（工程热物理专业论文）流体横掠振动圆管的传热过程研究.pdf

山尔人。学硕 学位论文 捅要 f 传热几件的振动和积垢是传热领域长期未能解决的主要问题。振动 虽然会导致传热元件的损坏，同时又具有强化传热的作用。而污垢降低 了换热器总的传热系数，增加了换热器的传热温差，恶化了设备的运行 耶境，增加了i 殳备运行和维护的费用。这两方面的问题均足热一l ：领域一i j 呖 待解决而未能完全解决的问题之一寸本文对弹性管束的振动频率范围内 换热面振动与强化传热以及污垢生长之问的关系作了实验研究。 本文对流体低r e 数横向冲刷振动圆管外的对流换热特性以及结垢 特性作了研究。测得了管外平均对流换热系数随振动频率和振幅的变化 火系。在定范围内，振幅和频率的增加均会导致管外对流放热系数的 增加。圃管的低频振动不会引起周围液体的强烈振荡，此时振动剥管外 列流换热的强化能力较低；振动频率的继续增加会引起圆管周围液体的 强烈振荡，形成换热面和流体问的流一固偶合作用，同时对流换热系数 大幅度提高，此时的对流换热情况需要做进一步的研究。随着振幅的减 小，引起流体振荡的频率在逐渐升高。同振动r e 数下，高频低振幅振 动比低频高振幅振动带来的强化传热效果要好。实验证明换热面振动强 化传热与流体诱导振动强化传热之问还存在一定的差别，流体诱导振动 强化传热还具有很大的发展窄i n j 心 本文用热阻法测量了流体横向冲刷振动圆管时的污垢生长特性。受 到背流而涡流的影响，振动圆管背流面生成的污垢比迎流面生成的污垢 少，i m 舀! 背流面的中心出现结垢非常少的带型区域；本文研究了振动 频牢f 内变化对管外污垢生长过程的影响。 振动频率的增加能够使管外结 垢的时间常数减小。但换热面的振动对污垢热阻渐近值的影响不是很大， 弹，n 篱束系列换热设备的除污机理需要进步研究，1 、 火键词：强化传菸、振动污垢 山自、人，烦f ：学何沦文 a b s t r a c t t b ev i b r a t i o na n d f o u l i n g o ft h eh e a tt r a n s f e r c o m p o n e n t s a r et h e p r i n c i p a lis s u ei nt h er e a l mo f h e a tt r a n s f e r a l t h o u g ht h ev i b r a t i o nw r e c kt h e h e a tt r a n s f m lc o m p o n e n t s ，i t sh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t sc a p a c i t yi so b v i o u s t h e f o u l i n g r e d u c e dt h eo v e r a l lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to ft h e h e a t e x c h a n g e r ，a u g m e n t s t h em e a nh e a tt r a n s f e r t e m p e r a t u r e d i f f ez e n c e ， d e t m i o r a t et h e c i r c u l a t ee n v i r o n m e n t s o ft h e e q u i p m e n t s ；i n c r e a s e t h e e x p e n s e si nr u n n i n ga n dm a i n t e n a n c et h ee q u i p m e n t b o t ho ft h ei s s u e s a r e d e s i d e r a t e dt ob es e t t l e d t h is p a p e ri n v e s t i g a t et h ec o n v e n t i o n a l h e a tt r a n s f e rc h a r a c l e r i s t i ca n d t h ef o u l i n gc h a r a c t e r i s t i cw h e nw a t e rc r o s sf l o wo v e rt h ev i b r a t i o np l a i np i p e h o r i z o n t a l l y i ft h ep i p ev i b r a t e si nat o wf r e q u e n c y ，i tc a nn o ti n d u c et h e v i b r a t i o no ft h el i q u i da r o u n di t ，a n dt h ec a p a c i t yi nh e a tt r a n s f e re n h a n c e di s l o w i ft h ep i p ev i