新型气动加热风机的实验研究

邢震，孙杰，刘文盛，赵磊

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）

0 引言

气动加热现象在航空领域较为常见，是飞行器防护设计中需要避免的高温问题。但如果能够将其升温原理加以利用，就可以实现风机加热空气的目的。气动加热风机就是一种成本低、结构简单，依靠气动加热原理升温的通风装置。它不依靠任何热源就可以加热空气，比其他类型热风机的加热方式更加安全环保，并且非常适合物料烘干、建筑供暖、粮食干燥等领域，所以提高和改善气动加热风机的性能有着重要的意义。

对于热风机性能优化的研究，具体包括整体效率[1]、总压[2]和能量利用率[3-4]等多个方面。在实际工业应用中，热风机在加热方式方面可以分为太阳能、电、烟气几大类。在太阳能加热方面，很多学者通过改善结构来提高性能，Singh[5]利用拱形吸收板来改善太阳能空气加热器的热工性能，观察到在雷诺数高于10 000时，Nusselt数有明显的提高。Jia等[6]提出了一种新型螺旋太阳能空气加热器，对加热器的集热效率、风量等性能进行了实验研究，结果表明，与传统的太阳能加热器相比，这种太阳能空气加热器具有更高的集热效率。Kumar等[7]通过LCT方法实验研究了小翼型肋对太阳能空气加热器表面的影响，结果表明，粗糙表面可以显著提高太阳能空气加热器系统的热效率，热效率最高为69%。在电加热方面，研究重点在于节能方面，Wei等[8]开发了一种新型家用电热烘干机，提高了烘干机的工作效率且降低了21.5%的能耗。Seung等[9]对电加热通风干燥机的干燥机理进行了分析，并将节能技术应用到实际产品中。在烟气加热方面，研究较为均衡。Czaplicki等[10]研究了以烟气为干燥介质的新型冲击气流干燥机，证明在高水分煤和高烟气流速条件下，冲击气流干燥机的性能最佳。Bachir等[11]将一种新型的基于吸附的热能存储系统集成到燃气干燥机中，这种改进使其比传统燃气式干燥机的能耗降低22%。此外，按运行方式分类，风机可分为轴流式风机、离心式风机和混流式风机，本文研究的热风机运行原理接近于离心风机，那么可以通过对风机性能系数、几何参数进行改进来提高性能。Kim等[12]、Engin[13]、Velarde-suarez等[14]、Hariharan等[15]对风机的叶顶间隙、隔舌几何形状、风机外形等参数进行了优化研究，增强了风机性能。Hariharan等[16]研究了一种具有平行壁蜗壳的离心风机的性能，结果表明平行壁蜗壳比现有的矩形蜗壳效率更高。Zhou等[17]对前弯式离心风机进行了研究，发现了L=3 mm、θ=120°的进气喷嘴可以改善正弯离心风机的内部流动，提高风机的气动性能。Beena等[18]对设计参数对压比的影响及其相互关系进行了参数化研究，使设计方式比工业设计具有更高的效率和流量。

通过对上述结果总结可知，各类加热方式的热风机都已经得到了大量研究，最终目的大多是提高其加热能力及流动特性。然而目前关于热风机的研究较为系统化，基于气动加热原理的热风机研究还未见报道。因此本文针对具有独特结构的气动加热风机进行实验研究，测试不同进口流量下风机的各项参数，研究流量对风机性能和加热能力的影响。同时引入反映热风机性能的无量纲参数，根据测量结果，分析不同流量下的流量系数、压力系数、功率系数等各类无量纲参数，绘制无量纲曲线，找到最佳比转速，为以后的气动加热风机的应用及性能提升奠定了基础。

1 热风机试验研究

1.1 热风机组成及工作原理

热风机主要由调风板、空气仓、整流罩、叶片、蜗壳和出风口组成。其中叶片采用圆弧型叶片共16个，且叶片末端开孔，内部为空心，采用此形态叶片的原因是：1）增大叶片载荷，减小转矩，减少运行消耗；2）避免叶片内外温度及压力差过高，造成材料变形等现象。叶片蜗壳外圈流道设置了一圈摩擦盒，提高边界层粗糙度，用于扰动气流，带动空气摩擦。风机主要结构，整体装配如图1所示。

图1 热风机整体结构装配图

主要工作原理为：由三相异步电动机直接拖动风机叶轮旋转，将电能转化为叶轮动能形式。叶轮高速运转产生的离心力将外界冷空气从进风口卷入，冷风在风机空气仓内被高速旋转的叶片带动，受到强烈的压缩，同时与叶片表面产生摩擦，温度得到提升。与此同时，风机内部流道的摩擦盒会阻止外侧气流的流动，高速气流经过腔体时，由于物面对气体强烈的压缩摩擦，在边界层内气流损失的动能转化为热能，使边界层内气流温度上升，并对蜗壳加热，这也会导致外侧气流与叶片附近气流产生较大速度差，产生高速相对运动，在压缩和摩擦的同时做功，实现气动加热。叶片组合和内部流道如图2和图3所示。产生的热风由出风口流出。在风机壳体内部设有整流罩，以循环加热后的气体，可以通过调风板调节空气进气量。

图2 热风机叶片组合实体图

图3 热风机内部流道实体图

1.2 实验设备介绍

仪器准备：气动加热风机、13 kW三相异步电动机、交流配电柜1台、连接电线、多功能测量检测仪1台和测温传感器1台。其中测温仪器可直接通过探头接触出口来测量风温。多功能检测仪由皮托管、金属探头和显示仪构成，多功能检测仪可以同时测量风速、风压和流速。在测量过程中，金属探头与显示仪通过皮托管正负两端均相连时，可测出风机的风速、流量和动压；只连接正端时，可测全压。交流配电柜主要由电压表（0～450 V）、电流表（0～150 A）、漏电开关、缺相保护和启动按钮组成，如图4所示。

