徐志明，楊蘇武，朱新龍，張一龍，劉坐東

(1.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012;2.華北電力大學(xué)，北京 102206)

渦流發(fā)生器最早是在1960年由Schubauer和Spangenberg提出并用于強(qiáng)化風(fēng)洞內(nèi)湍流邊界層的流動(dòng)［1］。之后Jonhnson和Joubert首次將渦流發(fā)生器應(yīng)用于換熱器，對三角小翼渦流發(fā)生器進(jìn)行了研究，探討了圓柱體表面加裝三角翼對空氣對流強(qiáng)化換熱的影響［2］。不同的渦流發(fā)生器能夠產(chǎn)生不同的誘導(dǎo)渦旋來減薄邊界層例如馬蹄渦等，能夠通過提高管壁面換熱系數(shù)，從而強(qiáng)化換熱［3］。由于渦流發(fā)生器能夠破壞流體的邊界層，那么其也可能在抑垢方面起到一定的作用。

國內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者對渦流發(fā)生器進(jìn)行了深入的研究。在強(qiáng)化換熱方面，Wu［4］對在層流狀態(tài)下矩形通道內(nèi)安裝渦流發(fā)生器不同參數(shù)的改變對強(qiáng)化換熱以及流動(dòng)阻力的變化進(jìn)行了數(shù)值模擬。Charbel和Serge等［5］對不同類型的渦流發(fā)生器對多功能熱交換器的強(qiáng)化換熱進(jìn)行了研究。Chen和Jyh-Tong等［6］對各類型縱向渦流發(fā)生器在矩形通道中的流動(dòng)特性與換熱特性進(jìn)行了研究。高英倫［7］用離線稱重法研究了幾種渦流發(fā)生器在CaCO3污垢溶液中對換熱器結(jié)垢的影響。劉坐東［8］采用離線稱重法對浮點(diǎn)型和楞型渦流發(fā)生器在CaSO4溶液中的污垢特性做了大量研究，發(fā)現(xiàn)對于浮點(diǎn)渦流發(fā)生器和楞型渦流發(fā)生器它們的排列間距對于污垢的沉積有一定影響。張仲彬［9］等對渦流發(fā)生器在CaCO3溶液中的污垢特性做了一系列實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)渦流發(fā)生器的尺寸對于污垢的沉積也有一定的影響。劉鍇喆［10］等，對半圓柱面渦流發(fā)生器進(jìn)行了一系列的研究，發(fā)現(xiàn)渦流發(fā)生器的高度，間距對于結(jié)垢都有一定影響。王宇朋［11］對于翼型渦流發(fā)生器進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)對于析晶污垢三種翼形渦流發(fā)生器試片中，迎流截面積是影響析晶污垢的重要因素。

目前國內(nèi)對于渦流發(fā)生器污垢方面的研究主要的技術(shù)手段為離線稱重法。但是離線稱重法得到的是結(jié)垢量，而不是污垢熱阻，沒有與換熱聯(lián)系起來，對于污垢的研究存在局限性。本實(shí)驗(yàn)臺旨在通過在線監(jiān)測采集數(shù)據(jù)，得到污垢熱阻，與渦流發(fā)生器的換熱特性，壓降特性以及流動(dòng)特性聯(lián)系起來分析渦流發(fā)生器的污垢特性。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)臺的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)大體可以分為五個(gè)部分:熱源，冷源，循環(huán)管路，實(shí)驗(yàn)段以及測試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)物見圖1～2。

熱源:熱源為圖中恒溫水箱，由溫控儀對3根2000 W的加熱棒進(jìn)行加熱控制，能保證恒溫水箱中的溫度穩(wěn)定。

冷源:冷源由兩部分組成，一部分是風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)冷;另一部分是冷水機(jī)提供的水冷。

