热能工程毕业设计论文空气加热器的性能测试及研究

河北工业大学城市学院毕业设计说明书(论文)作者：学号：系：能源与环境工程专业：热能工程题目：空气加热器的性能测试及研究指导者：评阅者：2008年6月

毕业设计（论文）中文摘要摘要本文对一种空气加热器的性能进行了试验研究。对不同空气流速，加热功率下的工况进行了基本的研究。试验的结果表明：空气加热器加入多空介质后，空气侧的换热效率明显提高，但与此同时流动阻力也增加很快；流速的增加对换热效率的影响是最明显的，随着流速增加，每种工况下换热效率都提高很多；功率增加，提高了出口温度，但是并没有提高换热效率，热辐射引起的损失较大。对于流速较大的试验工况，试验达到稳定的时间较短。光管稳定时间与添加了多孔介质之后加热段的稳定时间相差较大，最大的可达30分钟左右。对同一流速，随着温度的升高，压降升高，说明流动阻力增大。可能是在加热过程中，空气膨胀，使管中的气流增大，造成流动阻力的增大。在流速较小0.15m/s时通常只有20Pa左右的变化；而在流速较大0.25m/s时，压力的变化为60pa由于本人能力、试验条件和时间的限制等多方面的原因，论文在很多方面存在不足，有待于更加深入的研究。关键词空气加热器多孔介质对流换热温升速率稳定时间换热效率毕业设计（论文）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能源是人类赖以生存和发展的主要物质基础。当今能源问题已经成为国民经济发展的战略重点。自上世纪以来，随着能源科学的发展，人们已掌握了越来越多的能源技术。其中有许多能源技术可以起到相同的目的并可以相互进行替代。世界的能源构成有一个发展过程。自英国的产业革命后，世界能源结构从木炭转向煤炭。从上世纪20年代开始，石油和天然气在世界能源构成中的比重渐渐增加。现在世界能源消费近60％依赖石油和天然气。我国能源概况中国现今还是以煤炭为主力能源，不会出现能源以油、气为主的时代，我国一直以来并在可以预见的将俩都将以煤炭为主要能源。但是，我国的煤炭资源不是取之不尽的，根据现在我国的煤炭需求量和已探知的煤炭储量，最多再支持30年。不光是煤炭，其他资源也是一样。在假设资源不会被耗尽的前提下，到2050年，人类的数量可能达到90亿。平均每年需要的自然资源要两个地球才能满足。因此，世界能源在如此严峻的形式下，能源结构需要一次大的转变，即从油、气为主向以再生能源为基础的持久、稳定的能源系统方向发展。这个转变将经历漫长的过程，从现在起，大约需要一百年的时间。到那时，太阳能发电、核能发电以及其他新能源，将为全球约150亿人口提供充足的能源，而煤炭、石油和天然气则主要用作化工原料。我国能源利用效率较低，这是众所周知的事实。例如，钢铁工业平均每万吨能耗的钢产量，按统计资料显示，日本的产量是我国的2.2倍，而德国也是我国的1.5倍[1]。这样看来，我国当初成为世界钢产量第一名时，是建立在巨大的能源消耗的基础上的。随之而带来的污染也是一个很大的问题。我国人均能源资源并不丰富，能源的供需缺口日益扩大，所以我国的经济发展必须走资源节约型道路。加之能源利用水平较低，具有很大的直接节能潜力。应该积极改进产业结构和产品结构，利用新型技术，以达到节约能源的目的。1.1.31．2目前，在空气加热器领域，能源的利用率并不高。往往消耗了大量的能源却不能得到很好的加热效果。此外，空气加热速度比较慢，热空气的温度低，产气量较小，等等都是目前空气加热器所面临的主要问题。因此有些空气加热器就采用在换热室添加堆积金属球的方法，增大与空气对流换热的面积，以提到热效率，获得了不错的效果。然而该方法的填充体为堆积的金属球，一方面比表面积较小，孔隙率低（金属球堆积的孔隙率一般不足40％），因而阻力增加较大，增大了空气的动力消耗；另一方面，由于金属球本身具有导电性，如果不采取与电加热原件的绝缘措施，就会出现短路现象，如果增加可靠的绝缘结构，势必会使加热器结构复杂化，也存在一定的安全隐患。