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风道加热器在航空航天、化工等领域应用广泛

2021-03-10

引言 风道加热器具有风阻小、加热均匀、热交换效率高等特点,。

风道加热器前置离心式通风机为其供风,风机将外界的新鲜空气通过进风筒经两级导流板送入设备内部,气体在导流板的作用下一方面延长了与翅片加热管道的接触时间,另一方面也可使加热管表面温度更加均匀,避免因局部温度过高损伤加热管。实践应用表明导流板的长度和开口角度对风道加热器流场和温度场的性能参数均有影响。 对换热器结构进行仿真,探究不同结构下设备的流场均匀度和性能参数。等通过数值模拟的方法探究了不同氧化剂对空气加热器出口流场的影响。利用流体力学软件研究了螺距和肋高对换热器速度场和温度场的影响。

 以上研究主要集中在加热管的结构和加热介质对加热器的影响方面,现阶段,关于入口通流部件的结构即导流板的长度和开口角度对风道加热器的性能、流场和温度场方面的研究较少。 本研究以煤矿主通风系统用风道加热器为研究对象,在Fluent中通过四因素三水平正交试验法模拟了两级导流板不同开口角度和长度对风道加热器压降、温升的影响,为优化其结构提供参考。 

1 正交试验设计 

1.1 试验目的 为提高风道加热器的温升和加热效率,降低气体流过风道加热器的压力损失,本研究通过正交试验,以温升和压降为评价指标,对风道加热器的结构设计进行优化,表1为设备的基本参数。

 1.2 试验因素及方案 风道加热器进口处布置有4块导流板,内侧的两块为一级,外侧的两块为第二级,两级导流板均沿中间截面呈对称分布,定义导流板与中间截面的夹角为导流板的开口角度,定义导流板在水平方向的投影为导流板的长度。本研究将一级导流板角度、第二级导流板角度、一级导流板长度、第二级导流板长度这4个因素定义为正交试验的水平因素。根据工程实践可知4个参数的取值范围,并制作了如表2所示的影响因素和水平设计表[4],然后根据表2设计了如表3所示的L9(34)正交试验表[5],共9组试验方案,其中试验序号6为现有风道加热器结构。

 2 数值模拟 

2.1 数学模型 本研究采用Fluent软件对9种正交试验方案进行定常模拟,风道加热器在进行流动与传热的数值模拟时应遵循流体动力学基本控制方程即能量、动量和质量守恒方程[6],其中能量守恒方程如下: 式中, ρ, T, V分别为密度、温度和体积; λ代表流体的导热系数; Cp为定压比热; ST为黏性耗散项。 同时风道加热器内部存在复杂的内流动如湍流、涡流等,气体流动的各向异性很高,本研究选用RNG k-ε湍流模型进行模拟。与标准k-ε湍流模型和Realizable k-ε湍流模型相比,RNG k-ε湍流模型能更好的模拟湍流且各向异性高的流动过程[7]。 

.2.2 模型建立 风道加热器也称风道式加热器由进风筒、一级导流板、二级导流板、W型翅片加热管、保温层和出风筒6部分组成,保温层材料采用硅酸铝棉,加热丝采用镍铬合金丝,其他材质为Q235,风道加热器及离心式通风机实物图,如图1所示。 风道加热器长1500 mm,宽和高均为750 mm,为避免数值模拟过程中出现回流,在原有出风筒的基础上增加1000 mm的风筒作为延长的计算域。为研究两级导流板不同角度和长度对风道加热器流场和温度场的影响,按照正交试验法并结合设备实际尺寸在SolidWorks中建立了不同导流板开口角度和长度的风道加热器三维流场模型。

风道加热器

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