冷噴涂用高溫高壓加熱器的設計研究

王 好，宋曉峰，王世剛，陳佳玲

(湖南爍科熱工智能裝備有限公司，湖南 長沙 410011)

冷噴涂技術(shù)是一項發(fā)展迅速的工業(yè)表面噴涂技術(shù)，具有其他表面噴涂技術(shù)不可替代的優(yōu)點，擁有廣闊的應用前景。加熱器作為冷噴涂技術(shù)中的關鍵設備之一，作用是在短時間內(nèi)將高壓低溫工藝氣體加熱到預定溫度的高壓高溫氣體。受某公司委托，本文運用理論計算與局部仿真驗證的方法為其開發(fā)一款針對特定工藝的冷噴涂用加熱器。

1 設計依據(jù)

氣體加熱器用于加熱流量為G的工作氣體，使其達到需要的溫度。加熱器須滿足以下要求：

(1)制造簡單，運行可靠及方便；

(2)不會給氣體管線造成明顯的流體阻力；

(3)具有最小尺寸，在這種情況下不會有高應力組件。

研制加熱器的主要原理為，選擇一定數(shù)量、一定長度和直徑的換熱管，將空氣加熱到給定溫度。加熱器的設計基于以下條件和設想：

(1)最高加熱溫度等于選擇溫度：

ΔThmax=(Thex-Thin)max

(1)

式中：Thin為加熱元件入口氣體溫度，℃；Thex為加熱元件出口氣體溫度，℃。

(2)管子表面(首先在加熱器出口)的加熱溫度不得超過加熱元件材料結(jié)構(gòu)強度規(guī)定的溫度：

Twex-Thex≤ΔT=(材料溫度-設定溫度)

(2)

式中：Twex為加熱元件內(nèi)表面溫度，℃。

(3)要從管壁向氣體傳熱，必須保證管內(nèi)氣流的紊流工況，則有

Reh≥104(旺盛湍流)[1]

(3)

式中：Reh為管內(nèi)氣體流動的雷諾數(shù)。

(4)應保證加熱器的流體阻力△ph(壓損)很小，對于冷噴涂用加熱器可取△ph<0.1 MPa。

(5)最后一個必備條件為加熱元件的總通流截面，至少應比噴嘴臨界截面大一倍，即為

(4)

式中：Scr為噴嘴臨界截面面積,m2。

2 理論推導

2.1 熱傳遞時的功率守恒定律

加熱器的所需最大功率反應為氣體流量、氣體最大加熱溫度及氣體比熱容ср，有

Ph=Ghcp(Thex-Thin)

(5)

式中：cp為管內(nèi)氣體流動的比熱容，kJ/(kg·K)；Gh為氣體流量，kg/s。

假設功率與管子單位長度的傳熱一樣，得到

(6)

(7)

式中：Lh為加熱元件長度，m；k為傳熱系數(shù)，W/m2·K。

當Reh≥2 300時，空氣的努塞爾數(shù)按公式Nu≈ 0.021Re0.8計算。空氣導熱系數(shù)λ按公式λ≈ 1.53× 103μ計算,μ為管內(nèi)氣體運動黏度，kg/(m·s)。

空氣動力黏度μ與溫度之間的關系參照Sutherland[3]定律形式重新擬合：

(0～1 100 ℃)

(8)

代入后，由式(6)可得：

(9)

2.2 加熱元件表面的溫度條件

根據(jù)表達式(9)，表達式(2)可寫為

(10)

2.3 雷諾數(shù)條件

由式(3)分析準則數(shù)Reh≥ 104，得到

(11)

式中：ρh為管內(nèi)氣體密度，kg/m3；uh為管內(nèi)氣體速度，m/s ；dh為管內(nèi)直徑，m ；Nh為加熱元件(管子)數(shù)量。

2.4 流體阻力條件

流體阻力損失包含沿程阻力損失和局部阻力損失兩部分。

1)沿程阻力損失

管內(nèi)流體的沿程阻力損失按達西公式推導可得[4]

(12)

λf為沿程損失系數(shù)，依據(jù)經(jīng)驗0.001≤Δ/d=0.02，當Reh≥104時,由莫迪圖可得0.012≤λf≤0.052。為管道絕對粗糙度。

2)局部阻力損失

對于所研究對象局部阻力有入口阻力和出口阻力兩部分組成，其大小可表示為

(13)

(14)

與表達式(12)相比，Δpin、Δpex?Δph可以忽略不計。

將全部參數(shù)代入表達式(12)，進行計算后得到

(15)

因Δph≤0.1 MPa，可得

(16)

2.5 通流截面條件

噴嘴喉部截面積[3]：

(17)

(18)