因此，选择合适的换热介质将提高空气换热器的换热效率。由于多孔泡沫陶瓷具有的比表面积大、导热性好的特性，是很好的换热介质[2,3]。它的使用将有效提高能源的利用率，达到节约能源的目的。多孔材料里面的孔是由互联的支柱或丝网的配制构成的[4]。图1.1为泡沫陶瓷显微镜下的照片。多孔介质的孔隙结构是多孔介质材料的主要特征，其孔隙结构的宏观参数包括：孔隙率（孔隙度），渗透率，比表面，PPC,孔隙直径及其分布、剖面孔隙面积分布等，与多孔介质中的流动与传热紧密相关。图1.2是一块多孔介质的蜂窝板。李春光[5]等人做了比较细致的研究。图1.1显微镜下的泡沫陶瓷图1.2蜂窝板多孔介质是由多相物质所占据的空间，也是多相物质共存的内部就会有流动或传热传质过程发生。在这类过程中，各相物质内部及其间的质量、动量和能量传递规律十分复杂。在揭示这些规律方面，虽然人们采用了理论分析[6]、数值模拟[7,8]、实验研究[9]等各种研究手段，但对此仍知之不多。有人认为:多孔介质中各种传递现象的研究已是当今科学技术发展长河中令人瞩目的热点，并成为传热传质学科中重要的研究课题。多孔介质的特征：孔隙之大小及其分布是多孔介质的重要特征。而根据孔隙之大小，又可分为三类：当空隙空间甚小，以至于固体分子与流体分子间的分子作用力不可忽略时，称之为分子间隙；当空隙足够大，以至于流体流动只取决于空隙壁面时，称之为洞穴；介乎于二者之间的空间称作孔隙。到现在，人们对多孔陶瓷做了大量的实验性研究，但是对于多孔介质内部的流动和传热规律还不能清楚了解。但是大量实验结果还是显示了一些普遍性规律，并应用于实际。例如，由于多孔介质的燃烧特性[10]，使得多孔介质在燃烧器中得到应用[11]。人们对于多孔介质中的稳定燃烧技术，早在20世纪初就已经开始，最早报道始见于1913年CELucke[12]设计的表面燃烧装置。此外，多孔介质还被应用于许多其他领域，包括核反应堆冷却与绝热、煤炭的储存开发与燃烧、高温元件的发汗冷却、铸造砂型的传热传湿、热管多孔芯吸液与传热、化工填充床、太阳能与废热储能、航空航天器的热防护、石油热采、地热热储地下核废料热质扩散、环境工程中垃圾与污水处理、土地盐碱化与污染、建筑与绝热材料中的传热传湿、物品干燥与保鲜、土壤内养分水分传递、生物体内的传递现象及强化换热等。虽然人们对多孔介质内部的流动和传热规律还不能清楚了解，但由于这些过程的普遍性，使得下面诸多领域中都需要解决一些方面问题，并能迅速应用这方面的研究成果。这些领域有:核反应堆冷却与绝热、煤炭的储存开发与燃烧、高温元件的发汗冷却、铸造砂型的传热传湿、热管多孔芯吸液与传热、化工填充床、太阳能与废热储能、航空航天器的热防护、石油热采、地热热储地下核废料热质扩散、环境工程中垃圾与污水处理、土地盐碱化与污染、建筑与绝热材料中的传热传湿、物品干燥与保鲜、土壤内养分水分传递、生物体内的传递现象及强化换热等。现在多孔介质内部的传热传质已成为一融多学科知识、对理论和实验要求都很高的传热学研究领域。。随着科技发展，越来越多的科技被应用于多孔介质的实验研究上，人们利用计算机来完成对多孔介质的对流换热的数值模拟[13]、阻力分析[14]，根据对实验数据的分析而得到多孔介质各种特性的经验公式[15,16]。X.Fu,R.Viskanta和J.P.Gore[17]也对多孔陶瓷材料的体积换热系数做了比较细致的研究，并得到了一些结论：努塞尔数的关系式是一个由材料，PPC和样品厚度组成的函数。容积传热系数随着样品厚度与孔径之比的减小而增大。为努塞尔数和雷诺数选择哪些量作为特征孔长度将影响相关系数，而在此范围内的雷诺数是适用的。在雷诺数较小的情况下（<50）实验的不确定性较大，并且数据的分散性大于雷诺数较大时的情况。可以改进测量体积传热系数的实验步骤或采用新方法，以减少实验的不确定性并提高努塞尔数和雷诺数的相关性。我们做的试验虽然是干空气的，但是前人已经对高强加热条件下含湿多孔介质传热传质也进行了研究.