熱能工程畢業(yè)設(shè)計論文空氣加熱器的性能測試及研究

河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)作者：學(xué)號：系：能源與環(huán)境工程專業(yè)：熱能工程題目：空氣加熱器的性能測試及研究指導(dǎo)者：評閱者：2008年6月

畢業(yè)設(shè)計（論文）中文摘要摘要本文對一種空氣加熱器的性能進(jìn)行了試驗研究。對不同空氣流速，加熱功率下的工況進(jìn)行了基本的研究。試驗的結(jié)果表明：空氣加熱器加入多空介質(zhì)后，空氣側(cè)的換熱效率明顯提高，但與此同時流動阻力也增加很快；流速的增加對換熱效率的影響是最明顯的，隨著流速增加，每種工況下?lián)Q熱效率都提高很多；功率增加，提高了出口溫度，但是并沒有提高換熱效率，熱輻射引起的損失較大。對于流速較大的試驗工況，試驗達(dá)到穩(wěn)定的時間較短。光管穩(wěn)定時間與添加了多孔介質(zhì)之后加熱段的穩(wěn)定時間相差較大，最大的可達(dá)30分鐘左右。對同一流速，隨著溫度的升高，壓降升高，說明流動阻力增大?？赡苁窃诩訜徇^程中，空氣膨脹，使管中的氣流增大，造成流動阻力的增大。在流速較小0.15m/s時通常只有20Pa左右的變化；而在流速較大0.25m/s時，壓力的變化為60pa由于本人能力、試驗條件和時間的限制等多方面的原因，論文在很多方面存在不足，有待于更加深入的研究。關(guān)鍵詞空氣加熱器多孔介質(zhì)對流換熱溫升速率穩(wěn)定時間換熱效率畢業(yè)設(shè)計（論文）外文摘要TitleTHEPERFORMANCETESTANDRESEARCHOFAAIRHEATERAbstractThisarticlehasconductedtheexperimentalstudytotheperformanceofoneairheater.Wehasconductedthebasicresearchontheoperatingmodeofthedifferentvelocityofflow,andthermalrating.Theresultofthetestshows:Whenweputthecellularceramicsintodeairheater,thermalefficiencyoftheairsideraiseobviously,andflowresistanceincreasequicklytoo；Theinfluenceonchangingthermalefficiencyofincreaseofthevelocityofflowisthemostobvious,asthevelocityofflowincreases,thermalefficiencychangeandtheheattransferefficiencyofeachkindofoperatingmodeimprovemuchmore；Thepowerincreases,hasimprovedtemperatureofexports,buthasnotimprovedtheheattransferefficiency,thelossescausedinheatradiationarerelativelygreat.Astotheexperimentaloperatingmodeoflargervelocityofflow,steadytimeofthetextisrelativelyshort.Thesteadytimeofwiththeporousmediaisalargedifferenceformtheoperatingmodeofwithouttheporousmedia,thebiggestonecanbeuptoabout30minutes.Tothesamevelocityofflow,withtherisingoftemperature,pressalsorise,forflowresistanceincrease.Itmaybeinthecourseofheating,theairswells,maketheaircurrentwhilemanagingincrease,andcauseflowresistanceincrease.Usuallythereareonlyabout20Paofchangesinthevelocityofflowsmaller0.15m/s；Inthevelocityofflowbigger0.25m/s,thechangeofthepressure,foraboutBecauseofmyownability、testconditionsandtime,andmanyotherreasons,thepaperhastheinsufficiencyinmanyaspects,anditneedtobemorein-depthresearch.Keywords：airheater；cellularceramics；convectionheattransfer；speedofrisingoftemperature；steadytime；heattransferefficiency目次1引言1．11.1.1能源是人類賴以生存和發(fā)展的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)今能源問題已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略重點。自上世紀(jì)以來，隨著能源科學(xué)的發(fā)展，人們已掌握了越來越多的能源技術(shù)。其中有許多能源技術(shù)可以起到相同的目的并可以相互進(jìn)行替代。世界的能源構(gòu)成有一個發(fā)展過程。自英國的產(chǎn)業(yè)革命后，世界能源結(jié)構(gòu)從木炭轉(zhuǎn)向煤炭。從上世紀(jì)20年代開始，石油和天然氣在世界能源構(gòu)成中的比重漸漸增加?，F(xiàn)在世界能源消費(fèi)近60％依賴石油和天然氣。我國能源概況中國現(xiàn)今還是以煤炭為主力能源，不會出現(xiàn)能源以油、氣為主的時代，我國一直以來并在可以預(yù)見的將倆都將以煤炭為主要能源。但是，我國的煤炭資源不是取之不盡的，根據(jù)現(xiàn)在我國的煤炭需求量和已探知的煤炭儲量，最多再支持30年。不光是煤炭，其他資源也是一樣。在假設(shè)資源不會被耗盡的前提下，到2050年，人類的數(shù)量可能達(dá)到90億。平均每年需要的自然資源要兩個地球才能滿足。因此，世界能源在如此嚴(yán)峻的形式下，能源結(jié)構(gòu)需要一次大的轉(zhuǎn)變，即從油、氣為主向以再生能源為基礎(chǔ)的持久、穩(wěn)定的能源系統(tǒng)方向發(fā)展。這個轉(zhuǎn)變將經(jīng)歷漫長的過程，從現(xiàn)在起，大約需要一百年的時間。到那時，太陽能發(fā)電、核能發(fā)電以及其他新能源，將為全球約150億人口提供充足的能源，而煤炭、石油和天然氣則主要用作化工原料。我國能源利用效率較低，這是眾所周知的事實。例如，鋼鐵工業(yè)平均每萬噸能耗的鋼產(chǎn)量，按統(tǒng)計資料顯示，日本的產(chǎn)量是我國的2.2倍，而德國也是我國的1.5倍[1]。這樣看來，我國當(dāng)初成為世界鋼產(chǎn)量第一名時，是建立在巨大的能源消耗的基礎(chǔ)上的。隨之而帶來的污染也是一個很大的問題。我國人均能源資源并不豐富，能源的供需缺口日益擴(kuò)大，所以我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展必須走資源節(jié)約型道路。加之能源利用水平較低，具有很大的直接節(jié)能潛力。應(yīng)該積極改進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，利用新型技術(shù)，以達(dá)到節(jié)約能源的目的。1.1.31．2目前，在空氣加熱器領(lǐng)域，能源的利用率并不高。