可變溫熱風源裝置的研制

朱楠，李小寧

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

許多場合需要流量可調、溫度可控的熱氣流作為工作氣流，例如干衣機或洗干一體機研發過程中的模擬測試。因此，針對此需求開發出一種流量可調、溫度可控的熱風源裝置是具有實際研究應用價值的。某洗衣機企業對該裝置的主要技術要求是：加熱溫度可以人工設定、自動調節，出口氣流的溫度調節范圍為25 ℃～80 ℃，溫度調節的偏差在±1 ℃內；流量調節范圍為40～80 m3/h；整個裝置盡量小型化。根據實際技術要求，研發了一種電加熱方式的熱風源裝置。

1 可變溫熱風源裝置結構

1.1 熱風源裝置總體結構

所研發的可變溫熱風源裝置包括流量調節子系統、加熱子系統、整流子系統、溫度檢測子系統、絕緣隔熱保護部件及控制箱，圖1為系統的總體結構。

工作時，氣體由壓縮氣源1產生，通過流量調節子系統進行流量調節，再從入口6進入熱風源裝置的主體部分，分別經過整流器子系統、加熱子系統以及溫度檢測子系統，經過加熱后形成的熱氣流最終再從出口21流出。由加熱子系統和溫度檢測子系統內分別引出加熱片電源線與熱電偶數據線至控制箱29內，與控制器相連接，實現系統溫度的閉環控制。熱風源裝置的整體結構長、寬、高尺寸為891×267×300 mm。

1—壓縮氣罐；2—過濾器；3—減壓閥；4—節流閥；5—流量傳感器；6—入口；7—前套筒；8—前段上支架；9—整流器；10—整流器外殼；11—絕緣隔熱左法蘭；12—電加熱片；13—主結構管；14—保護管；15—定位螺釘；16—后套筒；17—后端上支架；18—保溫套墊板；19—熱電偶傳感器；20—尾部隔熱法蘭；21—出口；22—保溫套；23—傳感器固定件；24—絕緣隔熱右法蘭；25—后端下支架；26—加熱片外殼；27—絕緣保溫套；28—前段下支架；29—控制箱。圖1 系統總體結構圖

1.2 加熱子系統

1)結構設計

加熱子系統是可變溫熱風源裝置的關鍵子系統，圖2是加熱子系統的結構示意圖。

1—絕緣保溫套；2—周向定位螺釘；3—主結構管；4—電加熱片；5—加熱外殼。圖2 加熱子系統結構簡圖

加熱子系統內安裝有3組電加熱器，分別稱為組Ⅰ、組Ⅱ、組Ⅲ，3組電加熱器內部加熱片的布置結構各不相同。相鄰兩組電加熱器內部電熱片采用了錯位的布置形式，此結構形式能夠彌補前組電加熱器內相鄰兩片加熱片中間部位溫度較低的情況，這樣使層流狀的氣體能夠被均勻地加熱，從而提高加熱的速度。

2)加熱片的參數選擇理論分析

由于加熱片的功率一般在單位面積內為一定值，設加熱片在單位面積內的功率為pi，熱風源裝置達到穩態狀態時的傳熱微分方程為

(1)

式中：a為氣體的熱擴散系數，m2/s；T為加熱片熱邊界層表面的溫度，℃；v為管內流體的平均流速，m/s；σ為熱邊界層的厚度，m；c為空氣比熱容，kJ/(kg·K)；ρ為空氣密度，kg/m3。

經過數學推導，可得熱風源裝置的入口與出口的溫度差值為：

(2)

式中λ為氣體導熱系數，W/(m·k)；

(3)

(4)

當管內氣體的流動狀態充分發展為穩態時，熱邊界層厚度σ可以由下式[1]求得：

(5)

式中：Pr為空氣的普朗特數；Re為空氣的雷諾數；x為加熱片中心距管道入口的距離，m；R為管道的流道半徑，m。

將參數λ=0.026 24 W/(m·k)，v=6.91 m/s，a=2.23×10-5m2/s，Pr=0.691，Re=28 659，x=0.154 m，R=0.032 m分別帶入式(2)-式(5)中，可得

T(Δ)=8.95×10-3·pi

(6)

熱風源裝置的最大工作溫度為80℃，裝置所處的最低環境溫度為10℃，考慮到低溫環境下熱量損耗和盡量縮短加熱時間的需要，在加熱片功率確定時要有充分的裕度。因此在選定加熱片功率時，將系統的最大功率確定為基本功率的2.5倍，將此值代入式(6)，可得 的值為21 229.1W/m2，以常用選型單位表示為2.122 9W/cm2。

圖3為熱風源裝置在此加熱功率條件時，在最大流量、最低環境溫度下仿真分析所得的溫度分布情況。仿真表明在理論計算所得加熱片的加熱功率下，系統能夠達到所設定的溫度大小，且具有較快的溫升速率。

