脉动流动强化传热的研究进展

第26卷,总第148期2008年3月,第2期《节能技术》
E NERGY C ONSERVATI ON TECH NO LOGY V ol 126,Sum 1N o 1148
Mar 12008,N o 12
脉动流动强化传热的研究进展
路慧霞,马晓建,赵　凌
(郑州大学化工学院,河南　郑州　450001)
摘　要:介绍了脉动流动强化传热的机理、方法,分析了脉动频率、脉动振幅、雷诺数、管径、脉
动型式、流体物理性质对传热特性的影响,概括了脉动流动强化传热的国内外研究现状,并提出了进一步研究的建议。

关键词:脉动流动;影响参数;强化传热中图分类号:TK 124 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2008)02-0168-04
R esearch Advancements of H eat Transfer E nhancement by Pulsating Flow
LU Hui -xia ,MA X iao -jian ,ZH AO Ling
(C ollege of Chemical Engineering ,Zhengzhou University ,Zhengzhou 450001,China )
Abstract :The mechanism and the study method of heat trans fer enhancement by pulsating flow are intro 2duced 1The effecting factors such as the pulsating frequency ,pulsating am plitude ,Reynolds number ,inner di 2ameter ,pulsating patterns ,and physical properties of the w orking fluid ,are analyzd 1The present status of the experiments and theoretical investigations is summarized 1Recommendations for further research are presented 1K ey w ords :pulsating flow ;affecting factor ;enhancement heat trans fer
收稿日期　2008-01-05 修订稿日期　2008-03-07作者简介:路慧霞(1981～),女,硕士研究生。

马晓建(1953～),男,教授,博士生导师。

由于电子工业的飞速发展,对电子集成块中各
元件间散热的要求越来越高,脉动流动可以加快电子集成块中各元件的散热,从而延长电子元件的使用寿命。

脉动传热现象的研究是伴随着脉动燃烧研究的出现、发展和不断完善而孕育发展起来的。

由于脉动流动的复杂性,其传热特性受到多因素的影响,涉及多学科理论知识。

脉动流动可以作为一种扰流技术应用于强化传热,国内外对于这方面也已进行了相关的研究,并指出流体的掺混是强化传热主要因素之一,因脉动流动能显著增强通道内流体的相互扰动与混合,破坏热边界层,进而改变热阻,
达到强化传热目的〔1,2〕。

脉动流动强化传热以其独特的优越性一直受到国内外的广泛关注,并且在工业生产及日常生活中具有广泛的应用前景。

1　脉动传热的机理
流体脉动强化传热主要是由于流体的脉动导致了壁面处旋涡的大量生成,使紧贴壁面的粘性底层减薄,增加主流流体的湍流度,并增加了流体的掺
混,破坏了边界层,增大换热面的效果,达到强化传
热的目的〔2〕。

整个强化换热过程分为旋涡的生成、分解和扩散三个紧密相连的环节〔3〕。

这一过程中,
生成环节是占主导地位的,旋涡的生成密度越大,换热效果越好,而旋涡的生成是沿壁面径向速度梯度增大的结果,因此造成大的径向速度梯度就能达到增加强化传热效果。

2　流体脉动强化传热的方法
流体脉动流动主要有流道几何形状和流体的速度或流动方向呈周期性变化两种类型。

利用流体脉动强化传热也主要从这两方面入手,目前主要有传
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热面振动和流体自身脉动两种方法。

211　传热面振动
俞接成〔4〕对空气低速绕流振动圆柱的对流换热进行了研究,圆柱以正弦函数形式垂直于来流方向振动,得到圆柱振动可使换热显著强化,在所研究的范围内,最大可使传热强化9倍,并得出振动是否强化传热还存在临界振动参数。

虽然传热面振动能强化传热,但控制传热面振动来强化传热比较困难,并具有破坏性振动,有可能使传热设备产生共振而损坏设备,因此很少应用传热面振动来强化传热。

212　流体自身脉动
由于传热面的振动容易损坏换热设备,所以可利用流体自身脉动以提高传热系数。

流体自身脉动流动按照激振方式可以分为强制脉动流动和自激脉动流动。

强制脉动是利用外部设备将一定的脉动强度(振幅和频率)强加于系统之上,迫使其脉动的脉动形式。

自激脉动是系统本身在一定条件下自行产生脉动的脉动形式。

W1L1C ooper〔5〕等用往复活塞推动空气做了脉动对流换热的研究结果表明,脉动流动时边界层或速度发生周期性波动,但都比Blasius边界层薄,因此脉动有利于传热。

