風(fēng)道式電加熱器溫度場(chǎng)仿真與加熱元件布局優(yōu)化

王國(guó)慶，包 坤，楊曉波，游紹強(qiáng)，楊 凡

(1.海裝廣州局駐重慶地區(qū)第一軍事代表室，重慶 402264；2.重慶川儀十七廠有限公司，重慶 400707；3.重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司，重慶 400700)

風(fēng)道式電加熱器作為清潔、便利的工業(yè)熱源，廣泛應(yīng)用于大型火電廠，石油化工行業(yè)及脫硫、脫硝、廢氣處理行業(yè)。其核心部件電加熱元件一般采用管狀加熱元件，加熱元件在設(shè)備內(nèi)部按照一定規(guī)則進(jìn)行均勻排列，送風(fēng)系統(tǒng)送入的待加熱介質(zhì)從設(shè)備入口進(jìn)入，流經(jīng)加熱元件時(shí)，與加熱元件進(jìn)行熱交換獲取熱量，加熱后的介質(zhì)攜帶熱能參與反應(yīng)或向其他設(shè)備提供熱能。加熱元件在設(shè)備中的布局是影響被加熱氣體介吸收熱量的重要因素，本文旨在通過(guò)對(duì)加熱元件在電加熱器風(fēng)道中布局的研究，找出合理的布局方案，提高電加熱器的加熱效率，延長(zhǎng)電加熱設(shè)備的使用壽命。

1 模型建立

1.1 確定變量

風(fēng)道式電加熱器是一種置于風(fēng)管的電加熱裝置，在帶有保溫層金屬外殼內(nèi)布置有多支管狀電加熱元件，其典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 典型結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，工作狀態(tài)下加熱元件符合流體多圓柱陣列繞流模型，該模型狀態(tài)下氣流在圓柱表面的流動(dòng)情況與圓柱的數(shù)量、排列間距、排列方式以及流體雷諾數(shù)等參數(shù)相關(guān)。加熱器需要?dú)饬髟诩訜崞髑惑w內(nèi)部形成紊流，以便充分接觸加熱元件表面，達(dá)到充分吸收熱量的目的。因氣流本身的特性，在經(jīng)過(guò)加熱元件時(shí)形成的卡門(mén)渦街對(duì)吸熱呈現(xiàn)積極作用，對(duì)于卡門(mén)旋渦引起的共振現(xiàn)象，由于加熱器加熱元件采用橫桿固定的方式連接為一體，一般不會(huì)形成共振，此處不予以考慮?？ㄩT(mén)渦街的形成與流體雷諾數(shù)高度相關(guān)[1-2]，雷諾數(shù)Re的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：ρ為流體密度,kg/m3；V為流體平均流速,m/s；D為加熱元件外徑,m；μ為黏度系數(shù),kg/(m·s)。

相對(duì)于加熱器氣體介質(zhì)流速，空氣運(yùn)動(dòng)學(xué)黏度系數(shù)很小，Re很大，大于108，在超臨界Re范圍內(nèi)。

在圓柱繞流模型中，圓柱間距L與圓柱直徑D的比值L/D是卡門(mén)旋渦的重要影響因素[3-6]，本文模型將以此作為變量，研究不同比值下溫度場(chǎng)的分布情況。

1.2 基本參數(shù)設(shè)置

加熱元件選取常用的外徑為16 mm的元件，單支功率1 kW，整體布局如圖2所示。氣流介質(zhì)為空氣，方向設(shè)置為沿X軸正方向，L取值56、64、72、80 mm，即L/D=3.5、4.0、4.5、5.0，結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 基本參數(shù)設(shè)置數(shù)值

圖2 加熱元件布置圖(mm)

2 仿真結(jié)果

對(duì)不同的L值進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，計(jì)算結(jié)果云圖中心剖面圖如圖3所示，氣流方向?yàn)閄軸正方向。

圖3 溫度云圖

3 結(jié)果分析

(1)從右側(cè)低溫區(qū)域變化可以看出，出口區(qū)的溫度均勻性隨L/D值的增加而逐步優(yōu)化，當(dāng)L/D=5.0時(shí)，出口處溫度基本均勻，表明該狀態(tài)下氣流在加熱器腔體內(nèi)部得到了充分循環(huán)，未形成冷熱分層的層流現(xiàn)象。這是由于當(dāng)2.5≤L/D≤3.5時(shí)，兩圓柱之間出現(xiàn)明顯卡門(mén)旋渦，但不會(huì)產(chǎn)生渦脫現(xiàn)象；當(dāng)L/D≥4時(shí)，上下圓柱都產(chǎn)生周期性的脫落現(xiàn)象，兩圓柱之間的介質(zhì)流動(dòng)隨著間距的變化產(chǎn)生巨大差別[7]，如圖4所示。

圖4 等渦量線(xiàn)圖

(2)從計(jì)算結(jié)果云圖中還可清晰地看到高溫區(qū)的分布變化，高溫區(qū)基本集中在腔體頂部，這是由于熱量“向上走”的特性。L/D=3.5時(shí)，加熱元件對(duì)介質(zhì)阻力較大，前端頂部的熱量不能及時(shí)帶走，出現(xiàn)集熱現(xiàn)象；隨著L/D增大，渦脫現(xiàn)象加強(qiáng)，集熱區(qū)向后移，當(dāng)L/D=5時(shí)，集熱區(qū)轉(zhuǎn)移至后端頂部。從這點(diǎn)看，設(shè)備的過(guò)熱保護(hù)溫度計(jì)應(yīng)入口側(cè)靠近頂部的區(qū)域內(nèi)。

4 結(jié) 論

(1)加熱元件串列排列的風(fēng)道式加熱器各加熱元件的間距L與外徑D的比值L/D接近5時(shí)，氣流能夠形成較強(qiáng)的卡門(mén)渦街脫落現(xiàn)象，該現(xiàn)象能加強(qiáng)氣體介質(zhì)在加熱器腔體內(nèi)部紊流狀態(tài)，從而提高吸熱效率。

(2)當(dāng)L/D接近5時(shí)，集熱區(qū)域出現(xiàn)在入口側(cè)頂部，為防止加熱器過(guò)熱而設(shè)置的測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)選擇在該區(qū)域內(nèi)。