楊興林，周穎臻，陳波

(江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

許多機(jī)械設(shè)備工作環(huán)境溫度高，持續(xù)運(yùn)行使用時(shí)間長(zhǎng)，需要考慮設(shè)備的冷卻問(wèn)題，冷卻水循環(huán)冷卻法具有吸熱能力強(qiáng)，所需管道體積小從而節(jié)省設(shè)備占用空間的優(yōu)點(diǎn)，因而在目前設(shè)備冷卻系統(tǒng)中應(yīng)用較為普遍[1-2]。特別是在船舶行業(yè)中，船舶需要常年在海上航行，主機(jī)設(shè)備無(wú)法靠地面人員維護(hù)的情況下，船舶冷卻水系統(tǒng)成為船舶動(dòng)力裝置安全可靠運(yùn)行的重要保障。研究表明,在船舶冷卻水換熱系統(tǒng)中使用脈動(dòng)流能夠有效降低換熱熱阻，提高換熱效率[3]。目前脈動(dòng)流強(qiáng)化換熱中應(yīng)用較多的是有源脈動(dòng)強(qiáng)化換熱[4-6]。因此，如何在保證使用脈動(dòng)流強(qiáng)化換熱的前提下減少脈動(dòng)裝置的能耗成為脈動(dòng)強(qiáng)化換熱中的研究重點(diǎn)。目前對(duì)有源脈動(dòng)研究中依然存在的問(wèn)題是使用電動(dòng)機(jī)、往復(fù)泵和電磁閥等為使脈動(dòng)冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生脈動(dòng)流的高功率脈動(dòng)發(fā)生裝置雖然提高了換熱效率，但卻額外消耗過(guò)多機(jī)械能，整體能效得不償失。為此，開(kāi)展隔膜增壓裝置設(shè)計(jì)和制造的相關(guān)工作，搭建脈動(dòng)冷卻系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行隔膜增壓裝置對(duì)脈動(dòng)強(qiáng)化換熱的實(shí)驗(yàn)，探討在脈動(dòng)系統(tǒng)的液壓沖擊下隔膜增壓裝置的增壓效果與脈動(dòng)頻率的關(guān)系以及換熱器的換熱量隨隔膜增壓裝置產(chǎn)生的壓力變化，考慮以增壓裝置提高冷卻系統(tǒng)的換熱效率，減少脈動(dòng)系統(tǒng)的能耗，節(jié)省水泵、鍋爐、電機(jī)等輔機(jī)設(shè)備的日常開(kāi)支。

1 脈動(dòng)增壓強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

為了研究隔膜增壓裝置對(duì)船舶冷卻系統(tǒng)中的脈動(dòng)強(qiáng)化換熱的影響作用，基于液壓沖擊原理開(kāi)發(fā)基于通過(guò)使流體加速噴射原理的隔膜增壓驅(qū)動(dòng)能效裝置，裝置和測(cè)量系統(tǒng)組成及原理見(jiàn)圖1。