循環(huán)回路:實(shí)驗(yàn)臺循環(huán)回路主要由高位水箱，低位水箱和實(shí)驗(yàn)段三部分組成，工質(zhì)由水泵從低位水箱中打入高位水箱，一部分流入實(shí)驗(yàn)段中然后流回低位水箱，另外一部分經(jīng)過溢流板溢流后直接流入低位水箱。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡圖

圖2 實(shí)驗(yàn)臺實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)段:實(shí)驗(yàn)段是一個(gè)長1 000 mm，寬100 mm，高8.5 mm的矩形通道，兩個(gè)換熱面由厚0.5 mm，寬100 mm，長1 000 mm的304銹鋼板制成，中間用PVC塑料板與硅膠墊密封，渦流發(fā)生器按具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)布置于換熱面，見圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)段示意圖

測量系統(tǒng):測量系統(tǒng)主要包括溫度，壓力，流量三個(gè)部分。實(shí)驗(yàn)中所測得的數(shù)據(jù)都通過鴻格M-7033D，M-7017RC，I-7520AR3種采集模塊直接實(shí)時(shí)地記錄在IPC-610微型計(jì)算機(jī)中。溫度測量:在實(shí)驗(yàn)段的進(jìn)出水口以及恒溫水箱內(nèi)都布置有PT100熱電阻，能夠測量實(shí)驗(yàn)段的進(jìn)出口溫度以及恒溫水箱內(nèi)的溫度。壓力測量:實(shí)驗(yàn)臺采用的是型號為TS220-3051的壓差計(jì)，測壓孔布置在實(shí)驗(yàn)段的進(jìn)出水口，能得到結(jié)垢前后實(shí)驗(yàn)段的壓差的變化。流量測量:在實(shí)驗(yàn)段出口布置了一個(gè)型號為LDE-15SM2F100的電磁流量計(jì)來測量實(shí)驗(yàn)中的流量。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)臺能夠直接得到實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出水口的溫度t1，t2恒溫水浴溫度t0，和實(shí)驗(yàn)中的流量qv以及壓差ΔP等數(shù)據(jù)。由傳熱方程式(1)以及熱平衡方程式(2):

可以得到傳熱系數(shù)k的表達(dá)式(3):

式中:ρ為流體密度;cp為流體比熱容，對數(shù)平均溫差

而污垢熱阻可以由式(4)得到:

式中:Rf為污垢熱阻，單位是m2·K/W;k0、k分別為清潔狀態(tài)下和有污垢狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)段的總傳熱系數(shù)，單位是W/(m2·K)。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)將實(shí)驗(yàn)所需的渦流發(fā)生器按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的布置方式用耐水膠粘于實(shí)驗(yàn)段換熱面上并將實(shí)驗(yàn)段安裝于循環(huán)回路中。

(2)將水注入低位水箱與恒溫水箱中啟動(dòng)水泵，檢測電磁流量計(jì)，壓差計(jì)是否正常運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)密封是否完好。將流量計(jì)，壓差計(jì)調(diào)零。

(3)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，冷水機(jī)與加熱棒，設(shè)定好所需控制溫度。觀察計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)，待換熱穩(wěn)定后往低位水箱中加入實(shí)驗(yàn)所需的藥品。

(4)保持實(shí)驗(yàn)工況不變，待結(jié)垢穩(wěn)定后，保存采集的數(shù)據(jù)，停止實(shí)驗(yàn)，清洗實(shí)驗(yàn)臺。

(5)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性分析

2.1 穩(wěn)定性分析

圖4為實(shí)驗(yàn)臺的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，二組光板實(shí)驗(yàn)采用相同的工況(入口溫度t1=26.5±0.5℃，流速為0.1 m/s，水浴溫度t0=50℃，污垢藥劑為20 0 mg/L粒徑為50 nm的氧化鎂溶液)，得到的污垢熱阻曲線基本一致重合性較好，在實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定后波動(dòng)也不大，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)比較穩(wěn)定，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