圖3 流量為80m3/h、環境溫度為10℃時出口的溫度分布云圖

1.3 整流子系統

由于氣源輸入接口的管徑通常比較小，而加熱裝置的管徑則比較大，因此加熱器入口形成了擴散管結構，氣體在擴散管內流動的流態不是理想的層流狀態。氣流會在管壁處形成逆流旋渦區，這不利于之后對于氣流的均勻加熱。一種最簡單的解決方案是在擴散管段后讓氣流在截面形狀和大小不變的直管道內穩定地流過一定距離，但這會顯著增加裝置流道的長度。圖4為仿真分析的熱風源裝置在無整流器時氣流達到層流狀態時所需的流道長度，表明其長度至少為120mm，這不利于小型化的要求。

圖4 流道長度為120mm時的速度矢量分布圖

另一種方法是在擴散管段后增加一個整流結構，以改善氣流進入加熱區之前的流動狀態。所設計的整流器開孔方式采用矩形孔式，圖5為整流子系統的結構示意圖。

1—入口；2—套筒；3—周向定位螺釘；4—整流器外殼；5—矩形整流器；6—O型密封圈。圖5 整流子系統的結構示意圖

圖6為具有整流器時的的速度矢量分布圖，可見長度為50mm的整流器就可以使氣流形成層流狀態，這能有效減小裝置的軸向長度。

圖6 整流器長度為50mm時的速度矢量分布圖

2 熱風源裝置工作原理及控制策略

2.1 工作原理

可變溫熱風源裝置的工作原理如圖7所示，系統由溫度傳感器、溫度變送器、5V/24V電源模塊、電加熱片、固態繼電器、STM32控制器、漏電保護開關、總開關、LCD顯示模塊、弱電控制開關等組成。

1—氣源；2—過濾器；3—減壓閥；4—節流閥；5—流量傳感器；6—裝置入口；7—整流器；8—電加熱片；9—溫度傳感器；10—裝置出口；11—控制箱。圖7 系統工作原理圖

系統工作原理如下：通過調節入口處節流閥4的開口大小來控制系統的流量值。出口附近設有一個熱電偶傳感器9，用于檢測出口橫截面的實時溫度值。傳感器測得的電壓值經過溫度變送器，轉換成4～20mA的電流信號，再發送至STM32內，經過內部的AD模塊轉化為對應的數字量信號。經過計算，可得出口橫截面內的實測溫度值。STM32將實測的出口溫度值與預設溫度值進行對比，通過模糊自整定PID算法，得到對應的輸出量來控制固態繼電器的通斷，從而控制加熱片的平均功率，實現系統溫度的閉環控制。

2.2 可變溫熱風源裝置控制策略研究

溫度控制系統是一種非線性、大滯后、時變的控制系統，且不同環境溫度以及不同工作狀態都會影響出口溫度的控制特性。因此，單獨采用固定參數的PID控制、模糊控制都無法達到滿意的控制效果，需將PID和模糊控制結合起來，采用模糊控制來自整定PID參數。此控制器將PID控制器的動態跟蹤品質與模糊控制魯棒性強、超調小的優點相結合，它以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，可以滿足不同時刻的e和ec對PID參數自整定的要求[2-3]。圖8為系統的控制原理圖。

圖8 系統的控制原理圖

3 熱風源裝置溫控試驗結果與分析

分別在環境溫度為10℃、25℃條件下進行試驗，考察熱風源裝置在極限工作條件下的溫控性能指標，設定熱風源裝置的溫度為80℃，流量分別為40m3/h、80m3/h。

圖9 不同環境溫度、工作流量條件下出口溫度的變化曲線

圖9即為熱風源裝置在不同環境溫度、不同工作流量條件下出口溫度隨時間的變化曲線。可以發現，當環境溫度為25℃、工作流量為40m3/h時，系統達到最大設定溫度80℃所用時間為80s，溫控精度在±0.4℃以內。此時系統具有最大的超調量，但出口溫度波動較小，系統仍然具有較好的控制精度與穩定性。當環境溫度為10℃、工作流量為80m3/h時，系統達到最大設定溫度80℃所用時間為210s，溫控精度在±0.6℃以內。此時系統的溫升速率最小，系統達到穩定狀態所用時間相對較長，但出口溫度仍能在4min內達到穩定狀態，且具有較好的控制精度。

綜上所述，熱風源裝置在控制精度以及響應速度方面都具備了較好的控制性能，滿足技術要求的指標，具有實際的應用價值。

4 結語

本文研制的可變溫熱風源裝置具有結構簡單、體積較小等特點，能夠通過LCD觸摸屏實時調節系統的預設溫度值，通過節流閥實時調節系統的設定流量值。當環境溫度為25℃、工作流量為40m3/h時，系統達到最大設定溫度80℃所用時間為80s，溫控精度在±0.4℃以內。當流量為80m3/h、環境溫度為10℃的條件下，達到最大設定溫度80℃的時間為210s，溫控精度在±0.6℃以內。流量調節范圍、溫度設定范圍及溫控精度都達到了企業的實際需求，具有應用價值。