b r a t e si nah i g hf r e q u e n c y ，i tc a ni n d u c et h ev i b r a t i o no ft h e l i q u i d a r o u n di t a c u t e l y ，a t t h es a m et i m et h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t i m p r o v e di nal a r g es c a l e e i t h e rt h ef r e q u e n c yisl o wo rh i g h ，w i t ht h es a m e v i b r a t i o n r e y n o l d sn u m b e r ，b e t w e e n t h e h i g hf r e q u e n c y t o w a m p l i t u d e v i b r a t i o na n dt h el o wf r e q u e n c yh i g ha m p l i t u d eo n e ，t h ef o r m e ri n f l u e n c et h e h e a tt l a r t s f e re n h a n c e m e n tm o r ei n t e n s i v e l yt h a nt h el a t t e r t h e f o u l i n g c r e a t e di nt h ef r o n to ft h e p i p e i sm o r et h a nt h e f o u l i n g c r e a t e di nt h er e a ro ft h ep i p e a n dw ec a nf i n dal i n et h a th a sn of o u l i n go r v e l l yf e wf o u l i n ga p p e a ra tt h em i d d l eo f t h er e a r t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e dt h e e f f e c lo ft h ep i p ev i b r a t i o nf r e q u e n c ye x e r t e do nt h ef o u l i n gd e v e l o p m e n t ， a n df i n dt h a tt h ei n c r e a s eo ft h ev i b r a t i o nf r e q u e n c ys h o u l dr e d u c et h et i m e 山东人学硕十学位论文 - c o ns | a n o ff o u l i n g k e y o r d s ：h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，v i b r a t i o n ，f o u l i n g 山东人学硕十学位论文 a c h c 、 “。 e 。p ( - 而) k k k 。 ，”， ，”d 主要符号 振动振幅，m m 结垢物质的平均浓度，k g m 3 沉积层与换热面界面处污垢物质的浓度，k g m 3 传热管直径，m i , r , - 化能 an i h e n i u s 反应速度常数 振动频率，l s 输运系数，m s 附着率常数，m s ；反应速度常数， k g ”- 1 m 3 n - 2 s 传质系数，m s 单位换热面上沉积污垢的质量，k g m 2 传递通量，污垢沉积通量 k g ( m 2 s ) 污垢剥蚀通量，k g ( m 2 os 1 热流密度，w m 2 污垢热阻，m 2 w 污垢热阻的渐近值，m 2 。c w 振动的周期，s ；热力学温度，k 平均姥温 主流流体平均温度 换热面的最大振动速度，m s g 。= 月 t 一0 0 u 山尔人学硕十学位论文 流体的运动粘度，m 2 s 流动速度，m s 污垢层的厚度，n 1 刈流 贝热系数，w m ： 密度， k g m 3 州i u j ，h 污垢t 卜长的诱导期时州，h 与水质有关的参数 施加在沉积表面上的剪切应力，n t m 2 污垢沉积层自身的强度，n m 2 r v y 口尸p p q l i j 尔人学硕 ：学何论文 1 引言 换热器作为利不同介质问热交换的通用工艺发备，应片j 卜分j 1 泛，j 0 一r k 能的 让份捉i 岛都会带米饭j 引i 人的经济与社会效兢。扫：i i f ：界 符科，学家的j d 多 力卜，换热器及棚灭技术近2 0 年米迅速发腱儿 乎存其研究的各个领域都取得了令人鼓舞的进步l 。但与此同时， 些k 期未能解决的问题更加凸现出来，成为制约换热器技术进一步发展的决 定性【蚓素。