新型氣動加熱風機的實驗研究

邢震，孫杰，劉文盛，趙磊

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001）

0 引言

氣動加熱現象在航空領域較為常見，是飛行器防護設計中需要避免的高溫問題。但如果能夠將其升溫原理加以利用，就可以實現風機加熱空氣的目的。氣動加熱風機就是一種成本低、結構簡單，依靠氣動加熱原理升溫的通風裝置。它不依靠任何熱源就可以加熱空氣，比其他類型熱風機的加熱方式更加安全環保，并且非常適合物料烘干、建筑供暖、糧食干燥等領域，所以提高和改善氣動加熱風機的性能有著重要的意義。

對于熱風機性能優化的研究，具體包括整體效率[1]、總壓[2]和能量利用率[3-4]等多個方面。在實際工業應用中，熱風機在加熱方式方面可以分為太陽能、電、煙氣幾大類。在太陽能加熱方面，很多學者通過改善結構來提高性能，Singh[5]利用拱形吸收板來改善太陽能空氣加熱器的熱工性能，觀察到在雷諾數高于10 000時，Nusselt數有明顯的提高。Jia等[6]提出了一種新型螺旋太陽能空氣加熱器，對加熱器的集熱效率、風量等性能進行了實驗研究，結果表明，與傳統的太陽能加熱器相比，這種太陽能空氣加熱器具有更高的集熱效率。Kumar等[7]通過LCT方法實驗研究了小翼型肋對太陽能空氣加熱器表面的影響，結果表明，粗糙表面可以顯著提高太陽能空氣加熱器系統的熱效率，熱效率最高為69%。在電加熱方面，研究重點在于節能方面，Wei等[8]開發了一種新型家用電熱烘干機，提高了烘干機的工作效率且降低了21.5%的能耗。Seung等[9]對電加熱通風干燥機的干燥機理進行了分析，并將節能技術應用到實際產品中。在煙氣加熱方面，研究較為均衡。Czaplicki等[10]研究了以煙氣為干燥介質的新型沖擊氣流干燥機，證明在高水分煤和高煙氣流速條件下，沖擊氣流干燥機的性能最佳。Bachir等[11]將一種新型的基于吸附的熱能存儲系統集成到燃氣干燥機中，這種改進使其比傳統燃氣式干燥機的能耗降低22%。此外，按運行方式分類，風機可分為軸流式風機、離心式風機和混流式風機，本文研究的熱風機運行原理接近于離心風機，那么可以通過對風機性能系數、幾何參數進行改進來提高性能。Kim等[12]、Engin[13]、Velarde-suarez等[14]、Hariharan等[15]對風機的葉頂間隙、隔舌幾何形狀、風機外形等參數進行了優化研究，增強了風機性能。Hariharan等[16]研究了一種具有平行壁蝸殼的離心風機的性能，結果表明平行壁蝸殼比現有的矩形蝸殼效率更高。Zhou等[17]對前彎式離心風機進行了研究，發現了L=3 mm、θ=120°的進氣噴嘴可以改善正彎離心風機的內部流動，提高風機的氣動性能。Beena等[18]對設計參數對壓比的影響及其相互關系進行了參數化研究，使設計方式比工業設計具有更高的效率和流量。

通過對上述結果總結可知，各類加熱方式的熱風機都已經得到了大量研究，最終目的大多是提高其加熱能力及流動特性。然而目前關于熱風機的研究較為系統化，基于氣動加熱原理的熱風機研究還未見報道。因此本文針對具有獨特結構的氣動加熱風機進行實驗研究，測試不同進口流量下風機的各項參數，研究流量對風機性能和加熱能力的影響。同時引入反映熱風機性能的無量綱參數，根據測量結果，分析不同流量下的流量系數、壓力系數、功率系數等各類無量綱參數，繪制無量綱曲線，找到最佳比轉速，為以后的氣動加熱風機的應用及性能提升奠定了基礎。