圖1 船舶柴油機(jī)缸套與冷卻水脈動(dòng)換熱增壓裝置實(shí)驗(yàn)原理

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由2個(gè)封閉的循環(huán)系統(tǒng)組成。測(cè)量系統(tǒng)負(fù)責(zé)測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的參數(shù)變化。當(dāng)離心水泵運(yùn)行時(shí)，冷卻水在柴油機(jī)缸套和換熱器之間循環(huán)流動(dòng)換熱，并且本實(shí)驗(yàn)中所使用的工況參數(shù)：流體速度0.5 m/s，吸入壓力60 kPa。在冷卻水循環(huán)中通過(guò)脈動(dòng)閥的開(kāi)閉使流體產(chǎn)生脈動(dòng)。電動(dòng)機(jī)以1.43 Hz/s的頻率旋轉(zhuǎn)，通過(guò)曲柄機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)脈動(dòng)閥的閥門。脈動(dòng)閥在打開(kāi)時(shí)液體可以自由地通過(guò)，進(jìn)一步沿著回路通過(guò)柴油機(jī)缸套在脈動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)。脈動(dòng)閥關(guān)閉時(shí)，管道中運(yùn)動(dòng)的流體具有的動(dòng)能在停止時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化為拉伸管壁和壓縮液體的壓力勢(shì)能。其中初始時(shí)刻的壓力波動(dòng)最危險(xiǎn)，在脈動(dòng)閥附近管道中的壓力將急劇增加，管道將在彈性變形的極限范圍內(nèi)膨脹，并且壓縮流體產(chǎn)生的振蕩波將從脈動(dòng)閥向第一液壓蓄能器和隔膜增壓裝置傳播。當(dāng)沖擊波到達(dá)隔膜增壓裝置的入口時(shí)，其壓力大于隔膜增壓裝置的第二出口和管道中連接的第一液壓蓄能器中的壓力。因此,流體產(chǎn)生的沖擊使隔膜增壓裝置內(nèi)部的彈性膜片發(fā)生形變從而改變隔膜增壓裝置上腔體的體積使流體由第二出口經(jīng)第一單向閥排出至增壓系統(tǒng)的管道中，流體由第一單向閥流出后沿管道流向標(biāo)準(zhǔn)孔板，流體經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)孔板時(shí)的阻力小，壓差大，穩(wěn)定性好，有平滑的壓差特性。因此，流體在標(biāo)準(zhǔn)孔板的作用下部分壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，使流體在管道中的速度增加。

1.2 脈動(dòng)增壓原理

由于增壓系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，在標(biāo)準(zhǔn)孔板后流體速度增加導(dǎo)致管道靜壓減小，導(dǎo)致連接在增壓系統(tǒng)中的第二液壓蓄能器為補(bǔ)償系統(tǒng)壓力而將蓄能器中的流體流向增壓系統(tǒng)，使標(biāo)準(zhǔn)孔板后的管路中的流量增大，當(dāng)流量增加后的流體經(jīng)過(guò)第二單向閥流向隔膜增壓裝置時(shí)，出口流量總是大于進(jìn)口流量，因此，隔膜增壓裝置膜片受到的沖擊壓力總是大于其對(duì)增壓系統(tǒng)作用的壓力，腔體中的彈性膜片受到流體沖擊的作用力返回初始位置時(shí)，與原脈動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)中脈動(dòng)閥產(chǎn)生的沖擊壓力相比，彈性膜片返回時(shí)產(chǎn)生的壓力將高于脈動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)中原沖擊壓力。對(duì)于脈動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，隔膜增壓裝置彈性膜片壓力作用于脈動(dòng)流體后使脈動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)的壓力增加，并在脈動(dòng)閥開(kāi)啟后，系統(tǒng)的壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)流的動(dòng)能使脈動(dòng)速度增加，從而提高脈動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)的換熱效率。

1.3 脈動(dòng)增壓強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)3組不同的脈動(dòng)頻率下進(jìn)行分析，對(duì)比在脈動(dòng)頻率相同時(shí)有無(wú)隔膜增壓裝置對(duì)管道脈動(dòng)壓力的影響，實(shí)驗(yàn)中3組脈動(dòng)頻率為f1=1.43 Hz，f2=1.70 Hz，f3=2.85 Hz；管路中流量為0.000 182、0.000 22 m3/s。實(shí)驗(yàn)所選柴油機(jī)缸套為SD1125系列直噴單缸柴油機(jī)缸套。所選離心水泵為德國(guó)制造的WILO威樂(lè)TOP-S40/10離心水泵。脈動(dòng)閥選用的是重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司生產(chǎn)的VFR凸輪軸閥。第一、第二液壓蓄能器均選用氣體式液壓蓄能器中的隔膜式液壓蓄能器。本實(shí)驗(yàn)中換熱器為自行設(shè)計(jì)的螺旋盤管式換熱器。

脈動(dòng)增壓強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)末端換熱器見(jiàn)圖2。假設(shè)換熱器外表面熱流密度為零，忽略外部環(huán)境的對(duì)流，輻射對(duì)換熱器內(nèi)部溫度變化的影響。換熱器是外部體積為0.08 m3的圓柱形筒體，內(nèi)部螺旋盤管直徑為10 mm，管長(zhǎng)為2.5 m。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)使用熱電偶溫度傳感器測(cè)量換熱器熱水進(jìn)出口溫度和螺旋盤管外冷水的溫度變化，壓力變送器測(cè)量增壓系統(tǒng)和脈動(dòng)換熱系統(tǒng)中的壓力變化。