b u t t e r w o r t h 在19 8 1 年出版的h e a te x c h a n g e r s ： t h e r m a l ，h y d r a u l i cf u n d a m e n t a l sa n dd e s i g n ) ) 2 书中撰文指出，换热器 改引r ”、j u 0 末解决丽又f 分急迫的问题有流体诱导振动、传热表面移 垢、混合物的沸腾、两相流的流动分布及湍流流动的模拟等血个方面。 十儿q i 过去之后，我们今天面对的仍然还是这些相同的问题。 流体诱导振动与传热表面污垢与其他几个问题相比会对换热器造 成史随接的危害，人们予以了积极的关注并为之付出了不懈的努力。f i 随剑| | 1 时为i ：，不仪这些问题没有得到满意的解决，而即使足那唑足未 j i i | 的删域我们也并末完全知哓。 换热器内的流体诱导振动会导致剧烈的噪声及元件的损坏3 。换热器 振动破坏的实例很多，未经报告的则可能更多4 。1 9 6 9 年t e m a ( 美闺管 壳换热器制造者协会) 调查了i 妇1 1 家公司制造的4 2 台换热器，其q l 2 4 白发生振动；19 7 2 年h t r i ( 美国传热研究公司) 调查了6 6 台换热器， 其l f i 育5 8 台发q ! 不同程度的振动5 ；近年来，换热器振动破坏的实例更 什增多的趋势。因为在现代换热器设计中一方面倾向于设备的大型化， 山义倾向j j 流动的高速度以提高传热系数和减少污垢热阻，冈此增 j 7 发乍目i 动的呵能性。 自、人学硕 。学f 帝论文 在换热器内部，平行于传热管轴线流动的纵向流和垂直于传热管轴 线的横向流都有可能激发传热元件的振动。在一般情况下，纵向流所激 发的振动振幅较小，危害性不大，往往可以忽略，只有在流速远远高j l i “j 流速的场合，纵向流激振j 需考虑6 。而横向流在f 卜常流速卜就u 能，越较人振i 旧n 0 振动，刈传热儿件的危害最人。凼此，人们史感兴趣 的址横向流激振的机理以及以这些机理为基础的防止振动的方法。日 f 】u ，仃火文献提 i5 了i ：多横向流激振的机理，包括漩涡脱落、紊流抖振、 流休弹性激振、声共鸣等等。研究者围绕着这些机理的研究作了f i ：多：f 作，无论足理论还是实验都取得许多进展，提出了许多新的理论解释与 实验判别。- 8 ，9 ，“。这些研究在指导换热器设计方面起到了积极的作用。 似必须指i u 的是，所有这些预测振动的理论和方法还不足以成功地预测 换热器传热元件的破坏，能说明的只不过是哪些换热器容易遭受损害。 预测缺乏精确性的原因来自： a 、通过管束流动的复杂性； b 、流体诱导振动时过多的未知因素； c 、振动阻尼的不确定； d 、传热元件的磨损和破坏速度难以准确计量，等等。 锓然，就日6 h 研究情况来看，提出一项综合性的预防流体诱发振动 损m 、的准! i ! | j 使之能应用于任何一种换热器的设计之中，还需要更多的刷 心j 等待。 换热器内传热表面积垢使传热能力大幅度降低，影响了换热器的基 本效能。污垢是热的不良导体，由于换热器内传热元件的传热系数一般 较人，其壁面上的污垢热阻时传热可以起到控制性的作用。污垢恶化了 换热器的传热性能，增加了原材料消耗；同时还会因为污垢层的增加而 减少流通丽积，导致流动阻力增加。此外，传热表面污垢的聚集常常引 i 尔人。学硕。 ：。学化沦文 起局部过热而使元件的机械性能降低，引发事故。污垢的聚集也常导致 塬p 腐蚀，威胁设备的安全运行”。 7 流体诱导振动相比，人们对污垢的研究要早得多，在1 7 5 6 年就 有了l e i d e n f r o s t 关于加热面水滴蒸发后留下的沉积物的观察报告”。本 i 纪3 0 印代s i e d e r 提出了污垢系数的概念，1 9 4 1 年污垢系数列入了 t e m a 标准”。1 9 6 0 荚幽传热研究公- d ( h t r i ) 组织指导传热学各领域的 研究i 作时，将污垢列为重点研究领域之一。1 9 6 9 年，英国w i n f r i t h 原f 能研究所也盯始了污垢研究计划。7 0 年代的石油危机，促使人们划 污垢i 、u j 题更加重视。第六届国际传热大会( 1 9 7 8 年) 将污垢列为会议的主 题之 ；第次国际污垢问题学术会议在1 9 7 9 年召丌，二二年以后，举 办了铃次这一问题的国际学术会议”。 污垢研究在8 0 年代以后基本上沿着五个方向发展。首先是对污垢 的形成过程进行理论分析与实验研究，力图为换热设备的设计提供个 通川i 阿义准确的预测模型19 , 2 0 , 2 1 ：其次是污垢监测技术的j r 发研究”；- 是污垢对策的研究2 3 。尽管人们在这三个方面做了很多工作，但无论如 何都不能晚是完全成功的。 在污垢机理研究方面，由于污垢的形成是在动量、能量和质量传递 川时仃仡n 0 多棚流动- r 进行的，其过程棚当复杂，涉及剑传热学、流1 小 力。弘、化学动力学、胶体化学、统计力学和表面科学等不同学科的皋 i j 理沦，多学科的交叉阻碍了研究的进程，目f j 的工作状态离解决这问 题l | f 】实还很遥远。 竹：污垢的监测技术j r 发方面，自从荚圜传热研究公司( h t r i ) 推i _ 【 了 第台污垢实验测量装置以来，e b 于计算机应用技术的发展，污垢监测 j 数据采集系统达到了个新的高度。