1 熱風機試驗研究

1.1 熱風機組成及工作原理

熱風機主要由調風板、空氣倉、整流罩、葉片、蝸殼和出風口組成。其中葉片采用圓弧型葉片共16個，且葉片末端開孔，內部為空心，采用此形態葉片的原因是：1）增大葉片載荷，減小轉矩，減少運行消耗；2）避免葉片內外溫度及壓力差過高，造成材料變形等現象。葉片蝸殼外圈流道設置了一圈摩擦盒，提高邊界層粗糙度，用于擾動氣流，帶動空氣摩擦。風機主要結構，整體裝配如圖1所示。

圖1 熱風機整體結構裝配圖

主要工作原理為：由三相異步電動機直接拖動風機葉輪旋轉，將電能轉化為葉輪動能形式。葉輪高速運轉產生的離心力將外界冷空氣從進風口卷入，冷風在風機空氣倉內被高速旋轉的葉片帶動，受到強烈的壓縮，同時與葉片表面產生摩擦，溫度得到提升。與此同時，風機內部流道的摩擦盒會阻止外側氣流的流動，高速氣流經過腔體時，由于物面對氣體強烈的壓縮摩擦，在邊界層內氣流損失的動能轉化為熱能，使邊界層內氣流溫度上升，并對蝸殼加熱，這也會導致外側氣流與葉片附近氣流產生較大速度差，產生高速相對運動，在壓縮和摩擦的同時做功，實現氣動加熱。葉片組合和內部流道如圖2和圖3所示。產生的熱風由出風口流出。在風機殼體內部設有整流罩，以循環加熱后的氣體，可以通過調風板調節空氣進氣量。

圖2 熱風機葉片組合實體圖

圖3 熱風機內部流道實體圖

1.2 實驗設備介紹

儀器準備：氣動加熱風機、13 kW三相異步電動機、交流配電柜1臺、連接電線、多功能測量檢測儀1臺和測溫傳感器1臺。其中測溫儀器可直接通過探頭接觸出口來測量風溫。多功能檢測儀由皮托管、金屬探頭和顯示儀構成，多功能檢測儀可以同時測量風速、風壓和流速。在測量過程中，金屬探頭與顯示儀通過皮托管正負兩端均相連時，可測出風機的風速、流量和動壓；只連接正端時，可測全壓。交流配電柜主要由電壓表（0～450 V）、電流表（0～150 A）、漏電開關、缺相保護和啟動按鈕組成，如圖4所示。

圖4 交流配電柜

1.3 實驗過程

首先安裝好氣動加熱風機和13 kW三相異步電動機，用電線連接電動機與配電柜，連接好L型皮托管與顯示儀器，測出熱風機出風口橫截面直徑為0.13 m，將此數值輸入多功能測量檢測儀，用測溫傳感器測出此時實驗室室內溫度為22.4 ℃，電動機額定轉速為2930 r/min。將多功能檢測儀探頭插入，測溫傳感器提前布置在出風口，開啟配電柜電源，啟動氣動加熱熱風機，開始測量。數據的記錄方式為：為了實驗數據的準確性，在運行時間內，每隔2 min記錄1次壓力、出口溫度數值。調節進風板，改變風量，記錄流量為9、8、7、6、5 m3/min時的性能參數。數據記錄表格如表1、表2所示。

表1 不同流量的靜壓變化 Pa

表2 不同流量的溫度變化 ℃

2 數據處理

2.1 繪制性能曲線圖

根據表1可以得出壓力變化圖，如圖5所示。由圖5可知，在熱風機流量逐漸增大的過程中：壓力在6 m3/min之前的減小幅度較小，曲線較為平穩，當繼續增大流量時，其壓力會出現大幅度下降，并且隨著流量的增大，壓力越來越小；當流量為5 m3/min時，風機的壓力最大。根據表2可以得出溫度變化圖，如圖6所示。由圖6可知，在更改流量的過程中，熱風機的流量越小，其升溫速率越快，當流量為5 m3/min時出現最高溫度98.5 ℃；隨著流量越來越大，制熱能力會越來越弱。出現這種情況是因為風機部分制熱能力要依靠腔體內的負壓狀態，流量增大的同時，會使風機內部壓力降低，所以溫度會降低。

