一种基于声能激励的增强换热管传热的方法及系统

本发明涉及传热传质技术，尤其涉及一种基于声能激励的增强换热管传热的方法及系统。

背景技术：

1、电厂锅炉做为一个庞大的能量转换设备，通过煤粉的燃烧，将煤质中的化学能转化为热能；锅炉内部的热能被水冷壁以及换热管束中的水蒸气所吸收，成为高温高压的过热蒸汽；高温高压的过热蒸汽在汽轮机中推动涡轮做功，从而将热能转化为电能。由此看来，锅炉内部热量的高效利用，是决定燃煤电厂发电量至关重要的因素。为了提高换热管束对高温烟气的吸热能力，火力发电厂通常采用被动强化传热的方法，即改变换热管本身的结构，如选取有内螺纹的换热管，或在换热管道外表面加设翅片，以增大换热面积提高热效率。因为要拆除原来的换热管束，改用内螺纹管或者在换热管外加上翅片，造成工作量过大，成本过高，所以这种改进方法对于已经建成的火力发电厂意义不大。通过外加手段的主动强化传热成为解决上述问题的关键。

2、然而，目前关于提高换热管束与流体对流传热效率的主动强化传热方法研究甚少。炉内高温烟气与换热管束的热交换主要面临两个问题：(1)锅炉内部换热管束间隙过小，导致高温烟气流经换热管排时阻力增大，流体通过间隙时扰动较小，不利于传热；(2)当高温烟气冲刷换热管束时，位于换热管束迎风面的前驻点(θ＝0°)传热效果最好，因为前驻点处流体对换热管作用力最大，传热系数最大。高温烟气在绕换热管运动过程中，随着热边界层的增长，传热能力逐渐减弱，在流动分离点处达到最小值。在流动分离点之后，由于漩涡的脱落，传热效果虽然会有一定程度的上升，但换热管束背风面的总体换热量还是远小于迎风面。

3、近年来，关于利用超声波声波主动强化传热的研究与应用逐渐兴起，其原理大致可概括为利用超声波在介质中传播时产生的“边界层效应”、“声流效应”和“空化效应”加剧介质对流，增加流体的紊流度，从而提高对流换热。

4、对此，中国专利(cn113153444b)公开了一种基于超声波强化传热的透平叶片内部冲击冷却结构，其主要结构包括冷气腔室和冲击腔室，其工作原理是在燃气轮机运行工况下，冷却气体在一定压力下从叶根进入冷气腔室，冷却气体被切向引入喷嘴中迅速转动且产生旋涡。当冷却气体从喷嘴出口最小直径处喷出时，会产生高速射流且发声。当射流本身的振动频率与共振腔的频率一致时，产生较强超声波。但是超声波的衰减性很大，无法保证在低压级透平叶片这种大空间中传递时的强度，使得超声波强化传热的作用范围受到极大的限制；其次，其产生声波的途径是采用射流本身的振动频率与共振腔的频率一致时产生较强超声波，这会产生共振现象，使得透平叶片受到损害，对机组运行产生威胁，所以这种方式对于低强度、小空间的声波强化传热有一定的效果，但并不能很好保证炉膛这类大空间中声波传播的强度。

5、中国专利(cn209197132u)公开了一种脉动燃烧式超声波辅助强化传热锅炉，其主要结构包括气体混合室、脉动燃烧器、超声换能器、调压器、换热器。其主要原理是通过脉动燃烧技术来提高燃烧效率和热效率，利用超声波的垂直激震作用来清除锅炉中产生的一些水垢。但是该装置采用脉动燃烧技术会产生脉冲振动，可能会降低设备使用寿命；超声波穿透性不强，在管壁出现结垢层时，会引起超声波的折射或者反射使得超声波信号急速衰减直至消失，在炉膛这类大空间中清理结垢和强化传热并不能取得一个很好结果。

6、由于以往的超声强化传热都采用电声声源，其发声机制简要概括为通过音圈外缠绕的线圈在通电后产生的磁场与永磁体产生的磁场相互作用，使得音圈在声源内部来回移动，从而引发振膜的振动发声。而燃煤电厂炉膛内部的温度极高，如果采用电声声源，很容易烧坏声源内部的振膜，使得电声声源丧失工作能力。除此之外，超声波由于频率较高，其在炉膛内部的衰减性较强，不利于声传播，在传播的过程中其衰减性尤为明显，因此，基于超声波的强化传热仅限于小空间短距离，对于锅炉这种大空间，低频声波的强化传热可有效解决这一缺陷。

