热能工程毕业设计（论文）空气加热器的性能测试及研究.doc

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1、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 20 日毕业设计（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

2、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左右。虽然流速只相差0.1m/s。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Title THE PERFORMA

3、NCE TEST AND RESEARCH OF A AIR HEATER AbstractThis article has conducted the experimental study to the performance of one air heater . We has conducted the basic research on the operating mode of the different velocity of flow, and thermal rating. The result of the test shows :When we put the cellul

4、ar ceramics in to de air heater , thermal efficiency of the air side raise obviously, and flow resistance increase quickly too； The influence on changing thermal efficiency of increase of the velocity of flow is the most obvious, as the velocity of flow increases, thermal efficiency change and the h

5、eat transfer efficiency of each kind of operating mode improve much more ； The power increases, has improved temperature of exports , but has not improved the heat transfer efficiency , the losses caused in heat radiation are relatively great. As to the experimental operating mode of larger velocity

6、 of flow, steady time of the text is relatively short. The steady time of with the porous media is a large difference form the operating mode of without the porous media, the biggest one can be up to about 30 minutes.To the same velocity of flow, with the rising of temperature, press also rise, for

7、flow resistance increase. It may be in the course of heating, the air swells , make the air current while managing increase, and cause flow resistance increase . Usually there are only about 20Pa of changes in the velocity of flow smaller 0.15m/s； In the velocity of flow bigger 0.25m/s, the change o

8、f the pressure, for about 60pa. Though the velocity of flow is only difference 0.1m/s.Because of my own ability、test conditions and time, and many other reasons , the paper has the insufficiency in many aspects , and it need to be more in-depth research.Keywords ： air heater ；cellular ceramics； conv

9、ection heat transfer； speed of rising of temperature； steady time；heat transfer efficiency目 次 1 引言61.1 课题研究背景61.1.1 世界能源概况61.1.2 我国能源概况61.1.3 能源对经济发展的影响61.2 课题研究现状71.3 多孔介质简介81.4 多孔介质传热特性及研究现状 101.5 本课题研究任务 121.5.1 需要研究的问题 121.5.2 本设计的内容及方法 122 实验台的搭建132.1 加热器的设计 132.2 试验设备的选型及要求 142.3 试验台的搭建153 试验部

10、分 173.1 试验所涉及到的数据 173.2 试验过程 183.3 试验数据图表 184 试验数据分析 234.1 泡沫陶瓷对空气加热器性能的影响 234.2 空气加热器的效率计算 254.3 稳定时间分析 274.4 升温速率分析 284.5 压差分析 294.6 试验不足及进一步设想 29结论 31致谢 32参考文献 331 引言11 课题研究背景1.1.1 世界能源概况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

11、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。1.1.2 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

12、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

13、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。1.1.3 能源对经济发展的影响第一，能源“短缺”对经济发展的影响。能源消耗与经济发展密切相关。在我国，生产力发展比较落后，能源生产粗放，单位GDP增长的能耗远远大于发达国家。经济的不断发展，要求有源源不断的能源供给。结合我国能源国情，我国能源开采量及布局严重制约着经济的发展。一方面，能源开采量的增加速率远远不能满足发展对能源的需求，因此，近几年，曾几次出现严重的能源供给不足现象，影响了经济的发展和人民的正常生产生活 ；另一方面，从能源布局来看，发达地区能源严重匮乏，其经济

14、发展所需能源大部分来自西北、西南和华北地区，在能源的输送过程中，增加了能源消耗和成本，也制约了经济的发展。第二，能源消耗造成的环境污染间接导致经济损失。根据不同研究机构的研究成果，不同时期中国大气污染造成的经济损失较严重。这些估算是不完全的，就目前的研究成果很难给出的。能源是人类社会和经济发展的物质基础，然而，自然资源并非取之不尽，用之不竭，不断开发新能源，开发可再生能源，提高能源利用效率，将对缓解能源短缺起到重要作用 ；同时，能源、环境与经济有着复杂的关系 ；源消耗与环境污染并存、能源短缺制约经济发展、环境污染造成重大经济损失，这种现象在我国尤为突出。因此，处理好能源利用、环境保护和经济发展

15、的关系是实现可持续发展的重要战略，关系到人类的生存和发展。12 课题研究现状目前，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

16、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。13 多孔介质简介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。

17、 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

18、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。自1978年美国发明了利用氧化铝、高岭土之类陶瓷料浆研制成功泡沫陶瓷用于铝合金铸造过滤。从此生产工艺日益先进，技术装备越来越向机械化、自动化发展，已研制出多种材质、适合于不同用途的泡沫陶瓷过滤器，如Al2O3、ZrO2、SiC、SiN等高温泡沫陶瓷。目前世界上生产泡沫塑料前驱休，采用浸渍辊压形成机成行，坯体为微波干燥，高温辊道窑采用计算机监控连续烧成，检测及封装也均机械化，整个生产工艺达到了很高的技术。多孔介质的固体骨架结构有各种不同的具体形式， 如: 颗粒堆积床、烧结金属粉末、打过筛孔的挡板、毛毡滤芯、纤