由于d≥1 mm，N隨d的增加而減小，當d=1 mm時，N>7.55，所以N≥8當時，此條件可以不予考慮。

3 設計計算

依據(jù)某公司工藝要求：空氣流量為1.5 m3/min(常溫、常壓)，供氣壓力為7.5 MPa，管路設有減壓裝置，加熱器入口為1/2寸圓管，加熱器內(nèi)壓力為5 MPa，溫度為1 100 ℃，加熱元件選用瑞典進口康泰爾工業(yè)爐用加熱元件，材質(zhì)最高使用溫度1 400 ℃。設計加熱器結(jié)構(gòu)需滿足以上條件。

3.1 功率計算

流量換算(標況):v0=1.5 m3/min=0.025 m3/s，ρ0=1.293 kg/m3(查表)。

質(zhì)量流量：m=vρ=0.032 325 kg/s。

5 MPa，1 100 ℃時空氣：Cp1=1.154 kJ/(kg·K) ，ρ1=12.521 kg/m3(查表)。

則單位時間內(nèi)空氣從0～1 100 ℃需要的熱量：

P1=41.1 kW

假如熱損耗擬定20%，發(fā)熱絲實際功率P2=P1×1.2=41.1×1.2=49.32 kW。

3.2 準數(shù)相容性分析

針對已知條件，由式(10)、式(11)、式(16)可推導出：

客戶要求加熱器長度Lh≈1 m，取L=1 m時，Nh和dh的取值范圍如圖1所示，在此范圍內(nèi)，所設計的加熱器同時滿足表達式的條件(Gh= 0.032 325 kg/s，Lh= 1 m)。

圖1 氣體加熱器Nh和dh值的允許范圍

由圖1可知:dmax=5 mm，21

對于管內(nèi)湍流傳熱，流體被加熱時：Nu=0.023Re0.8Pr0.4

壓力為5 MPa，1 100 ℃時：Pr1=0.76Pr10.4=0.896；壓力為5 MPa，0 ℃時：Pr2=0.763Pr20.4=0.897，可見Pr10.4≈Pr20.4，故Nu可近似看做是關于Re的單調(diào)增函數(shù)(Pr20.4取平均值0.894)。

可見h隨支管數(shù)量N的增加而減小。因此，在滿足性能要求的前提下，加熱器支管的數(shù)量越少，熱利用率越高。

3.3 表面負荷校驗

取管徑為5mm，支管為48根，長度為1 000 mm，計算可得1 100 ℃時，表面負荷W=P2/S=49.32 kW/7 539 cm2=6.542 W/cm2。

由圖2中康泰爾工業(yè)爐用電熱合金的性能曲線(見圖2中a號曲線)可知，電爐溫度1 100 ℃時，表面負荷最高值為5.5 W/cm2。

圖2 加熱元件許用表面負荷

計算出的表面負荷6.542 W/ cm2>5.5 W/cm2，因此，用管徑5 mm，48根支管，1 000 mm長的發(fā)熱絲設計不合理。

增加加熱器長度，當L=1.2m時，Nh和dh的取值范圍如圖3所示。

圖3 氣體加熱器Nh和dh值的允許范圍

由圖3可知:dmax=7 mm，N=34；d=6 mm， 17

當取管徑為6 mm，支管為40根，長度為1 200 mm，計算可得1 100 ℃時，表面負荷W=P2/S=49.32 kW/7 539 cm2=5.45 W/cm2<5.5 W/ cm2，滿足要求。

4 仿真驗證

采用Fluent軟件對單根支管加熱能力進行仿真計算，參考壓力調(diào)整為5 MPa，空氣物性參數(shù)設定為5 MPa時對應的數(shù)值，按照加熱器設計流量入口邊界設定為速度邊界為0.494 m/s，出口邊界設定為壓力出口邊界0 Pa。因研究對象僅為加熱管內(nèi)部流體，排出熱量耗散，壁面給定有效熱流密度為4.54 kW/m2。仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 支管內(nèi)部氣體溫度分布圖

圖5 出口位置氣體溫度分布圖

由仿真結(jié)果易見，預定的空氣流量在經(jīng)過給定功率的加熱器支管壁面加熱后在出口位置溫度能夠達到規(guī)定溫度1 100 ℃，因此所設計加熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)可以達到設定的技術(shù)指標，滿足客戶需求。

5 結(jié) 論

(1)對于高溫高壓冷噴涂加熱器在設計時要綜合考慮材料性能、管內(nèi)流動狀態(tài)、阻力損失以及流通截面五個因素的影響；

(2)為避免加熱器長度過長，同時考慮材料性能，取絲徑d=6 mm的，支管數(shù)N=40，加熱器長度L=1 200 mm；

(3)設計研究了高溫高壓冷噴涂加熱器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，后續(xù)如何保證氣流均勻地分布在每根支管并使加熱支管的機械性能滿足高壓工作環(huán)境是具體結(jié)構(gòu)設計的重點和難點。