所有这些监测装嚣，都是通过污 垢热阻的测量来进行污垢监督。 山尔人学硕十学位论文 在污垢对策研究方面，主要工作是8 0 年代中期h t r i 和t e m a 合 作，刈广泛应用的t e m a 污垢系数作了全面的检查、审订和补充，公白 j 7 釉i f t 4 jt e m a 押；荐值2 4 。但人们普遍感到，对卜不唰的换热器来说，这 舭数值仍然足过于的笼统。 污垢研究经过几十年的努力，积累了许多有价值的资料与数据，对 _ 垢形成的过程有了基本的了解，对。些运行参数对污垢进程的影响4 有 了初步的认让 。f 1 亢到最近，x , j 污垢特性的预测仍然处f 无把握状念”。 特别是刘防垢、抑垢和除垢的研究，应该晚是最真接也是最迫切的，似 进展却是最缓慢的，基本 二沿用了化学清洗与机械清洗二种方法2 6 。 至此，我们有理由认为，不论是流体诱导振动研究还是污垢研究都 t l 尘产实际的需求相差甚远。而面对着研究对象与研究方法近乎一成不 变n 勺吲执，我们似乎更有理由担忧，我们真的是在解决这些问题吗? 也许，应该在换热器的丛水结构l 作些突破性的变革，| 能贞1 1 7 有助j ：这螳基本问题的解决。 流体诱导振动与传热表面积垢在换热器研究中分属不同的研究领 域，直沿着各自的轨迹发展，但这并不意味着两者之间的任何关联都 1 i 仃神：。振动不仅对热量传递只有强烈影响，而且可能对减少传热表面 的积垢有着最直接的作用。7 0 年代人们曾对振动强化传热有过较大范刚 n 勺研究，却l 捌激发振动的装涵：一一机械偏，i l , 装置或电磁激励一需要外 来能量难以在换热器内实现而得出振动强化传热不适合工业应用的结 沦振动强化传热研究办因此而偃息。流体诱导振动不需要动力装置也 小需要外束能量，但人们直注意的是它所可能产生的元件损坏与峨 i ，以致十连利用它的可能性都未曾讨论。 事实f | ，在换热器内完全防止振动的产生几乎是不可能的。振动的 本质是能量的不断聚集与耗散，有能量的聚集就会有能量的耗散，不t 卜 山尔人学硕十学位论文 流体流动过程中由于粘滞阻力而聚集在传热管上的能量通过某种形式 有效地耗散出去，单纯地依靠增加传热管的刚度来阻止这些能量可能激 发的振动，并不一定总是有效。用有限的振动使能量不断耗散，卸有i j _ 能避免强烈振动所造成的元件损坏与噪声。基于这种思路，程林教授和 他的研究小组提出了利用自由振动防止振动破坏与噪声的新方法。这种 方法完全不同于传统的研究模式，不是致力于振动的预防，而是使元件 在脉动流的诱导f 自山振动，依靠元件本身的振动特性使振幅通过系统 阻尼得到有效控制，使得无论是漩涡脱落、紊流抖振还是流体弹性激振 都不能诱发起强烈的共振，元件能够长期安全运行而不致损坏；同时， 脉动流诱导下的振动频率与振幅较低亦不会产生剧烈的噪声。 将流体诱导振动看作并不仅仅意味着噪声与元件损坏的一种能量 的表达方式，则利用流体诱导振动强化传热成为可能。在提高对流换热 系数的同时降低污垢热阻无疑是在强化传热技术中最具诱惑力的，般 强化方法却很难做到。程林教授领导的研究小组在利用自由振动防止振 动破坏的基础上进而提出了利用流体诱导振动强化传热的新方法，其目 的是利用流体流动诱导的弹性管束振动在扰动水流提高对流换热系数 的同时，利用振动清除传热表面积垢，降低污垢热阻，实现复合强化传 热。并且提出了一种新型的强化传热元件一一弹性管束。 弹性管束在结构形式以及换热器内的布置方式均与传统结构不同。 弹性管束结构如图1 2 所示。它具有a 、b 两固定端和c 、d 两自由端， 并且在换热器内呈水平悬壁多层布置( 如图1 2 所示) 。运行过程中热媒 流体自a 点流入管内放热后从b 点流出。c 、d 点具有附加质量，用以 改善管束的固有频率，同时作胀接工艺之用。通过管束曲率半径r 、管 径d 、壁厚6 及c 、d 点附加质量m 等参数的组合，使其固有频率的分 布能够被液体的脉动诱发一定振幅的振动而被加以利用。对于弹性管束 “尔人学硕i 一学位论文 的振动、传热特性的研究，在程林教授的指导下，经过若干位学长的共 同势力已经取得了很多的成果。 图1 2 弹性管束结构示意图 但是对f 一种极具有拓展性的工作，始终留下了许多发展的。跚 无论是振动对传热的强化还是对污垢牛成的影响，都有可能狱得砸进 步的认识，从而使弹性管束的研究得到拓展。本文f 是基于这种思路 从振动刈管外刈流换热系数以及污垢生长过程的影响两。面腱jr 研， 以j l | ：| 刈弹性管束性能的提高得到有益的启示。 6 山东人学硕一学伉论文 2 振动对管外对流换热影响的实验研究 输运过程受幽有或诱导振动的强烈影响早已被人们所认识，2 0 世纪 的6 0 年代下7 0 年代初，大量的文献对振动与传热的相互作用进行了广泛 l ，| 勺讨沦。得出了足够强烈的振动可以改善传热的结论，但也有局部和f 均对流换热系数减少的记录。本文在与一般弹性管束大致相当以及更大 范围的振动频率下测量了恒热流条件下流体横向冲刷振动圆管时管外 的对流放热系数，得出了令人鼓舞的结论。 