图4 交流配电柜

1.3 实验过程

首先安装好气动加热风机和13 kW三相异步电动机，用电线连接电动机与配电柜，连接好L型皮托管与显示仪器，测出热风机出风口横截面直径为0.13 m，将此数值输入多功能测量检测仪，用测温传感器测出此时实验室室内温度为22.4 ℃，电动机额定转速为2930 r/min。将多功能检测仪探头插入，测温传感器提前布置在出风口，开启配电柜电源，启动气动加热热风机，开始测量。数据的记录方式为：为了实验数据的准确性，在运行时间内，每隔2 min记录1次压力、出口温度数值。调节进风板，改变风量，记录流量为9、8、7、6、5 m3/min时的性能参数。数据记录表格如表1、表2所示。

表1 不同流量的静压变化 Pa

表2 不同流量的温度变化 ℃

2 数据处理

2.1 绘制性能曲线图

根据表1可以得出压力变化图，如图5所示。由图5可知，在热风机流量逐渐增大的过程中：压力在6 m3/min之前的减小幅度较小，曲线较为平稳，当继续增大流量时，其压力会出现大幅度下降，并且随着流量的增大，压力越来越小；当流量为5 m3/min时，风机的压力最大。根据表2可以得出温度变化图，如图6所示。由图6可知，在更改流量的过程中，热风机的流量越小，其升温速率越快，当流量为5 m3/min时出现最高温度98.5 ℃；随着流量越来越大，制热能力会越来越弱。出现这种情况是因为风机部分制热能力要依靠腔体内的负压状态，流量增大的同时，会使风机内部压力降低，所以温度会降低。

图5 不同进口流量下的压力变化

图6 不同进口流量下的温度变化

2.2 热风机参数计算

全压效率是指由电动机驱动且不考虑各项损失的情况下转化给风机全压有效能的大小，计算公式[19]为

式中：Ne为有效功率，Ns为风机轴功率。

静压效率是指在不考虑电动机各项损失的前提下，在电动驱动下的有用功转化给风机静压有效能量的多少，计算公式[19]为

式中：Pst为静压，Q为实际流量。

根据上述公式及实验的数据记录可得表3。由表3可知，流量越小，风机的压力及效率就越大，观察各项效率可知，在流量为6 m3/min时流量与压力达到最佳的状态，更适合风机运行。

表3 不同流量下的各类参数

3 无量纲参数研究

风机的无量纲参数[19]是风机十分关键的特性参数。对于相同系列的风机，对应点的无量纲参数相同。因此，这些参数对应着风机的性能，属于风机的特性值。这种无量纲参数之间的相关性也可以通过绘制曲线来表示，即无量纲参数的曲线图或无量纲特性曲线图。

热风机的流量系数[20]可用φ表示，用来描述热风机在运行时卷吸气体的流量与叶轮的轮轴速度之间的关系，计算公式[19]为

式中：Qv为风机的体积流量，m3/s；D2为风机的叶轮外缘直径，m；u2为叶轮外缘圆周速度，m/s。

全压系数用ψt表示，用来描述热风机运行时气体的全压与叶轮的轮轴速度之间的关系，计算公式[19]为

式中：Ptf为通风机的全压，Pa；ρ为流体密度；u2为叶轮外缘圆周速度，m/s。

功率系数可用λ来表示，用来描述风机静压与叶轮的轮轴速度之前的关系，计算公式[19]为

根据以上的实验数据处理结果，可得到风机的几个特性无量纲参数，如表4所示。其中，叶轮外缘轮周速度u2的计算公式为

气动加热风机的叶轮直径D2=1.9 m，电动机转速n=2930 r/min，代入式（6），可得u2=4.9 m/s。

根据各无量纲数可画出图7所示的无量纲曲线。从图7（a）中可以看出，随着热风机流量的不断增加，其流量系数逐渐增大，流量为9 m3/min时的流量系数为0.012；在图7（b）中，随着流量的增加，功率系数先小幅度增加，8 m3/min时有所下降，9 m3/min时达到顶峰，此时功率系数为0.711；在图7（c）、图7（d）中全压系数及静压系数随着流量的增大而减小，流量为5 m3/min时的全压系数为15.41，静压系数为10.857，6 m3/min与5 m3/min的静压系数和全压系数相差较小；图7（e）中比转速随着流量的增大而逐渐增大，在6 m3/min左右存在小幅度降低，在流量为9 m3/min时出现最大值。值得一提的是，与其他流量相比，在流量为6 m3/min时的各无量纲数更为平衡。

图7 热风机无量纲曲线图

4 结论

本文通过改变进口流量，对具有特殊结构的气动加热风机进行了实验研究，同时引入无量纲参数进行了分析。研究得出以下结论：1）在测量范围内，当进口流量减小时，风机的制热能力随之增强，压力也随之增大，但流量过小对风机的运行不利。在6 m3/min时该气动加热风机的制热与流动特性最为平衡，在该流量下，热风机温度较高，风机制热能力较强。2）随着热风机的流量不断增加，其流量系数、功率系数等各无量纲参数逐渐增大，流量为9 m3/min时，功率系数为0.711；全压系数及静压系数随着流量的增大而减小，流量为5 m3/min时的全压系数为15.41，静压系数为10.857；比转速随着流量的增大而逐渐增大，其最大值出现在流量为9 m3/min时。