19、维膨化结构构件以及由高分子材料或陶瓷材料做成的可渗透的镀层等。这些结构的孔隙通道都具有弯曲性、无定向性和随机性特点， 这使得多孔结构中的流动过程非常复杂。除在流速很低的情况外， 其中流动多不是层流。流体质点在多孔介质中不停地发生搀混和分离， 流速的大小和方向也在不停地改变， 这使得流体的流动阻力大幅度增加， 从层流到紊流的流态转变也大大提前。多孔结构中的传热过程也因多孔介质的结构特点而十分复杂， 它是由固体骨架内部和空隙中流体内部的导热、二者间的对流换热和辐射换热等组成的耦合传热过程。如果多孔结构中流体发生相变， 那么传热过程将更为复杂。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

20、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CELucke12 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

21、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

22、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。14 多孔介质传热特征及研究现状弥散效应的存在是多孔介质传热和流动的主要特征。流体在多孔介质中流动的一个很重要特点就是弥散效应的存在。当流体在多孔介质中流动时，示踪剂(可溶解于流体中的显示流体质点运动轨迹的物质)会逐渐传播并不断占据越来越大的流动区域，且超过了仅按平均流动所预计的占据区域，这种传播现象叫做多孔介质中的流体动力弥散。流体动力弥散是一个非稳定的不可逆过程，造成这种现象的原因有:作用于流体的外力、孔隙系统的复杂细观形状、由示踪剂浓度梯度所引起的分子扩散、流体密度和粘度等的变化对流动的影响、液固相间的相互作用等。在流体的动力弥散

23、现象中同时包含着两种基本的输运现象:对流和分子扩散。由于孔隙系统的复杂结构使流体细观通道的尺寸和形状随处各异，从而造成流体流动的速度分布在各个局部处都有所不同。流体在孔隙通道内不停地改变着流速的大小和方向，流体质点的搀混和分离也在时刻发生，表现为示踪剂的传播区域越来越大，这种输运现象就是机械弥散(或称对流扩散)现象。微观尺度的不均匀性(孔隙、颗粒的出现等)和流体在不同区域的渗透性差异是造成机械弥散的重要原因。作为动力弥散的另一类输运现象，分子扩散主要是由液相中示踪剂的浓度差异或液相中的势差(表现为温度梯度和压力梯度等的存在)引起的。在低速流的情况下，分子扩散在总弥散中所占的地位更加重要。由于热

24、弥散对多孔介质强化传热起着很大作用，因而人们在研究多孔介质受迫对流换热问题时，往往要综合考虑静态导热和热弥散作用。多孔介质的研究方法有理论分析、数值模拟和实验研究。理论研究方法可分为分子水平、微观水平和宏观水平三类， 其中宏观水平的研究方法较为常用。这是由于分子水平的研究对象是流体的分子运动， 所涉及的数学方程多且难于求解 ； 微观水平的研究方法将多孔介质中的固体骨架及其孔隙中的流体视为流体连续介质， 研究对象是流体质点或微元体， 但要把其中固体骨架边界微细结构处的传热和流动情况作为边界条件， 而对此的定量描述既困难又不准确的。宏观水平的研究方法也持连续介质的观点，取包含研究点在内的一个很小区

25、域(远小于整个流体区域， 但比单个孔隙空间大得多)为控制体(称作表征体元REV )， 在REV 上对流体参数和固体参数实行体积平均， 获得假想介质在REV 上的平均参数，进而分析其中的传热和流动过程。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. Gore17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：1. 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。2. 容积传

26、热系数随着样品厚度与孔径之比的减小而增大。3. 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。4. 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。在多孔介质的实际应用过程中。多孔介质所表现出来的综合传热的表观效果通常用等效导热系数来描述18。而在内部含有内热源时，多孔介质还有具有局部换热的特性19。当多孔介质在空气加热器中充当换热介质时，同时具有辐射和对流换热的特性。多孔介质的理论研究方法可分为分子水平、微观水平

27、和宏观水平三类， 其中宏观水平的研究方法较为常用。这是由于分子水平的研究对象是流体的分子运动， 所涉及的数学方程多且难于求解 ； 微观水平的研究方法将多孔介质中的固体骨架及其孔隙中的流体视为流体连续介质， 研究对象是流体质点或微元体， 但要把其中固体骨架边界微细结构处的传热和流动情况作为边界条件， 而对此的定量描述既困难又不准确的。宏观水平的研究方法也持连续介质的观点，取包含研究点在内的一个很小区域(远小于整个流体区域， 但比单个孔隙空间大得多)为控制体(称作表征体元REV )， 在REV 上对流体参数和固体参数实行体积平均， 获得假想介质在REV 上的平均参数，进而分析其中的传热和流动过程陈