2 1 振动强化传热研究概述 在振动强化传热研究中所采用的主要几何形状是水平的加热圆柱 体，使其沿水平或垂直方向振动。当时，人们采用了最直接的机械方法 使表面振动，通常是应用电动振动器或电动机带动的偏心装置。为了得 到合适的振幅，一般使用1 0 0 0 h z 以下的频率。当振幅与直径的比值较大 时( 要达到这一要求，必须采用小直径的圆柱体) ，可以认为发生在圆柱 体临近区域内的对流过程是准稳念过程。因而可用通常的稳态对流综合 关系式来描述这种传热过程。图2 1 表示了较大的雷诺数范围内不同的振 动强度所导致传热系数变化的情况2 7 2 8 。从图中可以看出，在振动强度刁i 火时，仍然以自然对流占主导地位；振动达到一定程度，自然对流与振动 引起的强迫对流相互作用：振动强度足够大时，强迫对流则占主导地位。 此时，由于振动引起的强迫对流与垂直流过圆柱体的强迫对流对传热的 影响几乎完全一致。 山尔人学硕十学位论文 大直径传热管的情况有所不同。当爿比 1 时，振动对传热的影响 山东人学硕十学位论文 表2 1 振动强化传热的主要研究成果 对流换热系数 叫究者实验概况实验参数 的影响效果 自然对流；水；直 孕为 m a r t i n e l l ia = 2 5 4 m m ； 1 9 m m 水平圆柱体作晕直可提高3 倍 f = 4 0 h z 方向振动 j 然对流：水：直径为 a = 66 m m m a s o n 博6 6 m m ，1 9 m m 及3 2 m m 的水可提高2 0 倍 f = 4 0 h z 平圆柱作雄直方向振动 臼然对流；空气：直径为 a= 0 7 1 与振动方向无 06 4 m m ，1f i l m 及2 r a m 的水 l e m l i c h 2 9 5 m m 关，可提高两 平圆柱体作水平和乖直方 f = 3 9 1 2 2 h z 向振动。 自然对流；水和乙- 二醇；水可以提高5 a = 3 1 7 5 r a m p e n n y ：直径为02 m m 的水平金属倍，乙一一醇提 f = 4 5 h z 丝：水平振动 高2 5 倍。 强制对流；水：直径为 a = o 5 1 2 7 m m r a b e n7 62 2 5 4 m m 的环形通道， 可提高3 5 倍 f = 3 0 1 0 0 h z 内管加热井横向振动。 强制对流：水：环行通道， a = 1 5 m m ， o g l e 臀可提高7 0 | = | 管横向振动： f = 5 4 5 h z 山尔人。学硕十学位论文 过 峙 图22 当a 以 1 时，振动对传热的影响 图2 3 表明振动对强追对流换热的影响 以的研究结果表明，振动在理论 ：口j _ 以有效的应用到实际换热器 的结构之小。振动本身对强化传热的贡献不亚于任何1 种其他的强化化 劓i 。似足，当人们丌始关注与利用一种电磁激励装置或者是科偏 l0 山东人学硕十学位论文 心装置安装在换热器的内部和对这种强化传热的方法进行经济评价时， 结沦上u 完全相反。这不仅是因为人们普遍怀疑在工作环境极为恶劣的换 热器内部安装这些机械装置到底能够有效地工作多长时间，而且对其投 入j 产出的经济评价结构亦未能给人们带来乐观的估计。o g l e 和e n g e l 4 2 发现，就他们的一个实验而苦，提供给振动设备的能量是改善传热时所 获得的能最的2 0 倍。如此巨大的代价无疑是人们在应用这一方法上却 步的最要原因。因此，传热界较为致的看法是，传热表而振动不适合 工业应用，振动强化传热的研究亦几乎因此而偃息。 2 2 传热表面振动强化传热的机理 传热表面振动对水流的扰动是显而易见的。振动使流体绕流附面层 发生变化，增加了旋涡的生产和脱落。当传热表面没有振动产生时，流 体绕流圆柱体的工况随雷诺数r e 变化而变化4 3 。在小r e 数下，圆柱体 被流过的液体平滑的包围起来，附面层仅仅在圆柱的尾点才离丌圆柱壁 面。随着r e 数的增长惯性力的作用越来越明显，边界层在圆柱中间即 脱离壁面并且在尾部形成旋涡。r e 数的持续增加使旋涡形成的区域向湍 流过度，在3 0 0 r e 3 x 1 0 5 范围内，尾流完全变成紊流。在r e = 3 1 0 之后，涡流脱落的规律才被全部破坏，尾流变窄且非常凌乱( 如图2 4 所 示) 。 圆柱体表面振动情况与此不同，在流动r e 数很小的情况下即可偏 离旋涡脱落规律而产生无序现象，在圆柱体表面产生强烈的扰动。因此， 非振动圆柱体的对流换热系数依赖于流体的流动r e 数，而振动圆柱体 的对流换热系数则依赖于振动的k e u l e g a u c a r p e n t e r 数和振动雷诺数 r p o u 尔人。学硕十学何论文 r e 5 尤分离流动的阶段 5 一f 5 皿t 4 0 ：尾流l f 一对稳宅溢涡 4 0 月f ( 9 0 和9 0 r e t 。 圆管壁 i t 。 一q 【a ) i 冲 ( b ) 结垢 图4 3 清洁和污垢情况下的温度分布 而换热面结垢后，随着结垢时问的增长，污垢热阻计为r ，( 臼) ，测 点的温度计为f 。= f 。( 目) 。则测点与流体之削的传热热阻r ( o ) 和传热系数 女( 目) 可以计为： r ( 口) = r 2 ，+ r ( 口) ( 4 2 2 ) 女( 口) ：_ 黑_ ( 4 - - 2 3 ) ，。