衰减性旋流强化传热性能的研究

1、衰减性旋流强化传热性能的研究1 引言旋流强化传热是通过有效地形成不稳定流和二次流以强化流体中微团混合及减薄边界层达到强化传热的目的。因为与无旋流动相比，旋转流体通过旋流形成的切向速度分量会影响到流体的湍流混合，在靠近壁面流体层中，流体由于惯性力的作用将使流体的湍流混合加强1，2；而且在旋流情况下壁面合成速度也相对较大，边界层的厚度也相对较薄，从而提高了传热系数。旋流的形式主要有衰减性旋流和非衰减性旋流两种。衰减性旋流一般是由放在流道进口的旋流器形成的，衰减性旋流的流体运动规律是在旋流器的出口处，旋流强度最大沿流体流动方向的旋流强度逐渐衰减。形成衰减性旋流的入口旋流器一般适用于短管换热器（L/D

2、5060），主要包括导叶式旋流器，切向槽旋流器等。由于入口旋流器具有安装维修方便，流动阻力较小等特点3。因此，对于电厂锅炉和余热锅炉中烟管式空预器等换热装置，应用衰减性旋流器具有明显优势。前人虽对采用管内旋流的传热和阻力增加情况作过一定的研究48，但研究结果不尽一致，有些认为由于阻力的增加比换热能力的增加要快，因而采用旋流后总的热力性能指标无法提高；也有一些研究结果表明只要参数选择合理，旋流强度选择合适，还是可以得到较好的热力性能指标的。由于上述研究的管内旋流衰减速度较快，影响了其总体传热性能。因而本文提出利用管内内置同心管形成环形流道以减缓旋流的衰减，从而改善衰减性旋流的传热性能，有关这方面

3、的研究还未见有报道。本文重点对于环形流道内衰减性旋流强化传热性能进行了试验研究，并对不同衰减性旋流发生方式及其综合热力性能做出评价，得出了对于环形流道内衰减性旋流强化传热应用具有实际指导作用的研究结果，对于空气预热器性能改善设计具有指导作用。2 试验装置及方法本文采用的试验系统如图1所示。该系统由传热试验段、气路系统、电加热系统及数据采集系统组成。传热试验段主要包括电加热芯体、保温层等部分（如图2所示）。实验中衰减性旋流是利用轴向导叶旋流器，切向导叶旋流器和切向槽式旋流器进口来实现的，图3中示出了所采用的3种不同的旋流器进口装置。流转流体的旋流强度一般可用旋流数S表示，定义为9式中 R1，R2

4、分别为环形流道内外管半径，m；L1为常数，L1=/8；Vz，V分别是气流的轴向和切向速度分量，m/s。在给定风量下，调节调压器使系统达到一定的电热功率，待换热工况达到稳定后，测出换热段进出口的压差DP、进出口处的风温及电热棒外壁面的温度（测多点温度求平均值，壁温的测点布置如图2所示）。由进出口风温可计算出空气的吸热量，并与电加热功率作一比较，若两者相近则表明系统的误差较小。试验结果表明在所有工况下计算所得空气吸热量与电加热功率很接近，从而说明本文的实验结果具有一定的可靠性。由测得的压降DP可计算出试验段的范宁当量摩擦系数f，计算公式为3式中 P为不包含旋流器局部阻力损失的压差，Pa；G为空气的

5、质量流量，kg/s；L为试验段长度，m；rn为流道的当量半径，m；平均密度的倒数为表征衰减性旋流强度在流道内的衰减程度，在这里将L/D=010间的平均旋流强度与进口旋流强度之比定义为旋流衰减指标值为D为环形流道的当量直径，m。S*的数值越大说明旋流的衰减速度越慢。3 试验结果及讨论3.1 旋转流体的旋流衰减特性通过进口段旋流器产生衰减性旋流在环形流道内自由地以螺旋线的轨迹向前运动，旋流强度随流动方向逐渐衰减。图4为在进口旋流强度Sin=3.2和环形流道长度L=0.5 m条件下，轴向导叶式旋流器生成旋流的衰减指标值S*与Re数（Re数均根据环形流道内轴向风速计算）的关系曲线。从图中可看出，S*随

6、Re数的提高而增大，表明提高Re数有利于保持流体原有运行方向，抑制旋流数的衰减。这与前人对管内旋流衰减研究结果一致7。说明从Re数的影响角度而言，环形流道内的旋转流体的衰减特性与管内旋流一致。即管内旋流自由衰减应满足式中 x/D为与旋流器的相对距离；a，b为常数。按式（6）形式可归纳出轴向导叶式旋流器在环形流道内生成衰减性旋流的衰减指标值S*与Re数的经验关系式为式（7）的适用范围为Re=1000025000，误差范围为±9.5%。在实际装置中利用衰减性旋流强化传热时，对于Re数选取还要考虑温度、阻力损失等性能指标的要求。对于多入口的切向槽旋流器旋流强度的研究（见图5）可以发现，当R