28、永平和施明恒用分形理论研究了多孔介质的有效导热系数和渗透率 ； 徐世英等人对多孔介质中热对流二次分岔进行了数值分析， 得到了长宽比为 1 2 矩形区域内多孔介质中热对流二次分岔点的Ra 数及相应的流场和温度场 ；孔祥言和余敏用高阶差分法研究了在不同Ra 数下多孔介质中自然对流随时间进展的演化情况， 发现了混沌窗口和振发性现象。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

29、，温度和湿度梯度的耦合产生局部增湿现象。15 本课题研究任务1.5.1 需要研究的问题：1. 选取空气加热器的各项参数，并加以制造。2. 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。1.5.2 本设计的内容及方法：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21 加热器的

30、设计1.加热器中加热段的设计简图：保温层气体出口多孔介质电加热丝气体入口 图2.1 加热器加热段设计简图2.试验流程图：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3.加热器具体设计图：图2.3 加热器设计图空气经过空压机的压缩产生了细小的水滴并携带有油滴，要除去这些水和油，需要先经过一个冷却装置，而后经过除水装置和除油装置。并通过减压器控制空气出口的压力，保证压力在0.25-0.3MP之间以达到质量流量计的要求。再使空气经过干燥装置进一步除掉水。流过控制器后达到要求的流量。而后进入试验段，空气进入加热器加热，其功率的控制用

31、调压器来控制，并且测量从冷态开始直至达到稳定这一时间段内进出口温度和压力的变化情况。22 试验设备的选型及要求表2.1 试验仪器名称数量型号备注空气压缩机110MP设备有些喷油冷却装置11MP电控制自动调压除水装置11MP电控制自动调压除油装置11MP电控制自动调压减压器10-1MP防震干燥剂容器10.3MP玻璃钢，法兰连接质量流量控制器1必须保证空气干燥，压降损失较大，控制精确空气加热器筒体1较重电加热丝2220V功率W=2500J/S陶瓷支架1需耐高温热电偶2K测温范围为01023U型管1范围为05000Pa电流表215A测量范围015A电压表2300V测量范围0300V调压器20220V

32、保温材料材料为硅酸铝交流接触器2220V 10A玻璃棉泡沫陶瓷PPC=10密封硅胶1气动管08MP23 试验台的搭建由于连接管采用的是气动管所以采用气动接头如两通三通等拔插较方便。其电路连接情况如图：图2.4 实验台电路控制图 图2.5 空气压缩机和除油除水装置图2.6 U型管和质量流量计图2.7 空气加热器（一）空气加热器的组装：此次设计的空气加热器由四个部分组成，即气流稳定段、前测量段、加热段、和出口段四部分，各个部分采用法兰连接，法兰之间垫有耐高温的石棉垫圈。气流稳定段内部放有整流体，由于气流经过质量流量计后，用细管与加热器连接。气流很不规律，如果直接送入加热段，则有可能造成换热不均匀。

33、经过稳定段以后的气流流动比较规律。为了保证测量数据的准确性，减少热量的流失，加热器除了气流稳定段以外的三个部分都缠绕着保温玻璃棉。（二）试验电路的安装：由于试验使用的是高功率、大电流，所以在接线和调试的时候一定要小心。严禁带电操作。为了保证试验的安全，实验台布置了4条地线，防止突然漏电事故的发生。试验要求的电流较大，所以采用的380V转220V的接法，理论上这种接法存在不稳定因素，所以在试验过程中更应该注意自身安全。（三）测量仪器的安装：在加热段的前端和后端各有一个气压管，用软管一端与之连接，另一端连接在U型管的两端。用来测量实验时的加热段前后的压差大小，从而分析阻力的大小。在加热段的前后各有

34、一个孔，用来放置热电偶，用密封胶固定，测量加热器进口与出口的空气温度。3 试验部分31 试验所涉及到的数据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 mmt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/kgoC加热器效率32 试验过程试验是从冷态启动，因此必须保证管子两端的温度相等或者相差不大。