7、对此，中国专利(cn117212785a)公开了一种用于强化w型火焰锅炉燃烧的声波激励系统及方法，其主要结构包括声波激励助燃装置和声波测温装置。其工作原理是通过声波激励助燃装置产生的低频强声波强化炉内煤粉燃烧；通过设置声波测温装置，实时采集炉内温度场数据，从而调整声波激励助燃装置的发声参数，确保炉内火焰时刻处于炉膛中心位置。但在声学领域中，利用声波可进行强化燃烧、清灰除垢、增强传热等等，应用声波的目的不同，声波发生装置所发射的声波强度和声波频率等参数也会不同。该专利的声波激励助燃装置其最主要目的在于强化炉内煤粉燃烧，并确保炉内燃烧火焰的稳定性，要达到这一目的，各声波激励助燃装置对声参数的选取都有较为严格的限制，因此针对换热管束达不到较好增强传热的效果。另外，对于换热管束间隙这类较小空间来说，其温度边界层的厚度较厚，此方法由于没有考虑换热器管束的传热特性，并不能直接应用于换热器管束强化传热。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种基于声能激励的增强换热管传热的方法及系统，利用低频强声气动声源产生的低频强声波，破坏换热器管束周围流动边界层和热边界层，加快旋涡脱落，从而使得烟气与管束间的换热能力得到增强，进而提高锅炉的热效率，节约了能源。

2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

3、一种基于声能激励的增强换热管传热的方法，包括以下步骤：

4、构建圆柱绕流模型，所述圆柱扰流模型包括设置于气流通道上游的换热管以及设置于气流通道下游的低频强声气动声源；

5、将外部空气注入所述气流通道，计算换热管背风面旋涡的脱落频率；

6、实时测量换热管的温度场数据；

7、调节低频强声气动声源的发声频率，记录不同发声频率激励下换热管的温度场数据，并比较不同发声频率激励下换热管的温度下降的快慢，将温度下降最快时的发声频率作为目标发声频率，目标发声频率为所述旋涡的脱落频率的整数倍；

8、调节低频强声气动声源的发声频率为目标发声频率。

9、进一步的，计算换热管背风面旋涡的脱落频率时，包括：根据给定的空气流速和已知的换热管直径，计算出旋涡的脱落频率，表达式如下：

10、st＝(fn×d)/u0

11、其中，fn为旋涡的脱落频率，d为换热管的直径，u0为流体的流动速度，st为斯特劳哈尔数。

12、进一步的，实时测量换热管的温度场数据时，包括，根据温度场数据计算传热系数，表达式如下：

13、

14、其中，ns为圆柱表面法向量，方向垂直于圆柱表面向外；为在圆柱表面法向量的方向上圆柱表面温度的变化量，h为表面传热系数，d为圆柱直径，λ为流体导热系数。

15、进一步的，调节低频强声气动声源的发声频率为目标发声频率时，包括：调节低频强声气动声源的发声频率为所有目标发声频率中的最大值。

16、进一步的，调节低频强声气动声源的目标频率为最佳发声频率之前或之后还包括：提高低频强声气动声源的发声强度以增强换热管传热效果。

17、本发明还提出一种基于声能激励的增强换热管传热的系统，包括矩形管，所述矩形管两端开口作为气流通道，所述矩形管的上游设有换热管且下游设有低频强声气动声源，还包括控制中心和功率放大器，所述控制中心通过功率放大器连接低频强声气动声源，所述控制中心用于执行以下步骤：

18、计算换热管背风面旋涡的脱落频率；

19、实时测量换热管的温度场数据；

20、调节低频强声气动声源的发声频率，记录不同发声频率激励下换热管的温度场数据，并比较不同发声频率激励下换热管的温度下降的快慢，将温度下降最快时的发声频率作为目标发声频率，目标发声频率为所述旋涡的脱落频率的整数倍；

21、调节低频强声气动声源的发声频率为目标发声频率。

22、进一步的，所述矩形管顶部和底部分别设置有换热管安装孔，使得所述换热管垂直贯穿矩形管，所述矩形管侧壁设置有低频强声气动声源安装孔，所述换热管安装孔的端面与低频强声气动声源安装孔的端面互相垂直。

23、进一步的，所述换热管安装孔从气流通道的流体流动中心向指定方向偏移进行不对称处理。

24、进一步的，还包括声级计，所述声级计通过数据采集器与控制中心连接，所述矩形管顶部设置有声级计安装孔，所述声级计安装孔的端面与换热管安装孔的端面平行，使得声级计通过声级计安装孔安装在换热管的相邻位置。

25、进一步的，所述换热管的两端通过导线与外部电源连接以加热到指定温度，所述换热管的外部套设有橡胶管以减少径向和周向的热传导。

26、与现有技术相比，本发明的优点在于：

27、本发明将低频强声气动声源用于圆柱绕流模型中，通过将低频强声气动声源产生的声波设置为涡脱频率的整数倍，可有效加快旋涡的脱落，大大缩短涡流的形成长度，较短的涡形成长度可以使涡更靠近换热管后部，从而促进边界层内部流体的扰动，显著增强换热管与周围空气的对流换热。并且，当有声波作用时，声能量对流体的激励作用会诱导其做周期性运动，破坏换热管周围流动边界层和热边界层，进一步强化了换热能力。