一种温湿度调控箱的设计及仿真分析①

刘明宏 张雷 苟剑渝 张秀华 宋军军

（贵州烟草公司遵义市公司 贵州 遵义 563000）

随着规模化，自动化农业的不断发展，人们对于气候室温度调控的要求越来越高，合理的温度调控箱设计能够提升系统控制精度，减少多余成本浪费。随着超级计算机和商业软件的发展，计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）广泛应用于产品设计、学术和工业研究开发，几十年来在多孔介质流动与传热方面取得长足进步［1］。阚永葭［2］对小型人工气候室进行机械结构设计，对其中出风口和测试室部分运用AN‐SYS Fluent 15.0流体模拟，优化其机械结构使气候室内的空气流动更加均匀；刘现等［3］有效实现了人工气候室群的环境状态采集、环境控制、运行计划管理、远程测控、照片存证等功能，扩展性强，运行稳定。使用以上工具和方法，本研究优化设计了一种用于气候室的温度调控箱。

1 调控箱总体设计

本温湿度调控箱主要由蒸发器和电阻加热丝组成（图1），箱体两侧分别设有进风口和出风口，从气候室回风出来的空气进入调控箱后率先经过加热丝进行加热，然后通过蒸发器除湿，调控箱外壁面配置的有保温橡胶海绵以减少调控箱热量流失。经调控箱处理后的空气通过送风装置进入气候室，由此形成一个完整的风量循环（图2）。空气先通过加热丝加热而后再经过蒸发器的方式可以有效避免蒸发器中的冷凝水喷到加热丝上而导致系统无法正常工作的情况。但同时也失去了除湿而恒温的功能，故此需要配置有除湿机，除湿系统放在送风结构中。本文将制热和制冷系统集于一体解决了现有蒸发器的缺点，而且有效减少了系统所需的运行空间［4］。

图1 调控箱系统原理图

图2 调控箱结构图

2 调控箱的内部分析及优化

为使空气在调控箱体内能更好的均匀加热，加热丝的布置对空气在调控箱内均匀受热有重要影响。加热丝材料采用镍铬电热合金，其具有高温下不易变形、强度高、已修复和使用寿命长等优点，加热丝工作时主要以辐射换热为主，其发出的热辐射穿透空气传递到调控箱壁面上，而壁面外采用的保温橡胶海绵要求使用温度不得高于80℃，故此箱体内温度应控制在80℃以下，从而保证系统正常工作。

在调控箱体布置过程中，加热丝会与箱体产生间隙，箱体高为800 mm，长1 500 mm，加热丝单体长为720 mm，布置间隔一定（图3），则通过调控箱长度可计算出加热材料总体积和单位体积功耗，计算过程中加热丝的热功率取最大值。

图3 加热丝模型图

为了探究加热丝形状及布置方式对调控箱内空气加热的影响，利用CFD技术进行分析，初始形状采用8 mm的圆形加热丝。图4为X‐Y二维计算模型，环境温度设定为27℃，计算风速为1.05 m/s，方向为空间X方向。以压差电阻和加热丝温度的最大值为收敛目标。主要参数及计算结果见表1。

表1 8 mm圆形加热丝优化情况

图4 加热丝计算模型

由图5可知，当加热丝间的相隔倍数减小时，空气穿过加热丝组的压力损失随之增大，尤其是当相隔倍数降低并小于0.5时，压力损失急剧上升。加热丝的最高温度随着倍数的增加而增加，并且二者呈线性关系。

图5 仿真结果曲线图

因为空气穿过加热丝时会产生过大的压降，所以选取相隔倍数为0.5进行计算。间隔不变，表2代表直径分别为5、8、12 mm的加热丝计算结果。如表2所示，当直径减小时，其最大温度和体积随之减小。因此综合上述条件，在不改变相隔倍数且满足各方面条件的情况下，选取较小的直径对加热丝的性能有不少提升，所以选取5 mm的加热丝，但5 mm加热丝相隔倍数为0.5时，两根加热丝之间的间隙仅为2.5 mm，这将使安装变得很困难。

表2 圆形加热丝计算情况

从图6可以看出，两端的曲面大约用1 mm的弧线表示。带状加热丝的扁带厚度为1 mm，横截面积为5 mm2。其最大温度为54.176 9℃，相较于5 mm时更低，同时压力损失仅为0.39 Pa，与之前的3.423 63 Pa等比较获得了较为理想的效果，因此采用该种方式进行加热。

图6 带状加热丝计算模型

考虑到传热的影响，计算流阻特性时，设置变量X向风速范围为0.5～15.5 m/s，步长间隔为1 m/s，共16组计算。图7中a为加热丝最大温度变化图，b为流阻特性曲线图。如图在0.5m/s处其最大温度为63.132℃，仍小于80℃，但在风速低于2 m/s时，随着风速降低最大温度上升迅速。

图7 带状加热丝分析结果

各加热丝的间距应该相同，带状加热丝摆放跨度过长将会出现中部过于下垂，影响效果，现决定将加热丝分为31根一组，两端和上下距离箱体壁面的间距分别为14.5、15.0 mm，组内和组间的间隔分别为7.5、14.0 mm，共6组。

加热丝竖直方向无阻碍，故假设其不存在阻力，阻力设置为0、20 m/s～10‐8Pa。各加热丝带之间在横向方向上无阻挡，所以空气的流动特性也不存在，为了观察加热丝带的阻碍效应对其产生的影响，分别设置阻力为10 m/s～0 Pa、20 m/s～108Pa。

3 调控箱流畅均匀化设计

如果加热丝和蒸发器距离过近加热丝的高温尾气会影响到蒸发器的工作，因此两者的安装距离需要细致考量一个合理值［5］。由上文对加热丝的研究可得，在不同风速下加热丝尾部气流的温度分布图8所示，取温度36℃为参考点，随着速度的降低尾流温度长度具有显著的减小情况，其变化规律与带状加热丝最大温度的变化现象相似。可以看出，当风速为0.5 m/s时，尾流长度是87.70 mm，因此只要风速大于0.5 m/s，尾流长度超过87.70 mm即可低于36℃。所以环境温度为27℃情况下，出于安全，取安装距离为100 mm。

图8 带状加热丝尾部气流温度分布

4 结论

使用多孔介质建立了调控箱加热丝的计算模型，分析和优化后得到如下结论：①当功率固定时，在相隔倍数小于0.5的条件下，8 mm圆形加热丝的压力损失出现迅速上升的情况；且其最大温度随倍数不断增大；在相隔倍数固定（0.5）的条件下，其最大温度随直径不断减小；②在体积固定的情况下，1 mm厚带状加热丝压力损失小于5 mm圆形加热丝，但是其最高温度比后者降低显著。从上述分析可得，安装距离应选取为100 mm最为符合实际应用。