隔膜增压装置冷却系统强化换热模拟实验

杨兴林，周颖臻，陈波

(江苏科技大学 能源与动力学院，江苏 镇江 212000)

许多机械设备工作环境温度高，持续运行使用时间长，需要考虑设备的冷却问题，冷却水循环冷却法具有吸热能力强，所需管道体积小从而节省设备占用空间的优点，因而在目前设备冷却系统中应用较为普遍[1-2]。特别是在船舶行业中，船舶需要常年在海上航行，主机设备无法靠地面人员维护的情况下，船舶冷却水系统成为船舶动力装置安全可靠运行的重要保障。研究表明,在船舶冷却水换热系统中使用脉动流能够有效降低换热热阻，提高换热效率[3]。目前脉动流强化换热中应用较多的是有源脉动强化换热[4-6]。因此，如何在保证使用脉动流强化换热的前提下减少脉动装置的能耗成为脉动强化换热中的研究重点。目前对有源脉动研究中依然存在的问题是使用电动机、往复泵和电磁阀等为使脉动冷却系统产生脉动流的高功率脉动发生装置虽然提高了换热效率，但却额外消耗过多机械能，整体能效得不偿失。为此，开展隔膜增压装置设计和制造的相关工作，搭建脉动冷却系统的实验台，进行隔膜增压装置对脉动强化换热的实验，探讨在脉动系统的液压冲击下隔膜增压装置的增压效果与脉动频率的关系以及换热器的换热量随隔膜增压装置产生的压力变化，考虑以增压装置提高冷却系统的换热效率，减少脉动系统的能耗，节省水泵、锅炉、电机等辅机设备的日常开支。

1 脉动增压强化传热实验系统

1.1 实验设计方案

为了研究隔膜增压装置对船舶冷却系统中的脉动强化换热的影响作用，基于液压冲击原理开发基于通过使流体加速喷射原理的隔膜增压驱动能效装置，装置和测量系统组成及原理见图1。

图1 船舶柴油机缸套与冷却水脉动换热增压装置实验原理

整个实验系统由2个封闭的循环系统组成。测量系统负责测量实验系统中的参数变化。当离心水泵运行时，冷却水在柴油机缸套和换热器之间循环流动换热，并且本实验中所使用的工况参数：流体速度0.5 m/s，吸入压力60 kPa。在冷却水循环中通过脉动阀的开闭使流体产生脉动。电动机以1.43 Hz/s的频率旋转，通过曲柄机构驱动脉动阀的阀门。脉动阀在打开时液体可以自由地通过，进一步沿着回路通过柴油机缸套在脉动循环系统中循环流动。脉动阀关闭时，管道中运动的流体具有的动能在停止时会转化为拉伸管壁和压缩液体的压力势能。其中初始时刻的压力波动最危险，在脉动阀附近管道中的压力将急剧增加，管道将在弹性变形的极限范围内膨胀，并且压缩流体产生的振荡波将从脉动阀向第一液压蓄能器和隔膜增压装置传播。当冲击波到达隔膜增压装置的入口时，其压力大于隔膜增压装置的第二出口和管道中连接的第一液压蓄能器中的压力。因此,流体产生的冲击使隔膜增压装置内部的弹性膜片发生形变从而改变隔膜增压装置上腔体的体积使流体由第二出口经第一单向阀排出至增压系统的管道中，流体由第一单向阀流出后沿管道流向标准孔板，流体经过标准孔板时的阻力小，压差大，稳定性好，有平滑的压差特性。因此，流体在标准孔板的作用下部分压力势能转变为动能，使流体在管道中的速度增加。

1.2 脉动增压原理

由于增压系统为闭式系统，在标准孔板后流体速度增加导致管道静压减小，导致连接在增压系统中的第二液压蓄能器为补偿系统压力而将蓄能器中的流体流向增压系统，使标准孔板后的管路中的流量增大，当流量增加后的流体经过第二单向阀流向隔膜增压装置时，出口流量总是大于进口流量，因此，隔膜增压装置膜片受到的冲击压力总是大于其对增压系统作用的压力，腔体中的弹性膜片受到流体冲击的作用力返回初始位置时，与原脉动循环系统中脉动阀产生的冲击压力相比，弹性膜片返回时产生的压力将高于脉动循环系统中原冲击压力。对于脉动循环系统来说，隔膜增压装置弹性膜片压力作用于脉动流体后使脉动循环系统的压力增加，并在脉动阀开启后，系统的压力势能转变为脉动流的动能使脉动速度增加，从而提高脉动循环系统的换热效率。

1.3 脉动增压强化传热实验

本实验中分别对3组不同的脉动频率下进行分析，对比在脉动频率相同时有无隔膜增压装置对管道脉动压力的影响，实验中3组脉动频率为f1=1.43 Hz，f2=1.70 Hz，f3=2.85 Hz；管路中流量为0.000 182、0.000 22 m3/s。实验所选柴油机缸套为SD1125系列直喷单缸柴油机缸套。所选离心水泵为德国制造的WILO威乐TOP-S40/10离心水泵。脉动阀选用的是重庆川仪调节阀有限公司生产的VFR凸轮轴阀。第一、第二液压蓄能器均选用气体式液压蓄能器中的隔膜式液压蓄能器。本实验中换热器为自行设计的螺旋盘管式换热器。