曾尚春、李友荣〔6〕等将共振腔产生的自激脉动流引入换热器的结果指出,当自激脉动达到一定的强度时能够破坏层流底层,从而可以强化换热;不同的脉动强度,强化换热的效果也不同,存在一个理想的流速范围,此时脉动较强,强化传热效果较好;在一定的工况下,最佳强化效果能将传热系数提高30%左右。

3　流体脉动传热特性影响参数
目前对脉动流动强化传热的研究主要集中在对流型的可视化研究及单个的参数影响研究。

影响流体脉动传热特性的参数大致分为以下三类:①操作参数,包括脉动频率、脉动振幅脉动型式等;②几何参数,包括管径、流动通道的几何结构及通道表面情况等;③物理参数,包括雷诺数、流体平均流速、脉动源位置及脉动前的流动状态等。

311　脉动频率的影响
脉动频率是影响传热的重要因素。

对管内流体而言,脉动流动使管内流速不断变化,此时流体脉动频率将直接影响流速及近壁面处径向速度梯度的变化,从而影响漩涡的生成及存在状态。

频率过高或过低都不能产生最大的旋涡生成量,因而达不到最佳传热效果;在低频时,提高频率能够增强速度梯度,因而有利于传热;但脉动频率过高则使流速得不到足够的衰减而减弱脉动强度,反而不利于传热;因此有最佳频率值存在,使在此频率下,一个脉动周期内可以得到最大旋涡生成量,从而获得最大的传热效果〔3〕。

H erbert Martin H ofmann、Daniela Luminita M ovileanu〔7〕等研究了脉动对流动结构和传热的影响,结果表明在平均流动中周期性波动能够影响对流传热;湍流量级内对于小喷嘴板间距时大的脉动频率可以提高传热,而小的脉动频率对传热影响不大。

李淑英和李兴泉〔8〕通过对装有脉动源的管式换热系统的管内流体脉动流动的研究表明,管内流体脉动可以强化传热,但在不同的流速下,脉动对传热的效果的影响不同;在流速一定时,E～f曲线存在一个峰值,即最佳频率值,且随流量不同最佳频率值不同,随速度增加最佳频率值增大。

312　脉动振幅的影响
采用准稳态理论研究的脉动振幅对强化传热的影响,由图1(R表示脉动平均对流传热系数与稳态对流传热系数之比,A为无因次脉动流速的振幅)可以看出只有脉动振幅达到一定的幅度以后,脉动才能使对流传热增强〔9〕。

图1　R随A变化的示意图
B1Olayiw ola和P1Walzel〔10〕实验研究了带有矩形翅片通道内的脉动流动对横向流和强化传热的影响,结果发现脉动流动对提高传热系数的影响随脉动振幅的增加而变得更重要,并发现传热提高与横流速度相配。

Anotai Sulsangpanomrung〔11〕等通过对入口具有脉动流动的二维矩形板上的流动和对流传热进行了数值研究,结果表明在低雷诺数下脉动流动频率和振幅的变化引起漩涡脱落的形成强制流动变得不稳定,分离泡沫降低而传热率提高;中等雷诺数下漩涡脱落特性受脉动振幅控制,产生整体传热率最大值下的最佳脉动振幅发现在A=011且f=013。

313　雷诺数的影响
由于脉动能促进流体掺混,雷诺数较低即层流或过渡区的传热强化作用更明显;当流速过高时,流
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体已经处于旺盛湍流状态,内部已经存在着大量脉动漩涡,而且流体具有较大的流动惯性,对外加脉动的响应比较迟缓,脉动振幅也不会太大,因而不会有太明显的强化传热效果。

Tsai -Shou Chang 和Y ann -Huei Shiau 〔12〕
对竖直平行通道内挡板对脉动混合对流传热特性影响的研究结果表明,当雷诺数Re 增加时通道内的速度振荡逐渐由强加的脉动流动支配,并随雷诺数Re 的增大传热得到强化。

314　管径的影响
流体脉动强化传热过程包括旋涡的生成、分解和扩散三个环节,而管径的影响主要表现在旋涡的
扩散上〔3〕。

因为管径大小影响管横截面的速度分布,从而影响近壁面处的径向速度梯度及其变化率,所以管径的大小意味着旋涡扩散路径的长短,则较小管径更有利于旋涡的扩散,因而对强化传热是有利的。