圖2 換熱器物理模型示意

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 增壓器壓力變化與脈動(dòng)頻率f的關(guān)系

當(dāng)換熱系統(tǒng)中流量G1一定時(shí)，通過(guò)壓力變送器將測(cè)得的脈動(dòng)頻率f1、f2、f3與壓力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用MATLAB軟件擬合后轉(zhuǎn)換為傅里葉函數(shù)曲線后見(jiàn)圖3。

圖3 流量G1下壓差Δp與頻率f的關(guān)系

隨著脈動(dòng)頻率增加，隔膜增壓裝置產(chǎn)生的壓力隨之增加。脈動(dòng)閥的閥門是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)控制閥門開(kāi)閉以產(chǎn)生脈動(dòng)流，隨著電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率增加使閥門關(guān)閉時(shí)間減少，根據(jù)儒科夫斯基水擊壓強(qiáng)理論可知，閥門關(guān)閉引起流速的變化，是由于壓強(qiáng)增量的作用，這個(gè)壓強(qiáng)增量就是水擊壓強(qiáng)[7-9]。管道中液壓沖擊的壓力隨著閥門關(guān)閉時(shí)間的減小而增加，而閥門關(guān)閉時(shí)間又由電動(dòng)機(jī)頻率控制，因此，增加電動(dòng)機(jī)頻率意味著能使管道產(chǎn)生更高的液壓沖擊。當(dāng)管道中的閥門瞬間關(guān)閉時(shí)會(huì)使運(yùn)動(dòng)的流體產(chǎn)生反向的沖擊波，沖擊波的壓力會(huì)使隔膜增壓裝置的彈性膜片產(chǎn)生形變推動(dòng)隔膜增壓裝置出口處連接的管路中的流體循環(huán)，當(dāng)隔膜增壓裝置系統(tǒng)中的流體流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)孔板時(shí)流速增加，且沖擊壓力越大對(duì)流體的加速作用就越大，當(dāng)加速后的流體返回隔膜增壓裝置時(shí)彈性膜片就會(huì)以更高的沖擊壓力作用于隔膜增壓裝置進(jìn)口處連接的管路中的脈動(dòng)流體，從而使脈動(dòng)流體的壓力升高。當(dāng)脈動(dòng)頻率f3>f2>f1時(shí)，隔膜增壓裝置內(nèi)通過(guò)流體加速作用產(chǎn)生的壓差變化便有Δp3>Δp2>Δp1。