圖4 光板重復(fù)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)污垢熱阻

2.2 準(zhǔn)確性分析

采用穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)中的光板二中的一組數(shù)據(jù)t1=26.4℃、t2=30.7℃對驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)進(jìn)行準(zhǔn)確性分析，定性溫度選用算數(shù)平均溫差

實(shí)驗(yàn)工況的Re=1938為層流流動(dòng)，采用30℃的飽和水的熱物理性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，由公式(5)［12］可以判斷實(shí)驗(yàn)整個(gè)流道都處于入口段的影響范圍，實(shí)驗(yàn)工況符合齊德 -泰特公式(6)［12］的使用條件。

由式(6)與(7)可以得出冷側(cè)流體的對流換熱系數(shù) hf=12 175.6 w/m2k。

通過式(8)與(9)可以求得冷側(cè)壁面的平均溫度tw=29.2℃。由于壁面為不銹鋼板，換熱系數(shù)很大且壁面很薄因此可以忽略壁面熱阻，實(shí)驗(yàn)工況的水浴溫度t0=50℃，將之代入(10)可以求得水浴側(cè)的平均對流換熱系數(shù)通過式(11)可以求得總傳熱系數(shù)

將二組穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)中未加入污垢藥劑前的純換熱穩(wěn)定段部分的總傳熱系數(shù)與齊德-泰特公式計(jì)算出的總傳熱系數(shù)進(jìn)行對比見圖5。從圖5中可以看出二組實(shí)驗(yàn)與熱力計(jì)算出來的數(shù)值相差不大，誤差不超過10%，因此說明實(shí)驗(yàn)臺數(shù)據(jù)具有一定的準(zhǔn)確性。

圖5 傳熱系數(shù)對比圖

3 誤差分析

采用文獻(xiàn)［13］中的均方根法(12)對實(shí)驗(yàn)臺污垢熱阻進(jìn)行誤差分析。

實(shí)驗(yàn)臺的精密線繞電阻的最大誤差為0.05%，采集系統(tǒng)中PT100熱電阻的最大測量誤差為0.2%，電磁流量計(jì)的最大測量誤差分別為0.5%，壓差變送器的最大測量誤差為0.1%。用均方根法可以得到溫度測量的最大相對誤差為0.206 2%，流量測量的最大相對誤差為0.502 5%，壓力測量的最大相對誤差為0.111 8%。換熱量的相對誤差可由均方根法求得:

其中:εG為電磁流量計(jì)的最大相對誤差，ε(t2－t1)=0.29% 為進(jìn)出口溫度測量誤差。

實(shí)驗(yàn)臺對數(shù)平均溫差的最大相對誤差可由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的一組最大對數(shù)平均溫差得到(取穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)二中的一組最大對數(shù)平均溫差代入):

總傳熱系數(shù)誤差包括兩部分:一是儀表精度誤差，二是數(shù)據(jù)線性回歸帶來的誤差，有文獻(xiàn)［14］指出數(shù)據(jù)線性回歸時(shí)最大相對誤差εA=5%。那么可以得到:

查閱文獻(xiàn)［15］得知污垢熱阻測量的相對誤差可用

式(14)表示:

式可以化為式(14):

將穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)中的光板二的數(shù)據(jù)代入式(15)中進(jìn)行計(jì)算可以得到圖6。

圖6 污垢熱阻測量的相對誤差

由圖6可以看出除開始結(jié)垢一小段時(shí)間內(nèi)污垢熱阻不穩(wěn)定之外，其它段的污垢熱阻的最大相對誤差均小于5%。所以，該實(shí)驗(yàn)平臺的溫度、壓力以及流量測量的相對誤差均滿足工程上小于±1%的規(guī)定，總傳熱系數(shù)的相對誤差小于±10%(文獻(xiàn)［16］)的要求。另外，污垢熱阻誤差也在工程上所接受的范圍內(nèi)。

4 示例實(shí)驗(yàn)