往往消耗了大量的能源卻不能得到很好的加熱效果。此外，空氣加熱速度比較慢，熱空氣的溫度低，產(chǎn)氣量較小，等等都是目前空氣加熱器所面臨的主要問題。因此有些空氣加熱器就采用在換熱室添加堆積金屬球的方法，增大與空氣對流換熱的面積，以提到熱效率，獲得了不錯的效果。然而該方法的填充體為堆積的金屬球，一方面比表面積較小，孔隙率低（金屬球堆積的孔隙率一般不足40％），因而阻力增加較大，增大了空氣的動力消耗；另一方面，由于金屬球本身具有導(dǎo)電性，如果不采取與電加熱原件的絕緣措施，就會出現(xiàn)短路現(xiàn)象，如果增加可靠的絕緣結(jié)構(gòu)，勢必會使加熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，也存在一定的安全隱患。因此，選擇合適的換熱介質(zhì)將提高空氣換熱器的換熱效率。由于多孔泡沫陶瓷具有的比表面積大、導(dǎo)熱性好的特性，是很好的換熱介質(zhì)[2,3]。它的使用將有效提高能源的利用率，達(dá)到節(jié)約能源的目的。多孔材料里面的孔是由互聯(lián)的支柱或絲網(wǎng)的配制構(gòu)成的[4]。圖1.1為泡沫陶瓷顯微鏡下的照片。多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)是多孔介質(zhì)材料的主要特征，其孔隙結(jié)構(gòu)的宏觀參數(shù)包括：孔隙率（孔隙度），滲透率，比表面，PPC,孔隙直徑及其分布、剖面孔隙面積分布等，與多孔介質(zhì)中的流動與傳熱緊密相關(guān)。圖1.2是一塊多孔介質(zhì)的蜂窩板。李春光[5]等人做了比較細(xì)致的研究。圖1.1顯微鏡下的泡沫陶瓷圖1.2蜂窩板多孔介質(zhì)是由多相物質(zhì)所占據(jù)的空間，也是多相物質(zhì)共存的內(nèi)部就會有流動或傳熱傳質(zhì)過程發(fā)生。在這類過程中，各相物質(zhì)內(nèi)部及其間的質(zhì)量、動量和能量傳遞規(guī)律十分復(fù)雜。在揭示這些規(guī)律方面，雖然人們采用了理論分析[6]、數(shù)值模擬[7,8]、實驗研究[9]等各種研究手段，但對此仍知之不多。有人認(rèn)為:多孔介質(zhì)中各種傳遞現(xiàn)象的研究已是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展長河中令人矚目的熱點，并成為傳熱傳質(zhì)學(xué)科中重要的研究課題。多孔介質(zhì)的特征：孔隙之大小及其分布是多孔介質(zhì)的重要特征。而根據(jù)孔隙之大小，又可分為三類：當(dāng)空隙空間甚小，以至于固體分子與流體分子間的分子作用力不可忽略時，稱之為分子間隙；當(dāng)空隙足夠大，以至于流體流動只取決于空隙壁面時，稱之為洞穴；介乎于二者之間的空間稱作孔隙。到現(xiàn)在，人們對多孔陶瓷做了大量的實驗性研究，但是對于多孔介質(zhì)內(nèi)部的流動和傳熱規(guī)律還不能清楚了解。但是大量實驗結(jié)果還是顯示了一些普遍性規(guī)律，并應(yīng)用于實際。例如，由于多孔介質(zhì)的燃燒特性[10]，使得多孔介質(zhì)在燃燒器中得到應(yīng)用[11]。人們對于多孔介質(zhì)中的穩(wěn)定燃燒技術(shù)，早在20世紀(jì)初就已經(jīng)開始，最早報道始見于1913年CELucke[12]設(shè)計的表面燃燒裝置。此外，多孔介質(zhì)還被應(yīng)用于許多其他領(lǐng)域，包括核反應(yīng)堆冷卻與絕熱、煤炭的儲存開發(fā)與燃燒、高溫元件的發(fā)汗冷卻、鑄造砂型的傳熱傳濕、熱管多孔芯吸液與傳熱、化工填充床、太陽能與廢熱儲能、航空航天器的熱防護(hù)、石油熱采、地?zé)釤醿Φ叵潞藦U料熱質(zhì)擴(kuò)散、環(huán)境工程中垃圾與污水處理、土地鹽堿化與污染、建筑與絕熱材料中的傳熱傳濕、物品干燥與保鮮、土壤內(nèi)養(yǎng)分水分傳遞、生物體內(nèi)的傳遞現(xiàn)象及強(qiáng)化換熱等。