引言風道加熱器具有風阻小、加熱均勻、熱交換效率高等特點,。

風道加熱器前置離心式通風機為其供風,風機將外界的新鮮空氣通過進風筒經(jīng)兩級導流板送入設備內部,氣體在導流板的作用下一方面延長了與翅片加熱管道的接觸時間,另一方面也可使加熱管表面溫度更加均勻,避免因局部溫度過高損傷加熱管。實踐應用表明導流板的長度和開口角度對風道加熱器流場和溫度場的性能參數(shù)均有影響。 對換熱器結構進行仿真,探究不同結構下設備的流場均勻度和性能參數(shù)。等通過數(shù)值模擬的方法探究了不同氧化劑對空氣加熱器出口流場的影響。利用流體力學軟件研究了螺距和肋高對換熱器速度場和溫度場的影響。

 以上研究主要集中在加熱管的結構和加熱介質對加熱器的影響方面,現(xiàn)階段,關于入口通流部件的結構即導流板的長度和開口角度對風道加熱器的性能、流場和溫度場方面的研究較少。 本研究以煤礦主通風系統(tǒng)用風道加熱器為研究對象,在Fluent中通過四因素三水平正交試驗法模擬了兩級導流板不同開口角度和長度對風道加熱器壓降、溫升的影響,為優(yōu)化其結構提供參考。 

1 正交試驗設計 

1.1 試驗目的 為提高風道加熱器的溫升和加熱效率,降低氣體流過風道加熱器的壓力損失,本研究通過正交試驗,以溫升和壓降為評價指標,對風道加熱器的結構設計進行優(yōu)化,表1為設備的基本參數(shù)。

 1.2 試驗因素及方案 風道加熱器進口處布置有4塊導流板,內側的兩塊為一級,外側的兩塊為第二級,兩級導流板均沿中間截面呈對稱分布,定義導流板與中間截面的夾角為導流板的開口角度,定義導流板在水平方向的投影為導流板的長度。本研究將一級導流板角度、第二級導流板角度、一級導流板長度、第二級導流板長度這4個因素定義為正交試驗的水平因素。根據(jù)工程實踐可知4個參數(shù)的取值范圍,并制作了如表2所示的影響因素和水平設計表[4],然后根據(jù)表2設計了如表3所示的L9(34)正交試驗表[5],共9組試驗方案,其中試驗序號6為現(xiàn)有風道加熱器結構。

 2 數(shù)值模擬 

2.1 數(shù)學模型 本研究采用Fluent軟件對9種正交試驗方案進行定常模擬,風道加熱器在進行流動與傳熱的數(shù)值模擬時應遵循流體動力學基本控制方程即能量、動量和質量守恒方程[6],其中能量守恒方程如下: 式中, ρ, T, V分別為密度、溫度和體積; λ代表流體的導熱系數(shù); Cp為定壓比熱; ST為黏性耗散項。 同時風道加熱器內部存在復雜的內流動如湍流、渦流等,氣體流動的各向異性很高,本研究選用RNG k-ε湍流模型進行模擬。與標準k-ε湍流模型和Realizable k-ε湍流模型相比,RNG k-ε湍流模型能更好的模擬湍流且各向異性高的流動過程[7]。 

.2.2 模型建立 風道加熱器也稱風道式加熱器由進風筒、一級導流板、二級導流板、W型翅片加熱管、保溫層和出風筒6部分組成,保溫層材料采用硅酸鋁棉,加熱絲采用鎳鉻合金絲,其他材質為Q235,風道加熱器及離心式通風機實物圖,如圖1所示。 風道加熱器長1500 mm,寬和高均為750 mm,為避免數(shù)值模擬過程中出現(xiàn)回流,在原有出風筒的基礎上增加1000 mm的風筒作為延長的計算域。為研究兩級導流板不同角度和長度對風道加熱器流場和溫度場的影響,按照正交試驗法并結合設備實際尺寸在SolidWorks中建立了不同導流板開口角度和長度的風道加熱器三維流場模型。