可變溫?zé)犸L(fēng)源裝置的研制

朱楠，李小寧

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

許多場合需要流量可調(diào)、溫度可控的熱氣流作為工作氣流，例如干衣機(jī)或洗干一體機(jī)研發(fā)過程中的模擬測試。因此，針對此需求開發(fā)出一種流量可調(diào)、溫度可控的熱風(fēng)源裝置是具有實(shí)際研究應(yīng)用價值的。某洗衣機(jī)企業(yè)對該裝置的主要技術(shù)要求是：加熱溫度可以人工設(shè)定、自動調(diào)節(jié)，出口氣流的溫度調(diào)節(jié)范圍為25 ℃～80 ℃，溫度調(diào)節(jié)的偏差在±1 ℃內(nèi)；流量調(diào)節(jié)范圍為40～80 m3/h；整個裝置盡量小型化。根據(jù)實(shí)際技術(shù)要求，研發(fā)了一種電加熱方式的熱風(fēng)源裝置。

1 可變溫?zé)犸L(fēng)源裝置結(jié)構(gòu)

1.1 熱風(fēng)源裝置總體結(jié)構(gòu)

所研發(fā)的可變溫?zé)犸L(fēng)源裝置包括流量調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、加熱子系統(tǒng)、整流子系統(tǒng)、溫度檢測子系統(tǒng)、絕緣隔熱保護(hù)部件及控制箱，圖1為系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

工作時，氣體由壓縮氣源1產(chǎn)生，通過流量調(diào)節(jié)子系統(tǒng)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，再從入口6進(jìn)入熱風(fēng)源裝置的主體部分，分別經(jīng)過整流器子系統(tǒng)、加熱子系統(tǒng)以及溫度檢測子系統(tǒng)，經(jīng)過加熱后形成的熱氣流最終再從出口21流出。由加熱子系統(tǒng)和溫度檢測子系統(tǒng)內(nèi)分別引出加熱片電源線與熱電偶數(shù)據(jù)線至控制箱29內(nèi)，與控制器相連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度的閉環(huán)控制。熱風(fēng)源裝置的整體結(jié)構(gòu)長、寬、高尺寸為891×267×300 mm。

1—壓縮氣罐；2—過濾器；3—減壓閥；4—節(jié)流閥；5—流量傳感器；6—入口；7—前套筒；8—前段上支架；9—整流器；10—整流器外殼；11—絕緣隔熱左法蘭；12—電加熱片；13—主結(jié)構(gòu)管；14—保護(hù)管；15—定位螺釘；16—后套筒；17—后端上支架；18—保溫套墊板；19—熱電偶傳感器；20—尾部隔熱法蘭；21—出口；22—保溫套；23—傳感器固定件；24—絕緣隔熱右法蘭；25—后端下支架；26—加熱片外殼；27—絕緣保溫套；28—前段下支架；29—控制箱。圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 加熱子系統(tǒng)

1)結(jié)構(gòu)設(shè)計

加熱子系統(tǒng)是可變溫?zé)犸L(fēng)源裝置的關(guān)鍵子系統(tǒng)，圖2是加熱子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

1—絕緣保溫套；2—周向定位螺釘；3—主結(jié)構(gòu)管；4—電加熱片；5—加熱外殼。圖2 加熱子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

加熱子系統(tǒng)內(nèi)安裝有3組電加熱器，分別稱為組Ⅰ、組Ⅱ、組Ⅲ，3組電加熱器內(nèi)部加熱片的布置結(jié)構(gòu)各不相同。相鄰兩組電加熱器內(nèi)部電熱片采用了錯位的布置形式，此結(jié)構(gòu)形式能夠彌補(bǔ)前組電加熱器內(nèi)相鄰兩片加熱片中間部位溫度較低的情況，這樣使層流狀的氣體能夠被均勻地加熱，從而提高加熱的速度。

