一種溫濕度調(diào)控箱的設(shè)計(jì)及仿真分析①

劉明宏 張雷 茍劍渝 張秀華 宋軍軍

（貴州煙草公司遵義市公司 貴州 遵義 563000）

隨著規(guī)?；?，自動(dòng)化農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于氣候室溫度調(diào)控的要求越來越高，合理的溫度調(diào)控箱設(shè)計(jì)能夠提升系統(tǒng)控制精度，減少多余成本浪費(fèi)。隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)和商業(yè)軟件的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、學(xué)術(shù)和工業(yè)研究開發(fā)，幾十年來在多孔介質(zhì)流動(dòng)與傳熱方面取得長(zhǎng)足進(jìn)步［1］。闞永葭［2］對(duì)小型人工氣候室進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)其中出風(fēng)口和測(cè)試室部分運(yùn)用AN‐SYS Fluent 15.0流體模擬，優(yōu)化其機(jī)械結(jié)構(gòu)使氣候室內(nèi)的空氣流動(dòng)更加均勻；劉現(xiàn)等［3］有效實(shí)現(xiàn)了人工氣候室群的環(huán)境狀態(tài)采集、環(huán)境控制、運(yùn)行計(jì)劃管理、遠(yuǎn)程測(cè)控、照片存證等功能，擴(kuò)展性強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定。使用以上工具和方法，本研究?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)了一種用于氣候室的溫度調(diào)控箱。

1 調(diào)控箱總體設(shè)計(jì)

本溫濕度調(diào)控箱主要由蒸發(fā)器和電阻加熱絲組成（圖1），箱體兩側(cè)分別設(shè)有進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，從氣候室回風(fēng)出來的空氣進(jìn)入調(diào)控箱后率先經(jīng)過加熱絲進(jìn)行加熱，然后通過蒸發(fā)器除濕，調(diào)控箱外壁面配置的有保溫橡膠海綿以減少調(diào)控箱熱量流失。經(jīng)調(diào)控箱處理后的空氣通過送風(fēng)裝置進(jìn)入氣候室，由此形成一個(gè)完整的風(fēng)量循環(huán)（圖2）?？諝庀韧ㄟ^加熱絲加熱而后再經(jīng)過蒸發(fā)器的方式可以有效避免蒸發(fā)器中的冷凝水噴到加熱絲上而導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作的情況。但同時(shí)也失去了除濕而恒溫的功能，故此需要配置有除濕機(jī)，除濕系統(tǒng)放在送風(fēng)結(jié)構(gòu)中。本文將制熱和制冷系統(tǒng)集于一體解決了現(xiàn)有蒸發(fā)器的缺點(diǎn)，而且有效減少了系統(tǒng)所需的運(yùn)行空間［4］。

圖1 調(diào)控箱系統(tǒng)原理圖

圖2 調(diào)控箱結(jié)構(gòu)圖

2 調(diào)控箱的內(nèi)部分析及優(yōu)化

為使空氣在調(diào)控箱體內(nèi)能更好的均勻加熱，加熱絲的布置對(duì)空氣在調(diào)控箱內(nèi)均勻受熱有重要影響。加熱絲材料采用鎳鉻電熱合金，其具有高溫下不易變形、強(qiáng)度高、已修復(fù)和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，加熱絲工作時(shí)主要以輻射換熱為主，其發(fā)出的熱輻射穿透空氣傳遞到調(diào)控箱壁面上，而壁面外采用的保溫橡膠海綿要求使用溫度不得高于80℃，故此箱體內(nèi)溫度應(yīng)控制在80℃以下，從而保證系統(tǒng)正常工作。

在調(diào)控箱體布置過程中，加熱絲會(huì)與箱體產(chǎn)生間隙，箱體高為800 mm，長(zhǎng)1 500 mm，加熱絲單體長(zhǎng)為720 mm，布置間隔一定（圖3），則通過調(diào)控箱長(zhǎng)度可計(jì)算出加熱材料總體積和單位體積功耗，計(jì)算過程中加熱絲的熱功率取最大值。

圖3 加熱絲模型圖

為了探究加熱絲形狀及布置方式對(duì)調(diào)控箱內(nèi)空氣加熱的影響，利用CFD技術(shù)進(jìn)行分析，初始形狀采用8 mm的圓形加熱絲。圖4為X‐Y二維計(jì)算模型，環(huán)境溫度設(shè)定為27℃，計(jì)算風(fēng)速為1.05 m/s，方向?yàn)榭臻gX方向。以壓差電阻和加熱絲溫度的最大值為收斂目標(biāo)。主要參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 8 mm圓形加熱絲優(yōu)化情況

