風道式電加熱器溫度場仿真與加熱元件布局優化

王國慶，包 坤，楊曉波，游紹強，楊 凡

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

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

1 模型建立

1.1 確定變量

風道式電加熱器是一種置于風管的電加熱裝置，在帶有保溫層金屬外殼內布置有多支管狀電加熱元件，其典型結構示意圖如圖1所示。

圖1 典型結構示意圖

由圖1可知，工作狀態下加熱元件符合流體多圓柱陣列繞流模型，該模型狀態下氣流在圓柱表面的流動情況與圓柱的數量、排列間距、排列方式以及流體雷諾數等參數相關。加熱器需要氣流在加熱器腔體內部形成紊流，以便充分接觸加熱元件表面，達到充分吸收熱量的目的。因氣流本身的特性，在經過加熱元件時形成的卡門渦街對吸熱呈現積極作用，對于卡門旋渦引起的共振現象，由于加熱器加熱元件采用橫桿固定的方式連接為一體，一般不會形成共振，此處不予以考慮。卡門渦街的形成與流體雷諾數高度相關[1-2]，雷諾數Re的計算公式如下：

(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,kg/(m·s)。

相對于加熱器氣體介質流速，空氣運動學黏度系數很小，Re很大，大于108，在超臨界Re范圍內。

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的分布情況。

1.2 基本參數設置

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。氣流介質為空氣，方向設置為沿X軸正方向，L取值56、64、72、80 mm，即L/D=3.5、4.0、4.5、5.0，結構尺寸如表1所示。

表1 基本參數設置數值

圖2 加熱元件布置圖(mm)

2 仿真結果

對不同的L值進行計算機仿真，計算結果云圖中心剖面圖如圖3所示，氣流方向為X軸正方向。

圖3 溫度云圖

3 結果分析

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

圖4 等渦量線圖

(2)從計算結果云圖中還可清晰地看到高溫區的分布變化，高溫區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，加熱元件對介質阻力較大，前端頂部的熱量不能及時帶走，出現集熱現象；隨著L/D增大，渦脫現象加強，集熱區向后移，當L/D=5時，集熱區轉移至后端頂部。從這點看，設備的過熱保護溫度計應入口側靠近頂部的區域內。

4 結 論

(1)加熱元件串列排列的風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，氣流能夠形成較強的卡門渦街脫落現象，該現象能加強氣體介質在加熱器腔體內部紊流狀態，從而提高吸熱效率。

(2)當L/D接近5時，集熱區域出現在入口側頂部，為防止加熱器過熱而設置的測溫點應選擇在該區域內。