7、e=11000和Sin=3.8时，随切向槽进口数由1增至3，旋流强度的衰减程度略有下降。因为切向槽旋流器进口数目增加，可使旋流器切向布风更趋均匀，从而避免局部切向风速过高而引起衰减过快。图6显示单切向槽旋流器进口旋流强度Sin对S*的影响曲线（Re=11000）。当进口旋流强度Sin低于某一临界值时，随进口旋流强度提高，S*增大，说明此时进口旋流强度的提高有助于保持旋流的刚性，延缓旋流衰减；但进口旋流强度Sin高于某一临界值后，随进口旋流强度提高S*明显降低， 因为进口旋流强度过大，使进口的切向风速提高，从而造成摩擦阻力升高，最终导致切向风速衰减程度更加剧烈。图7显示轴向导叶式旋流器生成的旋流

8、在环形流道间距DR为1550mm范围内的实验研究结果（Re=11000和Sin=3.2），由图可见，减小环形流道的间距，有利抑制切向风速的衰减，因为较窄的环形流道间距能保持流体的流动稳定性，避免流体紊乱度提高而导致切向速度的衰减。但过窄的环形流道将会使摩擦阻力损失急骤上升，从而降低旋流强度。3.2 旋转流体的传热和阻力特性图8是切向槽旋流器产生的旋转流体传热Nu数与无旋流体Nu0数之比Nu/Nu0随Re数的变化曲线（流道间距DR=25 mm）。由图可见，旋转流体与无旋流体相比可提高传热系数15%70%，Nu/Nu0随进口旋流数Sin和Re数的增大而提高。后者因为较高Re数以较大距离地维持进口旋

9、流强度，从而导致整个实验段内的平均换热量的提高。研究结果与旋流强度流动过程衰减规律相一致。Nu/Nu0随Sin提高而增大，说明较高的进口旋流强度可产生好的强化传热效果，也再次验证了旋转的流体有利于传热的强化。研究表明旋流强化传热的性能与进口旋流数Sin和Re数有关。根据实验数据，可拟合得环形流道内切向槽旋流器产生的单相旋转气流与内壁面传热的经验关联式为式中n=0.1616lnRe-1.40。（9）适用范围为Re=10，00022，000，Sin=033.28，最大误差小于10%。图9为单切向槽旋流器，环形流道间距DR=25 mm时不同旋流强度下的阻力特性曲线。进口旋流数Sin=10.6时，阻力

10、损失提高2.52.9倍；Sin=33.28时，阻力损失提高3.96.2倍。根据实验结果，可归纳出单切向槽旋流器产生旋转气流阻力特性的经验关联式为适用范围为Re=5，00023，000，Sin=033.2，误差范围为±7.6%。图10为轴向叶片旋流器R=15mm时的阻力特性曲线，当旋流数Sin=3.2时，阻力损失提高1.141.5倍；当Sin=10.2时，阻力损失提高2.12.53倍。经比较可看出，旋流强度提高将使阻力损失上升，但是轴向叶片旋流器产生旋流的阻力损失低于切向槽旋流器，分析原因主要是切向槽旋流器产生旋流的均匀性较差。已有实验表明，切向槽旋流器旋流存在较明显的径向速度梯度。从

11、而易形成局部流速过高导致阻力损失提高。根据实验结果，可归纳出轴向叶片式旋流器产生旋转气流阻力特性的经验关联式为适用范围为Re=5，00023，000，Sin=010.2，误差范围为±8.5%。3.3 旋流发生形式对传热性能的影响旋流的产生和形成的方式将对旋转流体的结构产生一定的影响，从而导致强化传热效果的差异。利用单位熵产分析法10对于切向槽旋流器、轴向叶片旋流器和切向叶片旋流器在传热效果上的差异进行分析。结果由表1所示。比较实践结果表明，在相同的旋流器强度下， 3种旋流器的传热系数，阻力损失和单位熵产N均不相同。切向槽旋流器传热系数最高；但轴向叶片式旋流器单位阻力损失P最小。单位熵

12、产3种旋流器由小至大的顺序为：轴向叶片式旋流器<切向槽旋流器<切向叶片式旋流器。所以轴向叶片式旋流器综合热力性最好，而切向叶片式旋流器较差。但在实际应用过程中，由于综合考虑了其它因素（如除尘效率、结构布置等）切向槽旋流器还具有一定的应用价值。4 结论从上述实验，可以较清晰地归纳出环形流道内衰减性旋流及其发生装置的一些特性： 衰减性旋流强度随流动方向逐渐衰减，但较高的Re数有利于抑制这种衰减。合适的环形流道间距和一定切向槽口数目，有助于维持旋转流体的旋流强度。提高旋流强度会产生较好的传热效果，但同样也使流动阻力提高。切向槽旋流器，轴向叶片式旋流器和切向叶片式旋流器的传热和流动性能各不

13、相同，用热力学第二定律分析的结果显示，轴向叶式旋流器的热力性能最佳。参考文献1 吴锤结，马扬晖（Wu Chuijie， Ma Yanghui）.旋涡，湍流和自由表面的相互作用（Interaction between vortices， turbulence and free surfaces）J.力学进展（Advance in Mechanics）， 1997， 27（3）：342-357.2 夏南（Xia Nan）. Rayleigh稳定性准则的一种推广（An extension of Rayleighs stability criterion） J.力学与实践（Mechanics and

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