空氣加熱器在砂塵環(huán)境下的加熱效率研究

馬占元 司文澤

摘 要：建立砂塵環(huán)境模擬平臺，模擬不同濃度的砂塵環(huán)境，對溫度場的分布特性進行研究，研究砂塵對空氣加熱效果的影響，研究表明：砂塵濃度的變化不會對風洞中熱氣上浮和溫度分層的基本規(guī)律產(chǎn)生影響，但隨著砂塵濃度的增加，空氣加熱器的加熱效率逐漸降低。

關(guān)鍵詞：砂塵環(huán)境模擬平臺;砂塵濃度;溫度場;加熱效率

中圖分類號：TK17 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0067-02

0 引言

空氣加熱器是對空氣進行加熱升溫的電加熱設(shè)備，在化工，空調(diào)和航空航天等領(lǐng)域廣泛應用。砂塵風洞內(nèi)的空氣加熱器用于給風洞的循環(huán)空氣進行加熱，模擬沙漠地區(qū)的局部高溫，用于驗證重要大型裝備在砂塵環(huán)境下的耐沖蝕、耐磨損、耐腐蝕和耐滲透性，利用空氣加熱器實現(xiàn)砂塵環(huán)境下的高溫，是評價裝備在沙漠干旱地區(qū)的砂塵環(huán)境下的工作性能和可靠性的重要試驗手段。

空氣加熱器在常規(guī)的空氣環(huán)境下表現(xiàn)出較高的工作效能，但在砂塵環(huán)境下，即在氣固兩相流的影響下，會對其工作效率和溫度均勻性產(chǎn)生影響，本文搭建砂塵環(huán)境模擬平臺，在砂塵環(huán)境下，對空氣加熱器的加熱效率和加熱均勻性進行試驗，分析空氣加熱器在不同砂塵濃度下的工作效能，對砂塵風洞下空氣加熱器的使用以及空氣加熱器在其它氣固兩相氣流條件下的應用有積極的參考意義。

1 砂塵環(huán)境模擬

1.1 試驗平臺

砂塵環(huán)境模擬平臺主要由離心風機、風道輪廓、空氣加熱器模塊、拐角導流片、擋砂器，砂塵噴射口和溫度傳感器等組成。砂塵環(huán)境模擬平臺主要由風道輪廓2組成氣流循環(huán)流通的通道，并通過拐角導流片1進行二次整流，提升氣流流通的均勻性，防止氣流發(fā)生分離而影響加熱效果，離心風機3采用雙側(cè)進氣，最大流量可達到1500m3/h，砂塵經(jīng)由砂塵噴射口7噴射出口，經(jīng)過擋砂器6過濾較大的砂塵顆粒，防止對空氣加熱器表面造成嚴重磨損，過濾后的砂塵氣流經(jīng)過空氣加熱器模塊5的加熱，加熱后的空氣經(jīng)由溫度傳感器4采集，得到加熱后的空氣數(shù)據(jù)，如圖1所示。

空氣加熱器模塊由8個子模塊組成，每個子模塊厚度為250mm，每個子模塊共有18排加熱管，采用雙叉排布置，利于砂塵沉降，防止砂塵堵塞，加熱管采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼管，單管直徑20mm，加熱功率密度：7962w/m2，如圖2所示。

1.2 熱力學平衡方程

砂塵環(huán)境模擬平臺流通氣流為循環(huán)氣流，氣體流量質(zhì)量守恒，假設(shè)熱量沒有損失耗散，在空氣加熱器對循環(huán)空氣加熱的加熱過程中，空氣和砂塵單位時間內(nèi)溫度升高所增加的熱量增加等于空氣加熱器單位時間內(nèi)的熱流的輸入，該熱平衡方程為：

G1為空氣質(zhì)量流量，CV1為空氣的質(zhì)量定容比熱容，T2為單位時間加熱后的溫度，T1為加熱前空氣溫度，G2為砂塵質(zhì)量流量，CV2為砂塵比熱容，T3為單位時間加熱后砂塵的溫度，Q為空氣加熱器的熱流密度，S為空氣加熱器的有效加熱表面積，△t為空氣加熱工作的單位時間。

1.3 試驗工況

溫度傳感器4安裝截面尺寸為：1200mm（寬）×800mm（高），共布置16個溫度采集點，采集點分布為4排4列。4排縱向坐標分為y=160mm，y=320mm，y=480mm和y=640mm，4列橫向坐標分別x=240mm，x=480mm，x=720mm和x=960mm。

空氣加熱器迎面風速為2.5m/s，砂塵試驗濃度分別10.6g/m3，14.1g/m3和17.6g/m3。

2 試驗結(jié)果和分析

在10.6g/m3，14.1g/m3和17.6g/m3砂塵濃度下，空氣加熱器加熱設(shè)置為50℃時，溫度傳感器采集的溫度曲線。

砂塵濃度10.6g/m3時，隨著高度的增加，空氣的溫度也升高，最高和最低溫差在2.5℃以內(nèi);同一高度上，空氣的溫差在1℃內(nèi);如圖3所示。

砂塵濃度14.1g/m3時和砂塵濃度17.6g/m3時，空氣溫度也高度的增加而增加，同一高度上，空氣的溫差保持在1℃內(nèi)，圖4和圖5。即在不同的砂塵濃度下，空氣溫度的均勻性保持一致。

在y=160mm高度上，不同砂塵濃度下溫度差異，隨著砂塵濃度的增加，空氣溫度與目標溫度差距越大，如圖6所示。在y=320mm，也保持同樣規(guī)律，如圖7所示。在y=480mm和y=640mm的高度上也保持同樣規(guī)律。

3 結(jié)語

（1）砂塵環(huán)境下，隨著高度的增加，空氣的溫度也逐漸增加，這和常規(guī)的空氣下，加熱空氣的變化規(guī)律是一致的，即砂塵濃度的變化不會對風洞中熱氣上浮和溫度分層的基本規(guī)律產(chǎn)生影響;（2）砂塵環(huán)境下，空氣加熱器加熱空氣的溫度均勻性沒有明顯變化，即在同一高度上，空氣的溫差都保持在1℃內(nèi);（3）砂塵環(huán)境下，隨著砂塵濃度的增加，空氣加熱器的加熱效率逐漸降低，并且降低溫度隨著砂塵濃度的增加而增大。

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