另外需要注意的是管径的缩小,则同样的流速脉动能在近壁面处产生较大的速度及速度梯度的脉动,从而能导致旋涡的大量生成有利于传热。

315　脉动型式的影响
脉动型式主要是指脉动产生的流速变化形式,它主要与产生脉动的方式有关。

一般认为在诸如往复泵和断续阀的脉动系统中流速的变化是余弦型的,但这不是唯一也不一定是最佳的流速脉动型式〔13〕。

一个流体脉动周期有流速的增大和衰减两个过程,旋涡是在流速增大过程中形成的,所以好的脉动型式应具有较短的增大半周期和较长的衰减半周期(如图2所示),较长的衰减半周期能让流速衰减到足够低以在增大半周期内造成较大的速度振幅,且为旋涡的分解和扩散提供了足够的时间,较短的流速增长半周期更有利于旋涡的大量生成。

因此类似于锯齿型的具有流速下降较缓和流速增大较陡曲线的脉动型式,对于强化传热应该是更有利的。

图2　最佳脉动型式
谢公南〔14〕
等数值研究了波纹通道内脉动流动与换热情况的结果表明,流动阻力特性呈周期性余弦规律变化,传热Nu 数呈正弦规律变化;频率、振幅的增大,使得阻力脉动幅度增大;受入口脉动流的影响,通道内的旋涡发生周期性的脱落、增长和迁移,从而增强了流体之间的扰动和掺混,强化了传热;传热的强化效果随着振幅的增大而增强,但在特
定人口脉动流下,相同振幅不同频率下的强化效果几乎一致。

316　流体物理性质的影响
影响传热的流体物理性质主要是流体粘性,当流体粘性较大时有利于漩涡的生成,对传热的影响是有利的,但粘性过大则会阻碍流速的脉动变化,反而不利于传热。

由于粘性对脉动传热影响的复杂性,对其还需进一步的研究。

4　研究现状
早在30年代就有人开始研究了脉动强化传热。

早期的研究由于实验条件的限制,诸多实验结果不
尽相同。

Warren M R ohsenow 〔15〕
等收集了早期的实验成果,并整理成图,从图可以看出:由于脉动方法、工质、脉动频率等的不同,研究者所得的实验曲线不尽相同。

20世纪70年代初发生的世界性能源危机,更有力地促进了脉动流动在强化传热方面的研究,脉动流动强化传热的流动特性、传热特性的研究是人们关心的重要课题。

411　实验研究方面
Dec 〔16〕研究了在Helmholtz 型脉动燃烧器的尾管中,燃气流对尾管壁面的传热特性,揭示了脉动对热传递过程的增强作用;还发现由于气流脉动的作用传热速率提高了215倍;表征换热特性的努赛尔数Nu 随脉动幅度和频率的增加而增大;脉动使传热增加的程度随平均质量流量的增加而下降。

Habib 和Attya 〔17〕
对层流状态下的脉动空气在不同的雷诺数和脉动频率进行了对流换热特性的试验研究得到,Nu 显示受脉动频率的影响比较强烈,而对Re 的变化却不敏感;Nu 的增大随着脉动频率或Re 的增加而降低;流体的脉动对换热特性有明显的影响,换热效果有增有减。

张玉娟〔18〕
对流体脉动强化传热的试验研究表明,脉动源的位置对强化传热有重要影响,在上游脉动能强化传热而在下游则减弱传热效果;脉动强化传热比不是随频率的增大而单调增大的,高效频率范围大多数在1H z 左右。

Jeong W oo M oon 、Seo Y oung kim 〔19〕
等研究了通道壁面上设置有周期性串连间隔板的通道内脉动流动对对流传热的影响,结果表明对于稳态流动增加块间跨距由于块夹带冷流体增加而提高了对流换热;并发现当依赖于块间距和脉动频率的脉动流动增强时传热有显著的提高;上游块强化传热大部分在频率f F =40H z 时出现峰值,而与块间跨距的改变无关,但是随着块间跨距的增加下游块的热共振频率减小。

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高虹和曾丹苓〔20〕通过自激振荡脉冲射流的试验研究得到,在合适的水力参数和结构参数的配合下,Helmholtz共振腔产生的脉动流将明显地强化换热;压差增大时将产生更强烈的脉动流,明显地提高流体的紊流程度强化管内流动换热,较高压差时的强化比大于较低压差的强化比;而在流量及压差较小时使用共振腔时不一定能起到强化换热的作用。

D1X1Jin、Y1P1Lee〔21〕等对三角形凹槽道内脉动流动的实验研究表明,脉动流激励可促进传热,在Re=270,St=0134和η=015时与稳态流相比传热增强最大值为350%;漩涡反复的产生、生长、膨胀及脉动促进的槽内流体和主流流体间的强烈混合使其从沟槽排向主流,使从壁面到主流流体的传热得到增强。