( 护) 一， 删= 丽1 ( 4 - - 2 4 ) 由式( 4 2 2 ) ，得， r ，( 口) = 尺( 臼) 一r 2 ( 4 2 5 ) 将式( 4 2 0 ) 、( 4 2 4 ) 代入到式( 4 2 5 ) 中，可以得到： 节 污 山尔人学硕十学f f 7 ：论文 州曰) = 丽1 一i 1 ( 4 - - 2 6 ) 这样，通过记录管壁二测点弓主流流体问传热系数的变化即町以求 7 垢热| ；的变化。 4 5 振动对污垢生长影响的实验系统 本实验系统基本上沿用圆管振动强化传热实验的实验台，实验台各 邢分的具体介绍町参见23 ，2 宵。只是将传热实验中的清洁水改为含污 垢物质的热水。本实验中所用的污垢物质为碳酸钙，其在水中悬浮物的 浓度为04 3 。 4 6 实验数据处理及误差分析 本实验的数据处理基于以下设定： 1 在管表面生成的污垢厚度忽略不计，即认为污垢生长不会造成管 外换热面积的改变。 2 实际上污垢的生长速度非常缓慢，因此我们将污垢生长过程看作 是一稳态的过程。 3 认为在相对较短的时问内污垢的厚度没有变化( 事实上污垢始 终a ：变化着) ，即认为污垢热阻在相对较短的时间内保持不变，因此可以 将在这一一相对较短时间内的平均对流换热系数的时均值作为中阳j 时刻 的甲均对流放热系数。 4 污垢的生长曲线是渐近线型的。 5 因为每实验工况的热电偶测点都要重新布置，这样会出现 定的系统洪差。因此传热系数难以进行横向的比较。实验段未结垢时管 5 4 山尔人学硕十学位论文 外平均剥流放热系数的确定，是以圆管与含有污垢物质的流体在系统运 行丌始达到稳定后一段时间内的平均对流换热系数的时均值作为实验 段在清洁环境下的平均对流换热系数。 6 污垢生长会引起壁面温度的变化，但主流流体温度也变化时会 掩。盅污垢刈壁温的影响。凶此，用壁面和主流流体之问的温差来表示污 垢的影响是恰当的。 实验过程中管外对流放热系数用流体和壁面问温差t ( o ) ，热流密度 q 1 ，j 以表示为： 哪) 。志( 4 - - 2 7 ) 其中，f ( 占) = ，( 口) 一i ，( 目) ，0 表示结垢时间。 因此，0 时刻的污垢热阻可以表示为 m 胪赤一瓦1 ( 4 - - 2 8 ) 实验中发现振动圆管的对流放热系数波动范围是比较大的，这样， 以对流放热系数的变化束表现污垢热阻的变化就会出现数据凌乱的局 面。因此，设定数据采集设备每l5 秒采集一次管外对流放热系数的数 值，然后将数据由前至后每1 2 分钟作时均值，即这一数据和前后的6 分钟实际内数掘的平均值作为此时的平均对流换热系数。 系统中温度测点的值为： m i n ( ，f ，) = 2 6 2 6 。c m a x 。= 1 0 6 o l 。c m a x = 7 1 2 6 。c 山j ：人学硕+ 学位论文 则得到的平均对流换热系数的相对误差为： 乞= a o r 口= 7 2 8 对于污垢热阻，由其值随时问的变化关系， 月，( 毋) 2 丽1 一丽1 ( 4 - - 2 9 ) t j 以得到其误著最大值为： ，一a r z ( o ) 一a a 一( 0 ) a a ( o ) i 口：。 朋) 2 万3 丽+ 葡 = 7 2 8 + 7 2 8 = 1 4 5 6 此外，污垢浓度、污垢粒子的大小以及振动频率的误差等都对污垢 生长产生一定的误差。只是目d 口这些因素与污垢生长的关系不太明朗， 不能够用直接的函数关系式将这一影响表达出来，因此也妨碍了我们对 这些影响带来误差的分析。 4 7 结果分析 在目f i s x , j 污垢的生长和控制机理还不是很清楚的背景下，我们希望 能够通过改善流体流过传热元件的流动特征或者传热元件本身的特性来 阻【：污垢的发生。振动对于传热的影响已经述及，下面是振动对污垢生 k 影响的实验结果。 以f 实验结果列出了圆管振动频率在l3 3 3 h z ，1 6 6 7 h z ，18 3 3 h z ， 振幅在1 0 m m 情况下管外的结垢情况，具体实验数据曲线如图4 4 ，图 45 ，图46 所示： 阁中实线为测量得到污垢热阻随时间变化的曲线，虚线是以最小二二 乘法拟和得到的污垢生长的渐近线型曲线方程： 月，( 曰) = 尺；( 1 一e x p ( o o c ) 其中，形一一污垢热阻的渐近值，m2 。c w 只一一污垢生长= 的时间常数，h 。 0 0 0 0 1 6 p0 0 0 0 1 2 曰 臻 蜾 螺 00 0 0 0 8 00 0 0 0 4 o 0 0 0 0 1 6 专0 0 0 0 1 2 p 宴00 0 0 0 8 葚! - z 0 0 0 0 0 4 0 ( 4 3 0 ) o 81 01 21 4 1 6 时问h 图4 4 污垢生k 曲线( 1 3 3 3 h z ) 4681 0 1 21 41 61 8 时间h 图45 污垢生长曲线( 1 6 6 7 h z ) 5 7 山糸人学硕士学位论文 00 0 0 1 6 f 7 翟 024681 01 21 4 图4 6 污垢鲞挺翟窟( 1 8 3 3 h z )图4 污垢生跃曲线( ) 用同样的方法拟和了振动频率为1 6 6 7 h z 和1 8 3 3 h z 下的污垢特性 各项参数分别表示在下面的表4 1 中。 