脉动增压强化传热实验系统末端换热器见图2。假设换热器外表面热流密度为零，忽略外部环境的对流，辐射对换热器内部温度变化的影响。换热器是外部体积为0.08 m3的圆柱形筒体，内部螺旋盘管直径为10 mm，管长为2.5 m。实验过程中通过使用热电偶温度传感器测量换热器热水进出口温度和螺旋盘管外冷水的温度变化，压力变送器测量增压系统和脉动换热系统中的压力变化。

图2 换热器物理模型示意

2 实验结果及数据分析

2.1 增压器压力变化与脉动频率f的关系

当换热系统中流量G1一定时，通过压力变送器将测得的脉动频率f1、f2、f3与压力的实验数据利用MATLAB软件拟合后转换为傅里叶函数曲线后见图3。

图3 流量G1下压差Δp与频率f的关系

随着脉动频率增加，隔膜增压装置产生的压力随之增加。脉动阀的阀门是由电动机带动凸轮机构旋转控制阀门开闭以产生脉动流，随着电动机旋转频率增加使阀门关闭时间减少，根据儒科夫斯基水击压强理论可知，阀门关闭引起流速的变化，是由于压强增量的作用，这个压强增量就是水击压强[7-9]。管道中液压冲击的压力随着阀门关闭时间的减小而增加，而阀门关闭时间又由电动机频率控制，因此，增加电动机频率意味着能使管道产生更高的液压冲击。当管道中的阀门瞬间关闭时会使运动的流体产生反向的冲击波，冲击波的压力会使隔膜增压装置的弹性膜片产生形变推动隔膜增压装置出口处连接的管路中的流体循环，当隔膜增压装置系统中的流体流过标准孔板时流速增加，且冲击压力越大对流体的加速作用就越大，当加速后的流体返回隔膜增压装置时弹性膜片就会以更高的冲击压力作用于隔膜增压装置进口处连接的管路中的脉动流体，从而使脉动流体的压力升高。当脉动频率f3>f2>f1时，隔膜增压装置内通过流体加速作用产生的压差变化便有Δp3>Δp2>Δp1。

2.2 不同频率下增压作用对换热效果的影响

图4 增压前后换热器温差Δt与时间的关系

图4显示了脉动频率分别为f1、f2、f3时换热系统在有无隔膜增压装置作用下换热器内冷水的水温在加热到相同温度60 ℃时所需时间内的升高趋势。在换热器内部冷水温度小于热水进口水温时换热过程属于非稳态导热。因此，在冷水加热过程中温度变化随热水脉动频率和增压装置影响而改变。随着冷水温度升高趋势不同，在加热过程中必然存在差值，由于换热过程中温差的改变导致差值不同而出现峰值。3种不同的频率下，增压后的系统换热器内冷水的温度升高趋势均大于增压前的脉动系统中的冷水温升，且对于增压后的系统而言，随着脉动频率的增加，换热器冷水到达相同温度的时长越短，意味着在一定的频率区间内，脉动换热系统增压后的换热效果随着脉动频率的增加而提高。对于换热器中冷水水温而言，在相同时间内换热系统增压后的冷水水温的温度升高量比增压前最高可达8 ℃。且在图中可以看出频率在f1=1.43 Hz和f2=1.70 Hz区间变化时的换热效果增加最明显，在f2=1.70 Hz和f3=2.85 Hz区间内虽然换热器内冷水温度上升的差值Δt在前期依然有所增加，但换热效率增量仅略有变化，明显小于脉动频率f1到f2时的换热效率增量。结合文献[10-12]，分析认为，可能在脉动频率f2时脉动流动已经处于湍流旺盛阶段，此时脉动强化换热效果较为稳定，改变脉动频率时管道中产生的压力增加不会对换热效率引起更大的变化。

2.3 不同流量下增压作用对系统换热量的影响

当脉动流换热系统中循环水泵流量分别为G1=0.000 182 m3/s，G2=0.000 22 m3/s时，换热器在有无增压器作用下的换热量之差ΔQ随时间的变化关系见图5、6。

图5 流量G1时增压前后热水换热量差ΔQ随时间的变化

图6 流量G2时增压前后热水换热量差ΔQ随时间的变化

在循环水泵流量G1下，在不同的脉动频率下，换热器中热水的换热量在增压器的作用下均大于增压前的换热量。随着时间增加，换热量的差值逐渐减小，脉动频率越大，换热量差值减少越慢，最终差值趋于稳定。这也符合热力学中的傅里叶定律[12-13]，即初始时刻换热器中冷水温度最低，换热器中螺旋盘管表面单位时间内通过给定截面的热量，正比例于垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积。由图中可以看出，各频率下的换热量之差均存在一个最佳时刻使换热量之差达到最大值。因此，为了达到换热器中最佳的换热效果，需保证换热器中冷水的出口温度不能超过某一限定值。从整体来看，循环水泵流量G1、G2对换热器热水换热量差值随时间的变化趋势的影响比较相似，但数值上流量G2对换热量差值的影响作用大于流量G1。这表明在特定情况下，为了提高换热效率可以适当提高脉动换热系统中循环水泵的功率来增加热水的流量。

3 结论

1)基于液压冲击原理开发的隔膜增压装置是可行的，随着脉动频率的增加，隔膜增压系统产生的压力增加该装置通过流体自身能量的转换提高脉动系统换热效率。

2)隔膜增压装置提供的增压效果对强化脉动流换热是有利的，增压器对脉动系统增加的压力越大，换热效果越好，在脉动频率f2=1.70 Hz时脉动系统增压后强化换热效率达到最大值。

3)在隔膜增压装置工作的同时，提高脉动换热系统中循环水泵的流量也有一定的强化换热的作用。