冷喷涂用高温高压加热器的设计研究

2022-04-11宋晓峰王世刚陈佳玲

工业加热 2022年2期

王好，宋晓峰，王世刚，陈佳玲

(湖南烁科热工智能装备有限公司，湖南长沙 410011)

冷喷涂技术是一项发展迅速的工业表面喷涂技术，具有其他表面喷涂技术不可替代的优点，拥有广阔的应用前景。加热器作为冷喷涂技术中的关键设备之一，作用是在短时间内将高压低温工艺气体加热到预定温度的高压高温气体。受某公司委托，本文运用理论计算与局部仿真验证的方法为其开发一款针对特定工艺的冷喷涂用加热器。

1 设计依据

气体加热器用于加热流量为G的工作气体，使其达到需要的温度。加热器须满足以下要求：

(1)制造简单，运行可靠及方便；

(2)不会给气体管线造成明显的流体阻力；

(3)具有最小尺寸，在这种情况下不会有高应力组件。

研制加热器的主要原理为，选择一定数量、一定长度和直径的换热管，将空气加热到给定温度。加热器的设计基于以下条件和设想：

(1)最高加热温度等于选择温度：

ΔThmax=(Thex-Thin)max

(1)

式中：Thin为加热元件入口气体温度，℃；Thex为加热元件出口气体温度，℃。

(2)管子表面(首先在加热器出口)的加热温度不得超过加热元件材料结构强度规定的温度：

Twex-Thex≤ΔT=(材料温度-设定温度)

(2)

式中：Twex为加热元件内表面温度，℃。

(3)要从管壁向气体传热，必须保证管内气流的紊流工况，则有

Reh≥104(旺盛湍流)[1]

(3)

式中：Reh为管内气体流动的雷诺数。

(4)应保证加热器的流体阻力△ph(压损)很小，对于冷喷涂用加热器可取△ph<0.1 MPa。

(5)最后一个必备条件为加热元件的总通流截面，至少应比喷嘴临界截面大一倍，即为

(4)

式中：Scr为喷嘴临界截面面积,m2。

2 理论推导

2.1 热传递时的功率守恒定律

加热器的所需最大功率反应为气体流量、气体最大加热温度及气体比热容ср，有

Ph=Ghcp(Thex-Thin)

(5)

式中：cp为管内气体流动的比热容，kJ/(kg·K)；Gh为气体流量，kg/s。

假设功率与管子单位长度的传热一样，得到

(6)

(7)

式中：Lh为加热元件长度，m；k为传热系数，W/m2·K。

当Reh≥2 300时，空气的努塞尔数按公式Nu≈ 0.021Re0.8计算。空气导热系数λ按公式λ≈ 1.53× 103μ计算,μ为管内气体运动黏度，kg/(m·s)。

空气动力黏度μ与温度之间的关系参照Sutherland[3]定律形式重新拟合：

(0～1 100 ℃)

(8)

代入后，由式(6)可得：

(9)

2.2 加热元件表面的温度条件

根据表达式(9)，表达式(2)可写为

(10)

2.3 雷诺数条件

由式(3)分析准则数Reh≥ 104，得到

(11)

式中：ρh为管内气体密度，kg/m3；uh为管内气体速度，m/s ；dh为管内直径，m ；Nh为加热元件(管子)数量。

2.4 流体阻力条件

流体阻力损失包含沿程阻力损失和局部阻力损失两部分。

1)沿程阻力损失

管内流体的沿程阻力损失按达西公式推导可得[4]

(12)

λf为沿程损失系数，依据经验0.001≤Δ/d=0.02，当Reh≥104时,由莫迪图可得0.012≤λf≤0.052。为管道绝对粗糙度。

2)局部阻力损失

对于所研究对象局部阻力有入口阻力和出口阻力两部分组成，其大小可表示为

(13)

(14)

与表达式(12)相比，Δpin、Δpex≪Δph可以忽略不计。

将全部参数代入表达式(12)，进行计算后得到

(15)

因Δph≤0.1 MPa，可得

(16)

2.5 通流截面条件

喷嘴喉部截面积[3]：

(17)

(18)

由于d≥1 mm，N随d的增加而减小，当d=1 mm时，N>7.55，所以N≥8当时，此条件可以不予考虑。

3 设计计算

依据某公司工艺要求：空气流量为1.5 m3/min(常温、常压)，供气压力为7.5 MPa，管路设有减压装置，加热器入口为1/2寸圆管，加热器内压力为5 MPa，温度为1 100 ℃，加热元件选用瑞典进口康泰尔工业炉用加热元件，材质最高使用温度1 400 ℃。设计加热器结构需满足以上条件。

3.1 功率计算

流量换算(标况):v0=1.5 m3/min=0.025 m3/s，ρ0=1.293 kg/m3(查表)。

质量流量：m=vρ=0.032 325 kg/s。

5 MPa，1 100 ℃时空气：Cp1=1.154 kJ/(kg·K) ，ρ1=12.521 kg/m3(查表)。

则单位时间内空气从0～1 100 ℃需要的热量：

P1=41.1 kW

假如热损耗拟定20%，发热丝实际功率P2=P1×1.2=41.1×1.2=49.32 kW。

3.2 准数相容性分析

针对已知条件，由式(10)、式(11)、式(16)可推导出：

客户要求加热器长度Lh≈1 m，取L=1 m时，Nh和dh的取值范围如图1所示，在此范围内，所设计的加热器同时满足表达式的条件(Gh= 0.032 325 kg/s，Lh= 1 m)。

图1 气体加热器Nh和dh值的允许范围

由图1可知:dmax=5 mm，21

对于管内湍流传热，流体被加热时：Nu=0.023Re0.8Pr0.4

压力为5 MPa，1 100 ℃时：Pr1=0.76Pr10.4=0.896；压力为5 MPa，0 ℃时：Pr2=0.763Pr20.4=0.897，可见Pr10.4≈Pr20.4，故Nu可近似看做是关于Re的单调增函数(Pr20.4取平均值0.894)。

可见h随支管数量N的增加而减小。因此，在满足性能要求的前提下，加热器支管的数量越少，热利用率越高。

3.3 表面负荷校验

取管径为5mm，支管为48根，长度为1 000 mm，计算可得1 100 ℃时，表面负荷W=P2/S=49.32 kW/7 539 cm2=6.542 W/cm2。

由图2中康泰尔工业炉用电热合金的性能曲线(见图2中a号曲线)可知，电炉温度1 100 ℃时，表面负荷最高值为5.5 W/cm2。

图2 加热元件许用表面负荷

计算出的表面负荷6.542 W/ cm2>5.5 W/cm2，因此，用管径5 mm，48根支管，1 000 mm长的发热丝设计不合理。

增加加热器长度，当L=1.2m时，Nh和dh的取值范围如图3所示。

图3 气体加热器Nh和dh值的允许范围

由图3可知:dmax=7 mm，N=34；d=6 mm， 17

当取管径为6 mm，支管为40根，长度为1 200 mm，计算可得1 100 ℃时，表面负荷W=P2/S=49.32 kW/7 539 cm2=5.45 W/cm2<5.5 W/ cm2，满足要求。

4 仿真验证

采用Fluent软件对单根支管加热能力进行仿真计算，参考压力调整为5 MPa，空气物性参数设定为5 MPa时对应的数值，按照加热器设计流量入口边界设定为速度边界为0.494 m/s，出口边界设定为压力出口边界0 Pa。因研究对象仅为加热管内部流体，排出热量耗散，壁面给定有效热流密度为4.54 kW/m2。仿真结果如图4、图5所示。