圖4 加熱絲計(jì)算模型

由圖5可知，當(dāng)加熱絲間的相隔倍數(shù)減小時(shí)，空氣穿過加熱絲組的壓力損失隨之增大，尤其是當(dāng)相隔倍數(shù)降低并小于0.5時(shí)，壓力損失急劇上升。加熱絲的最高溫度隨著倍數(shù)的增加而增加，并且二者呈線性關(guān)系。

圖5 仿真結(jié)果曲線圖

因?yàn)榭諝獯┻^加熱絲時(shí)會(huì)產(chǎn)生過大的壓降，所以選取相隔倍數(shù)為0.5進(jìn)行計(jì)算。間隔不變，表2代表直徑分別為5、8、12 mm的加熱絲計(jì)算結(jié)果。如表2所示，當(dāng)直徑減小時(shí)，其最大溫度和體積隨之減小。因此綜合上述條件，在不改變相隔倍數(shù)且滿足各方面條件的情況下，選取較小的直徑對(duì)加熱絲的性能有不少提升，所以選取5 mm的加熱絲，但5 mm加熱絲相隔倍數(shù)為0.5時(shí)，兩根加熱絲之間的間隙僅為2.5 mm，這將使安裝變得很困難。

表2 圓形加熱絲計(jì)算情況

從圖6可以看出，兩端的曲面大約用1 mm的弧線表示。帶狀加熱絲的扁帶厚度為1 mm，橫截面積為5 mm2。其最大溫度為54.176 9℃，相較于5 mm時(shí)更低，同時(shí)壓力損失僅為0.39 Pa，與之前的3.423 63 Pa等比較獲得了較為理想的效果，因此采用該種方式進(jìn)行加熱。

圖6 帶狀加熱絲計(jì)算模型

考慮到傳熱的影響，計(jì)算流阻特性時(shí)，設(shè)置變量X向風(fēng)速范圍為0.5～15.5 m/s，步長(zhǎng)間隔為1 m/s，共16組計(jì)算。圖7中a為加熱絲最大溫度變化圖，b為流阻特性曲線圖。如圖在0.5m/s處其最大溫度為63.132℃，仍小于80℃，但在風(fēng)速低于2 m/s時(shí)，隨著風(fēng)速降低最大溫度上升迅速。

圖7 帶狀加熱絲分析結(jié)果

各加熱絲的間距應(yīng)該相同，帶狀加熱絲擺放跨度過長(zhǎng)將會(huì)出現(xiàn)中部過于下垂，影響效果，現(xiàn)決定將加熱絲分為31根一組，兩端和上下距離箱體壁面的間距分別為14.5、15.0 mm，組內(nèi)和組間的間隔分別為7.5、14.0 mm，共6組。

加熱絲豎直方向無阻礙，故假設(shè)其不存在阻力，阻力設(shè)置為0、20 m/s～10‐8Pa。各加熱絲帶之間在橫向方向上無阻擋，所以空氣的流動(dòng)特性也不存在，為了觀察加熱絲帶的阻礙效應(yīng)對(duì)其產(chǎn)生的影響，分別設(shè)置阻力為10 m/s～0 Pa、20 m/s～108Pa。

3 調(diào)控箱流暢均勻化設(shè)計(jì)

如果加熱絲和蒸發(fā)器距離過近加熱絲的高溫尾氣會(huì)影響到蒸發(fā)器的工作，因此兩者的安裝距離需要細(xì)致考量一個(gè)合理值［5］。由上文對(duì)加熱絲的研究可得，在不同風(fēng)速下加熱絲尾部氣流的溫度分布圖8所示，取溫度36℃為參考點(diǎn)，隨著速度的降低尾流溫度長(zhǎng)度具有顯著的減小情況，其變化規(guī)律與帶狀加熱絲最大溫度的變化現(xiàn)象相似?？梢钥闯?，當(dāng)風(fēng)速為0.5 m/s時(shí)，尾流長(zhǎng)度是87.70 mm，因此只要風(fēng)速大于0.5 m/s，尾流長(zhǎng)度超過87.70 mm即可低于36℃。所以環(huán)境溫度為27℃情況下，出于安全，取安裝距離為100 mm。

圖8 帶狀加熱絲尾部氣流溫度分布

4 結(jié)論

使用多孔介質(zhì)建立了調(diào)控箱加熱絲的計(jì)算模型，分析和優(yōu)化后得到如下結(jié)論：①當(dāng)功率固定時(shí)，在相隔倍數(shù)小于0.5的條件下，8 mm圓形加熱絲的壓力損失出現(xiàn)迅速上升的情況；且其最大溫度隨倍數(shù)不斷增大；在相隔倍數(shù)固定（0.5）的條件下，其最大溫度隨直徑不斷減??；②在體積固定的情況下，1 mm厚帶狀加熱絲壓力損失小于5 mm圓形加熱絲，但是其最高溫度比后者降低顯著。從上述分析可得，安裝距離應(yīng)選取為100 mm最為符合實(shí)際應(yīng)用。