我校杨历等老师也做了关于多孔介质干燥过程传热传质研究的研究，结果表明，表面对流换热系数、干燥介质温度和湿度的变化对热、湿迁移过程均有较大影响，而表面对流传质系数对湿迁移过程影响不大，温度和湿度梯度的耦合产生"局部增湿"现象。：选取空气加热器的各项参数，并加以制造。通过对空气加热器的测试，由实验数据推出空气升温速率与空气流速、泡沫陶瓷孔径、电加热功率之间的关系。查阅多孔泡沫陶瓷材料的相关文献，把握课题背景，了解填充内插物强化换热技术的相关研究动态；设计一个试验台，用于进行空气加热器的性能试验研究，试验台要求测量空气的进出口温度及流量；设计换热段结构并组织若干换热试验，得到流速、温度、压差等一系列试验数据。分析得到换热效率与流速、加热器功率、孔隙结构等的关系。2试验台的搭建图2.1加热器加热段设计简图2.试验流程图：冷却装置冷却装置空气压缩机除水装置除油装置减压器干燥装置质量流量控制器实验段大气调压器电流表、电压表图2.2试验流程简图图2.3加热器设计图3试验部分Vm——空气的体积流量L/minv——空气的流速m/sU1——加热电阻1的电压VI1——加热电阻1的电流AU2——加热电阻2的电压VI2——加热电阻2的电流AT1——空气入口处热电偶温度显示仪示值oCT2——空气出口处热电偶温度显示仪示值oCdm——空气加热器加热段的内径mm△t——空气加热器进出口的温差oCQ1——加热段发热量KJ/sCp——空气的平均比热,Cp=0.9956+0.000093（T）J/kgoCη——加热器效率4试验数据分析4．1泡沫陶瓷对空气加热器性能的影响由以上几幅图可以清晰的看出添加了多孔介质之后对空气侧换热的影响：添加了多孔介质之后，换热管的换热效率有了较为明显的提高。因此达到稳定状态后出口温度提高很多。添加多孔介质后，空气温升均匀。在起始阶段总是光管的温升较快，但很快升温的速度就缓慢了下来。多孔介质在很大程度上缩短加热时间，提前了稳定时间。这样有利于减小由于温差而带来的热应力。避免加热器因为应力而出现裂缝。空气加热器的效率计算计算一种工况下的效率：加热器筒体内径dm=112mm;加热器筒体截面积==0.00984704m2：光管功率W(J/s)流速V（m/s）1000150020000.150.2933730.2746150.2507050.250.4167500.3856310.317203多孔介质功率W(J/s)流速V（m/s）1000150020000.150.3753240.3311680.3102570.250.5335450.4681300.420113在光管，或添加多孔介质后的工况中，随着功率的增加其效率是递减的。这是因为功率越大，出口段的温度升高，由于辐射能与温度成四次方的关系，所以温度升高，增加了能量的损失，造成效率的下降。流量的变化对效率的影响很大，各组数据均反应了这一点。随着流量的增加，效率增加很快。这也指导我们要想提高加热的效率应当适当地增加流量。一味地靠增加流速来提高效率并不是可取的办法，随着流量增加压力损失也增大，所以要权衡二者的关系。添加多孔介质后的加热器的出口气流温度有所提升。可以看出多孔介质的加入对于我们提高空气侧的换热是有利的。这是因为热弥漫散和静态导热二者的共同存在。热弥散对多孔介质强化传热起着很大作用。稳定时间分析稳定时间的概念:在连续三个五分钟时间内,如果温度不再出现变化,我们称之为稳定状态，达到稳定状态所需要的时间称之为稳定时间。图4.7空气加热器稳定时间对比V=0.15图4.7空气加热器稳定时间对比V=0.25从总体来看，光管稳定时间与添加了多孔介质之后加热段的稳定时间相差较大，最大的可达40分钟左右。因为在加热器中加热体占据了较大的空间，如果能减小加热体体积，用更多的空间填充多孔介质，则可能效果更好，随着流速的增加,稳定时间有所缩短.这对指导实践是非常有利的。光管减小20-30min；多孔介质减小5-10min。可能由于阻力变大的原因使得添加了多孔介质后的稳定时间变化不是很明显。温升速率分析图4.8空气加热器温升速率对比V=0.15