35、先用调压器调好功率，用质量流量控制器给定流量。在开始阶段由于温升很快，记录时间的间隔在开始阶段较小，前20分钟每隔2分中记录一次温度，20分钟之后每隔5分钟记录一次时间。为保证管子每次都是从冷态启动，必须在一组试验完成后，用冷空气吹很长时间使之冷却。所以一次试验的时间较长，大概3到4个小时。试验采用了二个流速分别为0.15m/s，0.25m/s；三个功率分别为1000W，1500W，2000W；两种对比试验分别为光管和泡沫陶瓷（PPC=10）。采用不同的组合来测定添加了泡沫陶瓷片之后对加热器热效率的影响。从试验的结果我们可以明显的看出添加了泡沫陶瓷片之后在相同的工况下出口温度变高，这也就意味着

36、陶瓷片的加入强化的换热。但是在强化换热的同时流动的阻力也增加了。由于流速与阻力的平方是成正比的关系，所以随着流速的增加压降增加很快。在试验中采用的原材料是泡沫陶瓷板，经过一系列的加工使之成型，能很好的布置在加热器中。33 试验数据图表以下是对各种工况的汇总情况：1. 光管工况，即空气加热器中没有添加泡沫陶瓷时的工作状态，此时记录的试验数据用来和添加泡沫陶瓷后的试验数据做对比，研究加热器性能的提升。图3.1 光管加热空气温度变化，P=1000W，v0.15Nm/s图3.2 光管加热空气温度变化，P=1000W，v0.25Nm/s图3.3 光管加热空气温度变化，P=1500W，v0.15Nm/s图

37、3.4 光管加热空气温度变化，P=1500W，v0.25Nm/s图3.5 光管加热空气温度变化，P=2000W，v0.15Nm/s图3.6 光管加热空气温度变化，P=2000W，v0.25Nm/s2.添加泡沫陶瓷后的工况：图3.7泡沫陶瓷(PPC=10)加热空气温度变化，P=1000W，v0.15Nm/s图3.8泡沫陶瓷(PPC=10)加热空气温度变化，P=1000W，v0.25Nm/s图3.9泡沫陶瓷(PPC=10)加热空气温度变化，P=1500W，v0.15Nm/s图3.10泡沫陶瓷(PPC=10)加热空气温度变化，P=1500W，v0.25Nm/s图3.11泡沫陶瓷(PPC=10)加热空

38、气温度变化，P=2000W，v0.15Nm/s图3.12泡沫陶瓷(PPC=10)加热空气温度变化，P=2000W，v0.25Nm/s由以上的图可以看出空气入口温度总是有一定程度的升高，但是变化并不是很大，通常只有几度的变化；出口温度升高梯度开始很大，后逐渐变小，最后趋近于0，达到稳定的状态。开始时温升较慢，这是因为空气自入口进入加热管之后，虽然也被加热，但是由于是冷态启动，空气又将所携带的热量给了管壁以及周围的环境，因此温升较慢 ；在试验的后段，管子也被加热到一定的温度，空气对管子及周围环境之间的热量传递基本上达到平衡状态，因此温度变化较慢。最后，达到能量的平衡，温度达到定值不再变 。对于流速

39、较大的试验工况，试验达到稳定的时间更短。其原因是流速大，加热管内流体平均温度低，使得换热温差较大，同时，流速大使加热管内湍流程度加大，有利于热量的传递，因此更容易达到平衡状态。4 试验数据分析41 泡沫陶瓷对空气加热器性能的影响由于试验设备的限制，只做了两个流量的试验，也就是说做了两个流速。以下是对光管和添加多孔介质后两种工况下的比较：图4.1 光管与泡沫陶瓷加热空气温度变化对比，P=1000W，v0.15Nm/s图4.2 光管与泡沫陶瓷加热空气温度变化对比，P=1000W，v0.25Nm/s图4.3 光管与泡沫陶瓷加热空气温度变化对比，P=1500W，v0.15Nm/s图4.4 光管与泡沫陶

40、瓷加热空气温度变化对比，P=1500W，v0.25Nm/s图4.5 光管与泡沫陶瓷加热空气温度变化对比，P=2000W，v0.15Nm/s图4.6 光管与泡沫陶瓷加热空气温度变化对比，P=2000W，v0.25Nm/s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：l 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。l 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。42 空气

41、加热器的效率计算1. 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 =0.00984704 m2 当v=0.15 m/s 时，每秒换热体积V1 =A*v=0.15*0.00984704 =0.001477056 m3 空气的比容 空气的密度 =1.2kg/m3 空气升温所吸收的热量 则空气加热器的效率： 计算当W=1000 J/s，v=0.15 m/s时，多孔介质空气加热器的换热效率 =0.3753242. 根据上述计算步骤，计算其他工况下的换热效率如下表：光管功率W(J/s)流速V（m/s）1000150020000.150.2933730.2746150.250

42、7050.250.4167500.3856310.317203多孔介质功率W(J/s)流速V（m/s）1000150020000.150.3753240.3311680.3102570.250.5335450.4681300.420113A) 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。B) 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。C) 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。43 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