圖5 不同進口流量下的壓力變化

圖6 不同進口流量下的溫度變化

2.2 熱風機參數計算

全壓效率是指由電動機驅動且不考慮各項損失的情況下轉化給風機全壓有效能的大小，計算公式[19]為

式中：Ne為有效功率，Ns為風機軸功率。

靜壓效率是指在不考慮電動機各項損失的前提下，在電動驅動下的有用功轉化給風機靜壓有效能量的多少，計算公式[19]為

式中：Pst為靜壓，Q為實際流量。

根據上述公式及實驗的數據記錄可得表3。由表3可知，流量越小，風機的壓力及效率就越大，觀察各項效率可知，在流量為6 m3/min時流量與壓力達到最佳的狀態，更適合風機運行。

表3 不同流量下的各類參數

3 無量綱參數研究

風機的無量綱參數[19]是風機十分關鍵的特性參數。對于相同系列的風機，對應點的無量綱參數相同。因此，這些參數對應著風機的性能，屬于風機的特性值。這種無量綱參數之間的相關性也可以通過繪制曲線來表示，即無量綱參數的曲線圖或無量綱特性曲線圖。

熱風機的流量系數[20]可用φ表示，用來描述熱風機在運行時卷吸氣體的流量與葉輪的輪軸速度之間的關系，計算公式[19]為

式中：Qv為風機的體積流量，m3/s；D2為風機的葉輪外緣直徑，m；u2為葉輪外緣圓周速度，m/s。

全壓系數用ψt表示，用來描述熱風機運行時氣體的全壓與葉輪的輪軸速度之間的關系，計算公式[19]為

式中：Ptf為通風機的全壓，Pa；ρ為流體密度；u2為葉輪外緣圓周速度，m/s。

功率系數可用λ來表示，用來描述風機靜壓與葉輪的輪軸速度之前的關系，計算公式[19]為

根據以上的實驗數據處理結果，可得到風機的幾個特性無量綱參數，如表4所示。其中，葉輪外緣輪周速度u2的計算公式為

氣動加熱風機的葉輪直徑D2=1.9 m，電動機轉速n=2930 r/min，代入式（6），可得u2=4.9 m/s。

根據各無量綱數可畫出圖7所示的無量綱曲線。從圖7（a）中可以看出，隨著熱風機流量的不斷增加，其流量系數逐漸增大，流量為9 m3/min時的流量系數為0.012；在圖7（b）中，隨著流量的增加，功率系數先小幅度增加，8 m3/min時有所下降，9 m3/min時達到頂峰，此時功率系數為0.711；在圖7（c）、圖7（d）中全壓系數及靜壓系數隨著流量的增大而減小，流量為5 m3/min時的全壓系數為15.41，靜壓系數為10.857，6 m3/min與5 m3/min的靜壓系數和全壓系數相差較小；圖7（e）中比轉速隨著流量的增大而逐漸增大，在6 m3/min左右存在小幅度降低，在流量為9 m3/min時出現最大值。值得一提的是，與其他流量相比，在流量為6 m3/min時的各無量綱數更為平衡。

圖7 熱風機無量綱曲線圖

4 結論

本文通過改變進口流量，對具有特殊結構的氣動加熱風機進行了實驗研究，同時引入無量綱參數進行了分析。研究得出以下結論：1）在測量范圍內，當進口流量減小時，風機的制熱能力隨之增強，壓力也隨之增大，但流量過小對風機的運行不利。在6 m3/min時該氣動加熱風機的制熱與流動特性最為平衡，在該流量下，熱風機溫度較高，風機制熱能力較強。2）隨著熱風機的流量不斷增加，其流量系數、功率系數等各無量綱參數逐漸增大，流量為9 m3/min時，功率系數為0.711；全壓系數及靜壓系數隨著流量的增大而減小，流量為5 m3/min時的全壓系數為15.41，靜壓系數為10.857；比轉速隨著流量的增大而逐漸增大，其最大值出現在流量為9 m3/min時。