王 晨 ,桑芝富
(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,南京 210009)
螺旋折流板換熱器是一種具有殼程壓力損失小,單位壓降下殼程傳熱系數(shù)高等諸多優(yōu)點(diǎn)的新型換熱裝置[1],其設(shè)計(jì)思想是將多塊部分橢圓平板相互連接,每塊折流板與殼體軸線(xiàn)呈相同的夾角,從而形成近似螺旋面,使殼程流體產(chǎn)生螺旋狀流動(dòng)(如圖1所示),殼程流體流動(dòng)方式的改變是螺旋折流板換熱器性能優(yōu)越的主要原因[2-3]。目前有關(guān)螺旋折流板換熱器的文獻(xiàn)多集中于對(duì)其傳熱、阻力和積垢性能的研究[4-9],而有關(guān)螺旋折流板換熱器殼程流動(dòng)狀態(tài)的研究多采用數(shù)值模擬的方法[10-15],這是由于殼程流體的流動(dòng)特性復(fù)雜,且管殼式換熱器內(nèi)換熱管數(shù)量眾多,相鄰換熱管之間的距離小,使得運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段對(duì)殼程流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量十分困難,相關(guān)研究也相對(duì)滯后。國(guó)內(nèi)僅王素華、王樹(shù)立[16-17]以及孫琪[18]等人利用PLDV激光測(cè)速儀,在有機(jī)玻璃實(shí)驗(yàn)?zāi)P蜕媳容^測(cè)量了不同螺旋角度和搭接量的螺旋折流板換熱器殼側(cè)程流速的分布特點(diǎn)。
粒子圖像測(cè)速儀(Particle Image Velocimetry,PIV)是20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來(lái)的一種非接觸式瞬態(tài)速度測(cè)量技術(shù),其重要特點(diǎn)就是突破了空間單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的局限性,可在同一時(shí)刻記錄下整個(gè)測(cè)量平面的有關(guān)信息[19-20]。運(yùn)用PIV技術(shù)對(duì)螺旋折流板換熱器殼程流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量,并通過(guò)測(cè)量結(jié)果計(jì)算出不同區(qū)域的軸向、切向和徑向速度。
圖1 螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of heat exchanger with helical baffles
PIV系統(tǒng)主要由激光器、同步控制器、CCD相機(jī)及圖像分析采集系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)所用光源為雙諧振脈沖式Nd∶YAG激光器,脈沖能量為200mJ,重復(fù)頻率為15Hz,脈沖寬度小于8ns,雙脈沖時(shí)間間隔小于1μ s。同步控制器是PIV系統(tǒng)的時(shí)序控制機(jī)構(gòu),型號(hào)為 MicroPluse710。高速互相關(guān) CCD型號(hào)為ES2001,分辨率為 1600(H)×1200(V)pixel,8~12bit電子快門(mén),視頻率為15~30幀/s,16級(jí)電子增益,配備尼康(NIKON)50mm/F1.4鏡頭。圖像采集分析系統(tǒng)軟件為MicroVec V2.0。
PIV測(cè)量時(shí)需加入示蹤粒子,鑒于本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量介質(zhì)是水,選用與水密度相近的空心玻璃微珠作為示蹤粒子。
實(shí)驗(yàn)所用螺旋折流板換熱器模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。模型由透明有機(jī)玻璃制作,殼程工作介質(zhì)為水,流量為14m3/h。筒體外部套有一個(gè)矩形光學(xué)補(bǔ)償盒,其內(nèi)充滿(mǎn)水,以抵消光在圓形筒體壁面上的折射。圖2所示為實(shí)驗(yàn)?zāi)P偷慕Y(jié)構(gòu)示意圖。換熱管及折流板涂以亞光黑漆,防止其表面反光,影響測(cè)量結(jié)果。
表1 試件結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of test samples
圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)P徒Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch diagram of experimental model
測(cè)試區(qū)域?yàn)榈谌菥嗟牡诙笙?軸向位置Z=825mm~925mm。由于螺旋折流板為空間連續(xù)布置,無(wú)法進(jìn)行三維測(cè)試,因此本實(shí)驗(yàn)采用了二維測(cè)試。片光入射的位置如圖3所示,其中縱向Y剖面可以得到Y(jié)和Z方向的速度,而從橫向X剖面可以得到X和Z方向的速度。在光學(xué)補(bǔ)償盒上貼有坐標(biāo),以保證片光入射位置的準(zhǔn)確。
