空气加热器在砂尘环境下的加热效率研究

马占元 司文泽

摘 要：建立砂尘环境模拟平台，模拟不同浓度的砂尘环境，对温度场的分布特性进行研究，研究砂尘对空气加热效果的影响，研究表明：砂尘浓度的变化不会对风洞中热气上浮和温度分层的基本规律产生影响，但随着砂尘浓度的增加，空气加热器的加热效率逐渐降低。

关键词：砂尘环境模拟平台;砂尘浓度;温度场;加热效率

中图分类号：TK17 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）08-0067-02

0 引言

空气加热器是对空气进行加热升温的电加热设备，在化工，空调和航空航天等领域广泛应用。砂尘风洞内的空气加热器用于给风洞的循环空气进行加热，模拟沙漠地区的局部高温，用于验证重要大型装备在砂尘环境下的耐冲蚀、耐磨损、耐腐蚀和耐渗透性，利用空气加热器实现砂尘环境下的高温，是评价装备在沙漠干旱地区的砂尘环境下的工作性能和可靠性的重要试验手段。

空气加热器在常规的空气环境下表现出较高的工作效能，但在砂尘环境下，即在气固两相流的影响下，会对其工作效率和温度均匀性产生影响，本文搭建砂尘环境模拟平台，在砂尘环境下，对空气加热器的加热效率和加热均匀性进行试验，分析空气加热器在不同砂尘浓度下的工作效能，对砂尘风洞下空气加热器的使用以及空气加热器在其它气固两相气流条件下的应用有积极的参考意义。

1 砂尘环境模拟

1.1 试验平台

砂尘环境模拟平台主要由离心风机、风道轮廓、空气加热器模块、拐角导流片、挡砂器，砂尘喷射口和温度传感器等组成。砂尘环境模拟平台主要由风道轮廓2组成气流循环流通的通道，并通过拐角导流片1进行二次整流，提升气流流通的均匀性，防止气流发生分离而影响加热效果，离心风机3采用双侧进气，最大流量可达到1500m3/h，砂尘经由砂尘喷射口7喷射出口，经过挡砂器6过滤较大的砂尘颗粒，防止对空气加热器表面造成严重磨损，过滤后的砂尘气流经过空气加热器模块5的加热，加热后的空气经由温度传感器4采集，得到加热后的空气数据，如图1所示。

空气加热器模块由8个子模块组成，每个子模块厚度为250mm，每个子模块共有18排加热管，采用双叉排布置，利于砂尘沉降，防止砂尘堵塞，加热管采用1Cr18Ni9Ti不锈钢管，单管直径20mm，加热功率密度：7962w/m2，如图2所示。

1.2 熱力学平衡方程

砂尘环境模拟平台流通气流为循环气流，气体流量质量守恒，假设热量没有损失耗散，在空气加热器对循环空气加热的加热过程中，空气和砂尘单位时间内温度升高所增加的热量增加等于空气加热器单位时间内的热流的输入，该热平衡方程为：

G1为空气质量流量，CV1为空气的质量定容比热容，T2为单位时间加热后的温度，T1为加热前空气温度，G2为砂尘质量流量，CV2为砂尘比热容，T3为单位时间加热后砂尘的温度，Q为空气加热器的热流密度，S为空气加热器的有效加热表面积，△t为空气加热工作的单位时间。

1.3 试验工况

温度传感器4安装截面尺寸为：1200mm（宽）×800mm（高），共布置16个温度采集点，采集点分布为4排4列。4排纵向坐标分为y=160mm，y=320mm，y=480mm和y=640mm，4列横向坐标分别x=240mm，x=480mm，x=720mm和x=960mm。

空气加热器迎面风速为2.5m/s，砂尘试验浓度分别10.6g/m3，14.1g/m3和17.6g/m3。

2 试验结果和分析

在10.6g/m3，14.1g/m3和17.6g/m3砂尘浓度下，空气加热器加热设置为50℃时，温度传感器采集的温度曲线。

砂尘浓度10.6g/m3时，随着高度的增加，空气的温度也升高，最高和最低温差在2.5℃以内;同一高度上，空气的温差在1℃内;如图3所示。

砂尘浓度14.1g/m3时和砂尘浓度17.6g/m3时，空气温度也高度的增加而增加，同一高度上，空气的温差保持在1℃内，图4和图5。即在不同的砂尘浓度下，空气温度的均匀性保持一致。

在y=160mm高度上，不同砂尘浓度下温度差异，随着砂尘浓度的增加，空气温度与目标温度差距越大，如图6所示。在y=320mm，也保持同样规律，如图7所示。在y=480mm和y=640mm的高度上也保持同样规律。

3 结语

（1）砂尘环境下，随着高度的增加，空气的温度也逐渐增加，这和常规的空气下，加热空气的变化规律是一致的，即砂尘浓度的变化不会对风洞中热气上浮和温度分层的基本规律产生影响;（2）砂尘环境下，空气加热器加热空气的温度均匀性没有明显变化，即在同一高度上，空气的温差都保持在1℃内;（3）砂尘环境下，随着砂尘浓度的增加，空气加热器的加热效率逐渐降低，并且降低温度随着砂尘浓度的增加而增大。

参考文献

[1] 史美中，王中铮.换热器原理与设计[M].南京：东南大学出版社，2003.

[2] HULEY A， MANGLKR. Enhanced heat transfer characterristcs of single phase flows in a plate heat exchangers with mixed chevron plates[J].Enhanced Heat Transfer， 1997，4：187-201.

[3] 刘森云.结冰风洞拐角导流片的设计与性能研究.南京航空航天大学.2011.

[4] 刘政崇.风洞结构设计.中国宇航出版社，2005.

[5] 邱树林.换热器结构设计[M].上海：上海交通大学出版社，1999.

[6] FOCKEWW，ZA CHARIADES J， OLIVIER I The effect of the corrugation inclination angle on the thermo-hydraulic performance of plate heat exchangers[J].Int J Heat and Mass Transfer，1985，28（8）：1469-1479.