雖然人們對多孔介質(zhì)內(nèi)部的流動和傳熱規(guī)律還不能清楚了解，但由于這些過程的普遍性，使得下面諸多領(lǐng)域中都需要解決一些方面問題，并能迅速應(yīng)用這方面的研究成果。這些領(lǐng)域有:核反應(yīng)堆冷卻與絕熱、煤炭的儲存開發(fā)與燃燒、高溫元件的發(fā)汗冷卻、鑄造砂型的傳熱傳濕、熱管多孔芯吸液與傳熱、化工填充床、太陽能與廢熱儲能、航空航天器的熱防護(hù)、石油熱采、地?zé)釤醿Φ叵潞藦U料熱質(zhì)擴(kuò)散、環(huán)境工程中垃圾與污水處理、土地鹽堿化與污染、建筑與絕熱材料中的傳熱傳濕、物品干燥與保鮮、土壤內(nèi)養(yǎng)分水分傳遞、生物體內(nèi)的傳遞現(xiàn)象及強(qiáng)化換熱等?，F(xiàn)在多孔介質(zhì)內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)已成為一融多學(xué)科知識、對理論和實驗要求都很高的傳熱學(xué)研究領(lǐng)域。。隨著科技發(fā)展，越來越多的科技被應(yīng)用于多孔介質(zhì)的實驗研究上，人們利用計算機(jī)來完成對多孔介質(zhì)的對流換熱的數(shù)值模擬[13]、阻力分析[14]，根據(jù)對實驗數(shù)據(jù)的分析而得到多孔介質(zhì)各種特性的經(jīng)驗公式[15,16]。X.Fu,R.Viskanta和J.P.Gore[17]也對多孔陶瓷材料的體積換熱系數(shù)做了比較細(xì)致的研究，并得到了一些結(jié)論：努塞爾數(shù)的關(guān)系式是一個由材料，PPC和樣品厚度組成的函數(shù)。容積傳熱系數(shù)隨著樣品厚度與孔徑之比的減小而增大。為努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)選擇哪些量作為特征孔長度將影響相關(guān)系數(shù)，而在此范圍內(nèi)的雷諾數(shù)是適用的。在雷諾數(shù)較小的情況下（<50）實驗的不確定性較大，并且數(shù)據(jù)的分散性大于雷諾數(shù)較大時的情況。可以改進(jìn)測量體積傳熱系數(shù)的實驗步驟或采用新方法，以減少實驗的不確定性并提高努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)的相關(guān)性。我們做的試驗雖然是干空氣的，但是前人已經(jīng)對高強(qiáng)加熱條件下含濕多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)也進(jìn)行了研究.我校楊歷等老師也做了關(guān)于多孔介質(zhì)干燥過程傳熱傳質(zhì)研究的研究，結(jié)果表明，表面對流換熱系數(shù)、干燥介質(zhì)溫度和濕度的變化對熱、濕遷移過程均有較大影響，而表面對流傳質(zhì)系數(shù)對濕遷移過程影響不大，溫度和濕度梯度的耦合產(chǎn)生"局部增濕"現(xiàn)象。：選取空氣加熱器的各項參數(shù)，并加以制造。通過對空氣加熱器的測試，由實驗數(shù)據(jù)推出空氣升溫速率與空氣流速、泡沫陶瓷孔徑、電加熱功率之間的關(guān)系。查閱多孔泡沫陶瓷材料的相關(guān)文獻(xiàn)，把握課題背景，了解填充內(nèi)插物強(qiáng)化換熱技術(shù)的相關(guān)研究動態(tài)；設(shè)計一個試驗臺，用于進(jìn)行空氣加熱器的性能試驗研究，試驗臺要求測量空氣的進(jìn)出口溫度及流量；設(shè)計換熱段結(jié)構(gòu)并組織若干換熱試驗，得到流速、溫度、壓差等一系列試驗數(shù)據(jù)。分析得到換熱效率與流速、加熱器功率、孔隙結(jié)構(gòu)等的關(guān)系。2試驗臺的搭建圖2.1加熱器加熱段設(shè)計簡圖2.