采用高為5 mm，寬高比為5∶1材質(zhì)為0.3 mm厚的304不銹鋼板的矩形翼渦流發(fā)生器與三角翼渦流發(fā)生器以及光板在相同實(shí)驗(yàn)工況(渦流發(fā)生器沿流向布置2排12列，入口穩(wěn)定段S=150 mm，C為出口穩(wěn)定段，渦流發(fā)生器攻角為90°，前沿間距a=20 mm，列間距b=60 mm，渦流發(fā)生器布置與實(shí)物見圖7、圖8。實(shí)驗(yàn)的入口溫度為28±0.5℃，流速為0.1 m/s，水浴溫度為50℃，藥品為200 mg/L的50 nm粒徑的MgO顆粒污垢)下進(jìn)行了渦流發(fā)生器納米氧化鎂污垢實(shí)驗(yàn)。

圖7 渦流發(fā)生器布置示意圖

圖8 渦流發(fā)生器實(shí)物圖

圖9 不同渦流發(fā)生器對污垢熱阻的影響

圖9為三組實(shí)驗(yàn)的污垢熱阻。從圖9中可以清晰的看出對于納米MgO顆粒垢三組實(shí)驗(yàn)在結(jié)垢開始都有一小段時(shí)間的誘導(dǎo)期，矩形翼和三角翼與光板相比有明顯的抑垢效果，且光板的污垢生長曲線的斜率也比兩種渦流發(fā)生器要大，相對來說矩形翼的污垢熱阻比三角翼小，這是由于流體經(jīng)過渦流發(fā)生器后會產(chǎn)生縱向渦，矩形翼與三角翼相比產(chǎn)生的渦流影響面積較大，對渦流發(fā)生器后部的沖刷作用強(qiáng)，導(dǎo)致污垢的剝蝕率較高，從而導(dǎo)致污垢熱阻減小。

圖10為三組實(shí)驗(yàn)的進(jìn)出水口的壓降變化。從圖中可以看出未結(jié)垢前加裝渦流發(fā)生器流體進(jìn)出口的壓降明顯比光板高，相對來說矩形翼的壓降是最高的為光板的1.22倍，這是由于在相同的寬高比以及布置下矩形翼的迎流面積較大產(chǎn)生的前后壓差較大，因而壓降較大導(dǎo)致需要消耗較多的泵功。而結(jié)垢之后光板的壓降上升最快，說明結(jié)垢越多壓降越大。因此，抑垢手段對于減少壓降降低泵功也能起到一定作用。

圖10 不同渦流發(fā)生器對壓降的影響

圖11 不同渦流發(fā)生器對總傳熱系數(shù)的影響

圖11為3組實(shí)驗(yàn)的總傳熱系數(shù)隨時(shí)間的變化。從圖中可以看出0到12 h為純換熱未加入污垢藥劑，未結(jié)垢時(shí)渦流發(fā)生器對于換熱有明顯的強(qiáng)化作用，而相對來說，矩形翼的強(qiáng)化換熱效果比三角翼要高，在12 h后總換熱系數(shù)在曲線上都有一個(gè)凸起這是由于加入了藥劑后流體中顆粒對于換熱在短時(shí)間內(nèi)有一定的強(qiáng)化作用，是結(jié)垢過程的誘導(dǎo)期在總換熱系數(shù)上的體現(xiàn)。對于納米MgO顆粒垢在結(jié)垢后，由于矩形翼抑垢效果較好因而矩形翼的總傳熱系數(shù)下降較小。

5 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)了渦流發(fā)生器污垢特性實(shí)驗(yàn)臺，該實(shí)驗(yàn)臺能在線監(jiān)測實(shí)驗(yàn)過程中的流速，壓降，溫度等參數(shù)，能夠直接得到污垢熱阻。

(2)通過對實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)、準(zhǔn)確性分析與誤差分析，證明該實(shí)驗(yàn)臺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)安全可靠，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

(3)開展了渦流發(fā)生器納米氧化鎂污垢特性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明實(shí)驗(yàn)臺可以較好的反映出渦流發(fā)生器的污垢特性、壓力特性以及換熱特性。

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