2.2 不同頻率下增壓作用對(duì)換熱效果的影響

圖4 增壓前后換熱器溫差Δt與時(shí)間的關(guān)系

圖4顯示了脈動(dòng)頻率分別為f1、f2、f3時(shí)換熱系統(tǒng)在有無(wú)隔膜增壓裝置作用下?lián)Q熱器內(nèi)冷水的水溫在加熱到相同溫度60 ℃時(shí)所需時(shí)間內(nèi)的升高趨勢(shì)。在換熱器內(nèi)部冷水溫度小于熱水進(jìn)口水溫時(shí)換熱過(guò)程屬于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。因此，在冷水加熱過(guò)程中溫度變化隨熱水脈動(dòng)頻率和增壓裝置影響而改變。隨著冷水溫度升高趨勢(shì)不同，在加熱過(guò)程中必然存在差值，由于換熱過(guò)程中溫差的改變導(dǎo)致差值不同而出現(xiàn)峰值。3種不同的頻率下，增壓后的系統(tǒng)換熱器內(nèi)冷水的溫度升高趨勢(shì)均大于增壓前的脈動(dòng)系統(tǒng)中的冷水溫升，且對(duì)于增壓后的系統(tǒng)而言，隨著脈動(dòng)頻率的增加，換熱器冷水到達(dá)相同溫度的時(shí)長(zhǎng)越短，意味著在一定的頻率區(qū)間內(nèi)，脈動(dòng)換熱系統(tǒng)增壓后的換熱效果隨著脈動(dòng)頻率的增加而提高。對(duì)于換熱器中冷水水溫而言，在相同時(shí)間內(nèi)換熱系統(tǒng)增壓后的冷水水溫的溫度升高量比增壓前最高可達(dá)8 ℃。且在圖中可以看出頻率在f1=1.43 Hz和f2=1.70 Hz區(qū)間變化時(shí)的換熱效果增加最明顯，在f2=1.70 Hz和f3=2.85 Hz區(qū)間內(nèi)雖然換熱器內(nèi)冷水溫度上升的差值Δt在前期依然有所增加，但換熱效率增量?jī)H略有變化，明顯小于脈動(dòng)頻率f1到f2時(shí)的換熱效率增量。結(jié)合文獻(xiàn)[10-12]，分析認(rèn)為，可能在脈動(dòng)頻率f2時(shí)脈動(dòng)流動(dòng)已經(jīng)處于湍流旺盛階段，此時(shí)脈動(dòng)強(qiáng)化換熱效果較為穩(wěn)定，改變脈動(dòng)頻率時(shí)管道中產(chǎn)生的壓力增加不會(huì)對(duì)換熱效率引起更大的變化。

2.3 不同流量下增壓作用對(duì)系統(tǒng)換熱量的影響

當(dāng)脈動(dòng)流換熱系統(tǒng)中循環(huán)水泵流量分別為G1=0.000 182 m3/s，G2=0.000 22 m3/s時(shí)，換熱器在有無(wú)增壓器作用下的換熱量之差ΔQ隨時(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)圖5、6。

圖5 流量G1時(shí)增壓前后熱水換熱量差ΔQ隨時(shí)間的變化

圖6 流量G2時(shí)增壓前后熱水換熱量差ΔQ隨時(shí)間的變化

在循環(huán)水泵流量G1下，在不同的脈動(dòng)頻率下，換熱器中熱水的換熱量在增壓器的作用下均大于增壓前的換熱量。隨著時(shí)間增加，換熱量的差值逐漸減小，脈動(dòng)頻率越大，換熱量差值減少越慢，最終差值趨于穩(wěn)定。這也符合熱力學(xué)中的傅里葉定律[12-13]，即初始時(shí)刻換熱器中冷水溫度最低，換熱器中螺旋盤管表面單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)給定截面的熱量，正比例于垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積。由圖中可以看出，各頻率下的換熱量之差均存在一個(gè)最佳時(shí)刻使換熱量之差達(dá)到最大值。因此，為了達(dá)到換熱器中最佳的換熱效果，需保證換熱器中冷水的出口溫度不能超過(guò)某一限定值。從整體來(lái)看，循環(huán)水泵流量G1、G2對(duì)換熱器熱水換熱量差值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)的影響比較相似，但數(shù)值上流量G2對(duì)換熱量差值的影響作用大于流量G1。這表明在特定情況下，為了提高換熱效率可以適當(dāng)提高脈動(dòng)換熱系統(tǒng)中循環(huán)水泵的功率來(lái)增加熱水的流量。

3 結(jié)論

1)基于液壓沖擊原理開(kāi)發(fā)的隔膜增壓裝置是可行的，隨著脈動(dòng)頻率的增加，隔膜增壓系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力增加該裝置通過(guò)流體自身能量的轉(zhuǎn)換提高脈動(dòng)系統(tǒng)換熱效率。

2)隔膜增壓裝置提供的增壓效果對(duì)強(qiáng)化脈動(dòng)流換熱是有利的，增壓器對(duì)脈動(dòng)系統(tǒng)增加的壓力越大，換熱效果越好，在脈動(dòng)頻率f2=1.70 Hz時(shí)脈動(dòng)系統(tǒng)增壓后強(qiáng)化換熱效率達(dá)到最大值。

3)在隔膜增壓裝置工作的同時(shí)，提高脈動(dòng)換熱系統(tǒng)中循環(huán)水泵的流量也有一定的強(qiáng)化換熱的作用。