412　数值研究
K im et al1〔22〕对在带有两个加热块作为热源的脉动流道内流动的情况下的强化传热现象进行了数值模拟研究,指出共振存在的影响是在一定的脉动频率下强化传热达到最大。

H1N1Hemida、M1N1Sabry〔23〕等研究了雷诺数和普朗特以及脉动幅度和频率对传热的影响,并阐述了脉动对发展区域的影响及沿管长产生阻尼振荡的时间平均Nu数的机理。

杨卫卫〔24〕等对对不可压缩脉动流动的流动和换热特性进行了数值模拟研究表明在脉动流动时,壁面的换热也受到影响1随着频率的增大,流体的脉动对Nu的影响逐渐集中在加热段上游的区域,而在下游的绝大部分区域,其影响可以忽略。

Xuefeng Wang和Nengli Zhang〔25〕对有大速度振荡幅度的脉动湍流流动的恒壁温管内的对流传热进行了数值研究,结果表明大振幅的速度振荡和脉动紊流中的逆流极大的促进了传热的强化。

何雅玲〔26〕等对脉动流动强化凸块散热进行了数值研究结果表明,脉动流动加强了流体的扰动和掺混作用,增强了流体的传热能力,进而强化了凸块的散热。

凸块散热的强化效果随着Re数和振幅A 的增大而增大,并且对于该模型存在最佳的St数。

吴峰、王秋旺〔27〕等对单侧带有周期性分布纵向涡发生器通道内的流动与传热动态特性进行了非稳态三维数值模拟结果表明,在脉动流动的影响下纵向涡发生器的传热能力得到了强化,随着脉动频率的增加传热强化程度得到了进一步加强。

5　结束语
流体脉动强化传热作为一种有效的强化传热技术,虽然已有众多学者对其进行了研究,但由于脉动流动的复杂性,影响参数众多,所以对其研究还不很成熟。

在工业上的应用也不广泛,仅在糖厂和电子领域有一定的应用。

在已有研究的基础上,该领域的研究有一下几个值得注意的方向:
(1)影响脉动流动的因素很多,目前对单个参数的影响研究较多,需对各个参数交互影响进行系统研究,找出最佳工作条件。

(2)在已有的研究中所使用的物料多为空气、水等粘性较小的物料,与实际生产中所用物料性质相差较大,由于脉动可以防止壁面结垢,所以对有一定粘性或易结垢物料的研究是一个值得关注的问题。

(3)脉动发生装置是脉动流动中的一个关键因素,其合理与否直接影响到脉动流动的情况,从而影响到其传热性能,有必要进一步研究。

综上所述,脉动流动对传热特性的影响和在工业上的应用将会成为研究的热点。

随着研究的深入,相信脉动流动强化传热会在工业生产中得到广泛的应用。

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设备年维护费用为:1万元。

人工费为:214万元。

年净节能效益为:4255740-564672-210000-10000-24000=345万元。

设备投资为:210万元。

投资回收期为:设备投资/节能净效益。

不到七个月即收回全部投资。

4　结语
用增氧助燃技术改造后,炉堂内的温度提高50℃以上,火焰由原来的长而暗变为短而亮,燃烧充分,结焦现象明显减小,也不再冒黑烟。

经当地环保部门检测完全达到国家排放标准,也被当地环保部门列为环保型企业。

但是,据现场观察,司炉工烧炉过程中也存在一些问题,如炉门经常开启,造成锅炉气密性不好,既影响燃烧又向外放热,降低锅炉效率。

另外,从局部增氧助燃技术在燃煤锅炉上应用角度而言,还有一些问题需要探讨:
(1)富氧空气的量。

煤在富氧空气中燃烧会显著提高燃烧效率,但是对于局部增氧助燃来说,加入多少的富氧空气才能与非富氧空气混合后达到理想的含氧体积分数在28%左右的理想效果,尚待进一步研究。

(2)喷嘴的位置。

不同炉型的燃烧方式是不一样的,因此,喷嘴加的位置也是不一样的。

但目前针对具体炉型应加在哪个位置仍需要进一步研究。

如:本次改造是在侧面加的,也有在底下风仓和后面二次风位置处加的,具体那种方法会更合理,效果更好,还需进一步讨论。

局部增氧助燃技术非常符合中国国情,设备投资成本低,系统操作简单,运行可靠,能耗只有0111kW・h/Nm3富氧,膜组件部分使用寿命可达8～10年,占地面积只需几m2,安装周期仅需一周左右,不改动锅炉或窑炉本体,对新老烧煤、油、气的锅炉、窑炉均能改造,设备适应面非常广,因此应用前景广阔。

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