實(shí)驗(yàn)中激光強(qiáng)度設(shè)置為120mJ,以保證粒子的成像亮度適中。片光厚度控制在1mm以?xún)?nèi),以光學(xué)補(bǔ)償盒為基準(zhǔn)調(diào)節(jié)片光的平行度。CCD相機(jī)正對(duì)片光照亮的區(qū)域,與片光保持合適的距離(約300mm),調(diào)節(jié)焦距,直至成像清晰?;ハ嚓P(guān)CCD相機(jī)的查詢(xún)區(qū)大小為32×32像素,查詢(xún)區(qū)重疊率為25%,雙曝光時(shí)間間隔為1000μ s。
以相交截面的編號(hào)表示測(cè)試區(qū)域的不同位置,由縱向和橫向截面交線(xiàn)上各點(diǎn)的X、Y、Z方向的速度vx、vy、vz可以得到軸向速度
圖3 片光入射示意圖Fig.3 Sketch diagram of light sheet incident location
切向速度和徑向速度
圖4為管間縱向和橫向截面相交區(qū)域的流場(chǎng)矢量圖??梢钥闯?管間流體的流動(dòng)方向與換熱器軸線(xiàn)呈一定角度,流體斜向沖刷換熱管。
圖4 速度矢量Fig.4 Velocity vector
圖5為管間不同位置縱向截面和橫向截面交線(xiàn)處的軸向速度、切向速度和徑向速度的比較。由圖5(a)、(b)可以看出,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以將螺旋折流板換熱器管間流動(dòng)結(jié)構(gòu)沿徑向分為2個(gè)區(qū)域:(a)非穩(wěn)定區(qū),包括Y 1X3和Y 2X3;(b)穩(wěn)定區(qū),包括Y 1X2、Y 2X2和Y 3X3。
圖5 管間流速沿Z軸的分布Fig.5 Velocity distribution among tubes along Z axis
非穩(wěn)定區(qū)由于接近換熱器的軸心,受到三角區(qū)漏流的影響,速度沿軸線(xiàn)方向出現(xiàn)了較大的變化。Y 2X3在沿著軸線(xiàn)方向的開(kāi)始階段具有一定的軸向速度,并緩慢上升。Y 2X3的切向速度以及Y 1X3的軸向速度和切向速度在沿著軸線(xiàn)方向的開(kāi)始階段很低,而后迅速上升。Y 2X3的軸向速度和切向速度以及Y 1X3的軸向速度在Z=910mm處出現(xiàn)峰值。從整體上看,非穩(wěn)定區(qū)的流體具有比穩(wěn)定區(qū)的流體更強(qiáng)烈的軸向速度。穩(wěn)定區(qū)的切向速度和軸向速度沿軸線(xiàn)方向的變化不大,較為穩(wěn)定,其切向速度要高于非穩(wěn)定區(qū),并高于相同位置的軸向速度,說(shuō)明該區(qū)域有明顯的旋流特征,是換熱效果較好的區(qū)域。
由圖5(c)可以看出,管間區(qū)域存在著沿軸線(xiàn)方向波動(dòng)的徑向速度。徑向速度可以增加流體的擾動(dòng),有利于增強(qiáng)換熱。
圖6所示為管束外圍Y 1X1和Y 3X2處的軸向速度和切向速度。管束外圍由于流動(dòng)空間較大,且受到管束的影響較小,流體流動(dòng)應(yīng)該較為穩(wěn)定。但從圖中可以看出,在Y 3X2處,由于受到折流板與筒體之間漏流的影響,軸向速度在沿著軸線(xiàn)方向的開(kāi)始階段較高,但隨著漏流影響的逐漸減小,軸向速度沿著軸線(xiàn)方向不斷減小。Y 3X2處的切向速度受漏流影響不大,較為穩(wěn)定。相鄰螺旋折流板在搭接時(shí),除了會(huì)形成三角區(qū)外,還會(huì)在半徑外側(cè)形成搭接區(qū)(如圖7所示)。Y 1X1處流體受到搭接區(qū)漏流的影響在沿著軸線(xiàn)方向的開(kāi)始階段具有較高的切向速度和較低的軸向速度。隨著漏流影響沿軸線(xiàn)方向的不斷減小,切向速度不斷降低,軸向速度不斷增加,并趨于穩(wěn)定。
圖6 管束外圍流速沿Z軸的分布Fig.6 Velocity distribution out of tube bundle along Z axis
圖7 折流板搭接示意圖Fig.7 Sketch of overlapping helical baffles
利用PIV激光粒子圖像測(cè)速技術(shù),對(duì)螺旋折流板換熱器殼程流體的流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明:
(1)螺旋折流板換熱器殼程管間流體的流動(dòng)方向與換熱器的軸線(xiàn)呈一定角度,流體斜向沖刷換熱管;
(2)沿?fù)Q熱器半徑,可將管間流場(chǎng)分為非穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。非穩(wěn)定區(qū)由于接近換熱器的軸心,受三角區(qū)漏流的影響,流速沿軸線(xiàn)方向呈上升趨勢(shì),且顯示出較強(qiáng)的軸向速度。穩(wěn)定區(qū)的流速沿軸線(xiàn)方向分布較為平穩(wěn),其切向速度要高于非穩(wěn)定區(qū),并高于相同位置的軸向速度,具有明顯的旋流特征,是換熱效果較好的區(qū)域;
(3)管間流場(chǎng)存在著沿軸線(xiàn)方向波動(dòng)的徑向速度,可以增加流體的擾動(dòng),有利于傳熱;
(4)在管束外圍,折流板與筒體之間的漏流會(huì)增加流體的軸向速度,而搭接區(qū)的漏流則使得流體的切向速度增加而軸向速度減小。漏流對(duì)流體流速的影響會(huì)沿著軸線(xiàn)方向不斷減小,流體流速趨于穩(wěn)定。
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