风道式电加热器温度场仿真与加热元件布局优化

王国庆，包 坤，杨晓波，游绍强，杨 凡

(1.海装广州局驻重庆地区第一军事代表室，重庆 402264；2.重庆川仪十七厂有限公司，重庆 400707；3.重庆川仪自动化股份有限公司，重庆 400700)

风道式电加热器作为清洁、便利的工业热源，广泛应用于大型火电厂，石油化工行业及脱硫、脱硝、废气处理行业。其核心部件电加热元件一般采用管状加热元件，加热元件在设备内部按照一定规则进行均匀排列，送风系统送入的待加热介质从设备入口进入，流经加热元件时，与加热元件进行热交换获取热量，加热后的介质携带热能参与反应或向其他设备提供热能。加热元件在设备中的布局是影响被加热气体介吸收热量的重要因素，本文旨在通过对加热元件在电加热器风道中布局的研究，找出合理的布局方案，提高电加热器的加热效率，延长电加热设备的使用寿命。

1 模型建立

1.1 确定变量

风道式电加热器是一种置于风管的电加热装置，在带有保温层金属外壳内布置有多支管状电加热元件，其典型结构示意图如图1所示。

图1 典型结构示意图

由图1可知，工作状态下加热元件符合流体多圆柱阵列绕流模型，该模型状态下气流在圆柱表面的流动情况与圆柱的数量、排列间距、排列方式以及流体雷诺数等参数相关。加热器需要气流在加热器腔体内部形成紊流，以便充分接触加热元件表面，达到充分吸收热量的目的。因气流本身的特性，在经过加热元件时形成的卡门涡街对吸热呈现积极作用，对于卡门旋涡引起的共振现象，由于加热器加热元件采用横杆固定的方式连接为一体，一般不会形成共振，此处不予以考虑。卡门涡街的形成与流体雷诺数高度相关[1-2]，雷诺数Re的计算公式如下：

(1)

式中：ρ为流体密度,kg/m3；V为流体平均流速,m/s；D为加热元件外径,m；μ为黏度系数,kg/(m·s)。

相对于加热器气体介质流速，空气运动学黏度系数很小，Re很大，大于108，在超临界Re范围内。

在圆柱绕流模型中，圆柱间距L与圆柱直径D的比值L/D是卡门旋涡的重要影响因素[3-6]，本文模型将以此作为变量，研究不同比值下温度场的分布情况。

1.2 基本参数设置

加热元件选取常用的外径为16 mm的元件，单支功率1 kW，整体布局如图2所示。气流介质为空气，方向设置为沿X轴正方向，L取值56、64、72、80 mm，即L/D=3.5、4.0、4.5、5.0，结构尺寸如表1所示。

表1 基本参数设置数值

图2 加热元件布置图(mm)

2 仿真结果

对不同的L值进行计算机仿真，计算结果云图中心剖面图如图3所示，气流方向为X轴正方向。

图3 温度云图

3 结果分析

(1)从右侧低温区域变化可以看出，出口区的温度均匀性随L/D值的增加而逐步优化，当L/D=5.0时，出口处温度基本均匀，表明该状态下气流在加热器腔体内部得到了充分循环，未形成冷热分层的层流现象。这是由于当2.5≤L/D≤3.5时，两圆柱之间出现明显卡门旋涡，但不会产生涡脱现象；当L/D≥4时，上下圆柱都产生周期性的脱落现象，两圆柱之间的介质流动随着间距的变化产生巨大差别[7]，如图4所示。

图4 等涡量线图

(2)从计算结果云图中还可清晰地看到高温区的分布变化，高温区基本集中在腔体顶部，这是由于热量“向上走”的特性。L/D=3.5时，加热元件对介质阻力较大，前端顶部的热量不能及时带走，出现集热现象；随着L/D增大，涡脱现象加强，集热区向后移，当L/D=5时，集热区转移至后端顶部。从这点看，设备的过热保护温度计应入口侧靠近顶部的区域内。

4 结 论

(1)加热元件串列排列的风道式加热器各加热元件的间距L与外径D的比值L/D接近5时，气流能够形成较强的卡门涡街脱落现象，该现象能加强气体介质在加热器腔体内部紊流状态，从而提高吸热效率。

(2)当L/D接近5时，集热区域出现在入口侧顶部，为防止加热器过热而设置的测温点应选择在该区域内。