表4 1 污垢拟和曲线的各参数 l 圆管振动频率 污垢热阻渐近值r ： 时间常数只 h z m 2 。c h 13 3 3 1 6 5 x1 0 4 5 5 7 1 6 6 71 3 4 1 0 。43 7 2 18 3 3】2 5 1 0 43 0 2 从表中我们可以看出，随着频率的增加，污垢热阻渐近值的减少不 是非常明显。生成污垢的时间常数随着频率的增加而减小。时间常数可 以解释为沉积在换热面上的某污垢成分在表面上的平均停留时间，也可 以解释为污垢以不变的嘞速率线性增长到渐近值所需要的时间( 假定 r h ，= 0 ) 。它反映了结垢刚开始时污垢增长的速度。图4 7 显示了3 个振动 2 8 4 l o 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 姜一乍蛊采蛛螺 山尔大学硕十学位论文 频率下污垢热阻变化的差异。实验证明，频率增加，管壁附近的传质系 数增加，单位时间内输运到壁面附近的污垢物质更多，因此污垢的生长 速度加快，时间常数减小。 污垢在振动圆管的生长过程虽然无法直接观察到，但是我们可以看 剑鼓后形成的污垢形状，振动劂管上污垢生长与以往观察到普通光管上 的污垢不同，振动圆管的背流面上存在一条明显的直线区域，在这条直 线上的结垢厚度远远小于其他地方的结垢厚度甚至没有结垢( 图4 8 ) 。而 在迎流面却没有观察到这一明显的直线区域。我们认为这与背流面的流 型有很大的关系，如图4 9 所示，在背流面所形成的脱落旋涡来回摆动， 不断扫动这一区域，形成较大的往复剪切应力，加大这一范围内污垢的 剥蚀力度，造成污垢厚度的降低。 0 0 0 0 2 00 0 0 】6 ；0 0 0 0 1 2 耋n 0 0 0 0 8 螺 4 81 2 1 6 时间h 2 0 图4 7 污垢生长曲线的比较 而且实验还发现，圆管的迎流面所产生的污垢比背流面产生的污垢 多，这与污垢的惯性输运过程中的碰撞有很大的关系。如图( 4 1o ) 所示， 迎流面上因为接受了更多的污垢粒子数目，使得污垢粒子粘附于壁面上 的机会比背流面要多，因此造成了迎流面更容易结垢。 叫 o 0 、 山尔人学硕 ：学位论文 b i4 1 0 绕流圆柑体的惯h - 碰撞 从以上二个频率下振动圆管的污垢生长来看，该频率范围内换热面 的振动列表面污垢, j - 长= 的影响不是很大。至此，我, f r u 认为，弹性管束系 列换热设备优秀除污能力中第一个可能原因基本被排除掉。弹性管束的 除污机理需要从其他方面进行研究。 0 l b 尔人学硕十学位论文 5 全文总结 小文绕振动强化传热进行了研究，测最了流体横向冲刷振动测销 外、 均对流放热系数，在比较的人研究结果的基础上发现，振动强化传 热的f j u 景还是非常诱人的。 振动列强化传热的影响至今难以完全用数学语言束描述；在低频卜 i l j 振动埘水流的影响比较小，流体流动的复杂性小，得到管外对流 奂热 f | 0 拟干公式n u p r ”= 4 1 4f r e ，( 爿d o ) 。4 + 12 4 。但在高频率卜振动引 起外t 邵流场的变化，而这变化又重新作用于振动圆管，形成了流体一 换热嘶叫的偶合作用；对这偶合作用的流动特征以及换热特征，还需 要作进一步的研究。 振动埘传热的强化并不仅仅体现在振动r e 。数方饰，振动频率和振 忆1 的i 嘎配划慢化传热的影响同样足不可忽视的。存实验测定n 勺范m 内， 十丫振z 幽r e 。数下的商频低振幅振动要比低频高振i 响振动对锻外时流换 热| 1 勺憎化效果要好。 流体诱导振动强化传热与单纯的换热面振动强化传热之间还存稽： 定的莘别。流体诱导振动强化传热效果随壳体r e 数的增加趋势减缓， m 换热面振动强化传热的趋势随频率增加未能减缓。从两者之间的刈比 看，流体诱导振动强化传热还存在继续拓展的空脚。 实验发现，虽然管外的污垢热阻渐近值以及污垢的时阳j 常数都有随 着振动频率增加而减小的趋势，但从整个实验的效果看，换热面的刚性 振动列换热皿结垢的影响不火。换热面刚性振动和流体振动很可能小足 弹性管束系列换热设备自动除污的主要原因，弹性管束系列换热设备的 除污机础需要进一步研究。 对 二低r e 数下的振动圆管的结垢，迎流面生成的污垢比背流面多， 山东人学硕十学位论文 而且在背流面中一t 5 出现了明显结垢量少的区域。从振动圆管的流型来 看，这一区域处于快速往复流动控制之_ f 剪切应力的往复使得当地的 污垢沉积后被迅速剥离，而形成这一明显的少污垢甚至无污垢的区域。 山东人学硕十学位论文 6 展望 振动和污垢都是换热设备运行中亟待解决的问题，这些方面的研究 f j u 景足现实m j ，“阔的，将会受到越来越多的关注。深入的硎究会带来史 多的挑战，同时也会有更新的发现，在此研究领域中最有指导意义的行 为可能是： ( 1 ) 探索振动情况下换热表面的流场。传热表面流场的变化是影 向传热的决定性因素。振动过程中的传热表面流场肯定会发生变化，但 这种变化的细致描述目前知之甚少。