試驗流程圖：冷卻裝置冷卻裝置空氣壓縮機(jī)除水裝置除油裝置減壓器干燥裝置質(zhì)量流量控制器實驗段大氣調(diào)壓器電流表、電壓表圖2.2試驗流程簡圖圖2.3加熱器設(shè)計圖3試驗部分Vm——空氣的體積流量L/minv——空氣的流速m/sU1——加熱電阻1的電壓VI1——加熱電阻1的電流AU2——加熱電阻2的電壓VI2——加熱電阻2的電流AT1——空氣入口處熱電偶溫度顯示儀示值oCT2——空氣出口處熱電偶溫度顯示儀示值oCdm——空氣加熱器加熱段的內(nèi)徑mm△t——空氣加熱器進(jìn)出口的溫差oCQ1——加熱段發(fā)熱量KJ/sCp——空氣的平均比熱,Cp=0.9956+0.000093（T）J/kgoCη——加熱器效率4試驗數(shù)據(jù)分析4．1泡沫陶瓷對空氣加熱器性能的影響由以上幾幅圖可以清晰的看出添加了多孔介質(zhì)之后對空氣側(cè)換熱的影響：添加了多孔介質(zhì)之后，換熱管的換熱效率有了較為明顯的提高。因此達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后出口溫度提高很多。添加多孔介質(zhì)后，空氣溫升均勻。在起始階段總是光管的溫升較快，但很快升溫的速度就緩慢了下來。多孔介質(zhì)在很大程度上縮短加熱時間，提前了穩(wěn)定時間。這樣有利于減小由于溫差而帶來的熱應(yīng)力。避免加熱器因為應(yīng)力而出現(xiàn)裂縫?？諝饧訜崞鞯男视嬎阌嬎阋环N工況下的效率：加熱器筒體內(nèi)徑dm=112mm;加熱器筒體截面積==0.00984704m2：光管功率W(J/s)流速V（m/s）1000150020000.150.2933730.2746150.2507050.250.4167500.3856310.317203多孔介質(zhì)功率W(J/s)流速V（m/s）1000150020000.150.3753240.3311680.3102570.250.5335450.4681300.420113在光管，或添加多孔介質(zhì)后的工況中，隨著功率的增加其效率是遞減的。這是因為功率越大，出口段的溫度升高，由于輻射能與溫度成四次方的關(guān)系，所以溫度升高，增加了能量的損失，造成效率的下降。流量的變化對效率的影響很大，各組數(shù)據(jù)均反應(yīng)了這一點。隨著流量的增加，效率增加很快。這也指導(dǎo)我們要想提高加熱的效率應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)卦黾恿髁?。一味地靠增加流速來提高效率并不是可取的辦法，隨著流量增加壓力損失也增大，所以要權(quán)衡二者的關(guān)系。添加多孔介質(zhì)后的加熱器的出口氣流溫度有所提升。可以看出多孔介質(zhì)的加入對于我們提高空氣側(cè)的換熱是有利的。這是因為熱彌漫散和靜態(tài)導(dǎo)熱二者的共同存在。熱彌散對多孔介質(zhì)強(qiáng)化傳熱起著很大作用。穩(wěn)定時間分析穩(wěn)定時間的概念:在連續(xù)三個五分鐘時間內(nèi),如果溫度不再出現(xiàn)變化,我們稱之為穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間稱之為穩(wěn)定時間。圖4.7空氣加熱器穩(wěn)定時間對比V=0.15圖4.7空氣加熱器穩(wěn)定時間對比V=0.25從總體來看，光管穩(wěn)定時間與添加了多孔介質(zhì)之后加熱段的穩(wěn)定時間相差較大，最大的可達(dá)40分鐘左右。因為在加熱器中加熱體占據(jù)了較大的空間，如果能減小加熱體體積，用更多的空間填充多孔介質(zhì)，則可能效果更好，隨著流速的增加,穩(wěn)定時間有所縮短.這對指導(dǎo)實踐是非常有利的。光管減小20-30min；多孔介質(zhì)減小5-10min?？赡苡捎谧枇ψ兇蟮脑蚴沟锰砑恿硕嗫捉橘|(zhì)后的穩(wěn)定時間變化不是很明顯。溫升速率分析圖4.8空氣加熱器溫升速率對比V=0.15