=45°的斜截半橢圓柱面高7.7%。由于β=60°時產(chǎn)生的端部渦和馬蹄渦較β=45°都要強(qiáng),所以換熱效果較好。攻角β=45°時,斜截半圓柱面的效果要好于斜截半橢圓柱面,分析認(rèn)為斜截半圓柱面的曲率半徑小,在β=45°時使得端部渦和馬蹄渦在向下游發(fā)展的時候產(chǎn)生了更強(qiáng)的相干效應(yīng),2種渦的相互作用使得彼此的持續(xù)時間更長,對流場的擾動更強(qiáng)烈,從而使換熱的總體效果較好。4水側(cè)放熱量對測量不確定度的影響本實(shí)驗采用的是間接測量,誤差分析采用間接測量不確定度的評定方法,分為A類和B類。A類評定以樣本算數(shù)平均值作為被測量值的估計,以平均值的實(shí)驗標(biāo)準(zhǔn)差作為標(biāo)準(zhǔn)不確定度;B類評定是指用不同于統(tǒng)計分析的其他方法進(jìn)行不確定度評定,如儀表精度等。平均換熱系數(shù)1)確立函數(shù)關(guān)系。水側(cè)放熱量空氣側(cè)吸熱量對的測量不確定度影響顯著的因素主要有流量、風(fēng)速和溫度、面積(寬度、長度)的測量引起的不確定度m1、m2、m3、m4,測量儀器誤差引起的不確定度m5。以Re=1×104時的實(shí)驗數(shù)據(jù)為例。2)A類不確定度。流量的測量不確定度m1=0.117W/(m2?K);風(fēng)速的測量不確定度m2=0.053W/(m2?K);溫度的測量不確定度m3,1=1.08W/(m2?K),m3,2=0.07W/(m2?K),m3,3=0.07W/(m2?K);面積的測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度m4=0.109W/(m2?K)。3)B類不確定度。4)不確定度合成。5)對流換熱系數(shù)的不確定度。由得平均換熱系數(shù)的測量結(jié)果為46.7W/(m2?K),平均換熱系數(shù)的不確定度為2.9W/(m2?K)。5單次最佳熱系數(shù)通過對矩形通道內(nèi)幾種不同形狀渦流發(fā)生器傳熱和壓降特性的對比性實(shí)驗分析,得出以下結(jié)論:1)在高寬比h/b=1/2,攻角為60°時,不同工況下,斜截半橢圓柱面的強(qiáng)化換熱效果最好。Re=700、4000和20000時,最高局部換熱系數(shù)