特别是在流一固偶合相互作用下， 振动与传热的直接关联更是鲜有研究，给振动强化传热的研究带来很多 不便。 ( 2 ) 流体诱导振动的进一步研究。与其他的激振方式比较，流体 诱导振动具有非常广阔的实用价值和发展前景。通过改善弹性管束传热 元件的振动频率和振幅，或许能够使弹性管束的管外强化传热能力进一 步提高。 ( 3 ) 对污垢生成机理的继续研究。目前污垢生成机理的研究结果 是远远不够的。需要对各种污垢生成的各个过程进行系统的研究，我们 需要了解这些基本的过程爿能对污垢生长有更清晰的了解。 ( 4 ) 寻求合适的除垢方式。近期内还难以对污垢的生成过程做出 清晰的了解，而目前我们需要能够阻止污垢在换热面上生成的方法。无 论是传热元件的改进还是水处理工艺的进步都将在这方面做出巨大的 贡献。 ( 5 ) 寻求复合强化传热的合理方式。传热的强化与防止换热面的 结垢在热 ：设备的运行过程中是同等重要的。将强化传热与防止结垢整 山东人学硕十学位论文 - 体的结合起来，必然对热工设备的小型化和稳定运行起重要的作用。 山东火学硕士学仿 参考文献 1 罗森诺等主编谢力译。传热学应用 19 9 2 。 2 k a k a cs 、b e r g l eae a n dm a y i n g e rf h e a t f u n d a m e n t a l sa n dd e s i g n 3 程林，6 6 换热器内流体诱导振动。北京 4 兰州石油机械研究所主编，换热器( 上) ， 5 c h e n o w e t hjma n dk i s t l e rrs t e c h n i e x c h a n g e rt u b ev i b r a t i o n ，c o n t r a c tn o e f e b r u a r y2 8 19 7 7 ( e r d a l 6 c h e nss p a r a l l e if l o w 。i n d u c e d v i b r a t i o n sa n di n s t a b i l i t i e so f c y l i n d r i c a ls t r u c t u r e s ，s h o c ka n dv i b r a t i o nd i g e s t 。1 9 7 4 ，6 ：1 1 1 7 p a i d o u s s i smp v i b r a t i o n so fc y l i n d r i c a ls t r u c t u r e si n d u c e db ya x i a 】 f l o w a s m e ，j o u r n a lo fe n g i n e e r i n gf o ri n d u s t r y ，19 7 4 ，9 6 ：5 4 7 5 5 2 8 p e t t i g r e wmj s y v e s t r ey a n dc a m p a g n aao v i b r a t i o na n a l y s i s0 fh e a t e x c h a n g e r s a n ds t e a mg e n e r a t o r d e s i g n s n u c l e a re n g i n e e r i n g a n d d e s i g n 1 9 7 8 4 8 ：9 7 一l l5 9 b 1 e v i n srdf l o w i n d u c e dv i b r a t i o ni nn h c l e a rr e a c t o r s ：ar e v i e w p r o g r e s si nn u c l e a re n e r g y 1 9 7 9 4 ：2 4 4 9 10 a x i s af a n t u n e sja n dv i l l a r db o v e r v i e wo fn u m e r i c a lm e t h o d sf o r p r e d i c t i n go fc y l i n d e ra r r a y si nc r o s s f l o w a s m e j o u r n a l0 fp r e s s s u r e v e s s e lt e c h n o l o g y 1 9 8 8 11 0 ：6 一1 4 11e i s i n g e r fl s u l l i v a nrea n df r a n c i sjt ar e v i e wo fa c o u s t i c v i b r a t i o nc r i t e r i ac o m p a r e dt oi n l i n et u b eb a n d s a s m e j o u r n a io f v e s s e lt e c h n o l o g y 、1 9 9 4 1 1 6 ：1 7 2 3 1 2 程林，杨培毅，陆煜。换热器运行导论。北京：科学出版社，1 9 9 5 。 l3l e