2)加熱片的參數(shù)選擇理論分析

由于加熱片的功率一般在單位面積內(nèi)為一定值，設(shè)加熱片在單位面積內(nèi)的功率為pi，熱風(fēng)源裝置達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)時的傳熱微分方程為

(1)

式中：a為氣體的熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；T為加熱片熱邊界層表面的溫度，℃；v為管內(nèi)流體的平均流速，m/s；σ為熱邊界層的厚度，m；c為空氣比熱容，kJ/(kg·K)；ρ為空氣密度，kg/m3。

經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可得熱風(fēng)源裝置的入口與出口的溫度差值為：

(2)

式中λ為氣體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·k)；

(3)

(4)

當(dāng)管內(nèi)氣體的流動狀態(tài)充分發(fā)展為穩(wěn)態(tài)時，熱邊界層厚度σ可以由下式[1]求得：

(5)

式中：Pr為空氣的普朗特數(shù)；Re為空氣的雷諾數(shù)；x為加熱片中心距管道入口的距離，m；R為管道的流道半徑，m。

將參數(shù)λ=0.026 24 W/(m·k)，v=6.91 m/s，a=2.23×10-5m2/s，Pr=0.691，Re=28 659，x=0.154 m，R=0.032 m分別帶入式(2)-式(5)中，可得

T(Δ)=8.95×10-3·pi

(6)

熱風(fēng)源裝置的最大工作溫度為80℃，裝置所處的最低環(huán)境溫度為10℃，考慮到低溫環(huán)境下熱量損耗和盡量縮短加熱時間的需要，在加熱片功率確定時要有充分的裕度。因此在選定加熱片功率時，將系統(tǒng)的最大功率確定為基本功率的2.5倍，將此值代入式(6)，可得 的值為21 229.1W/m2，以常用選型單位表示為2.122 9W/cm2。

圖3為熱風(fēng)源裝置在此加熱功率條件時，在最大流量、最低環(huán)境溫度下仿真分析所得的溫度分布情況。仿真表明在理論計算所得加熱片的加熱功率下，系統(tǒng)能夠達(dá)到所設(shè)定的溫度大小，且具有較快的溫升速率。

圖3 流量為80m3/h、環(huán)境溫度為10℃時出口的溫度分布云圖

1.3 整流子系統(tǒng)

由于氣源輸入接口的管徑通常比較小，而加熱裝置的管徑則比較大，因此加熱器入口形成了擴(kuò)散管結(jié)構(gòu)，氣體在擴(kuò)散管內(nèi)流動的流態(tài)不是理想的層流狀態(tài)。氣流會在管壁處形成逆流旋渦區(qū)，這不利于之后對于氣流的均勻加熱。一種最簡單的解決方案是在擴(kuò)散管段后讓氣流在截面形狀和大小不變的直管道內(nèi)穩(wěn)定地流過一定距離，但這會顯著增加裝置流道的長度。圖4為仿真分析的熱風(fēng)源裝置在無整流器時氣流達(dá)到層流狀態(tài)時所需的流道長度，表明其長度至少為120mm，這不利于小型化的要求。

圖4 流道長度為120mm時的速度矢量分布圖

另一種方法是在擴(kuò)散管段后增加一個整流結(jié)構(gòu)，以改善氣流進(jìn)入加熱區(qū)之前的流動狀態(tài)。所設(shè)計的整流器開孔方式采用矩形孔式，圖5為整流子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

1—入口；2—套筒；3—周向定位螺釘；4—整流器外殼；5—矩形整流器；6—O型密封圈。圖5 整流子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

圖6為具有整流器時的的速度矢量分布圖，可見長度為50mm的整流器就可以使氣流形成層流狀態(tài)，這能有效減小裝置的軸向長度。

圖6 整流器長度為50mm時的速度矢量分布圖

2 熱風(fēng)源裝置工作原理及控制策略

2.1 工作原理

可變溫?zé)犸L(fēng)源裝置的工作原理如圖7所示，系統(tǒng)由溫度傳感器、溫度變送器、5V/24V電源模塊、電加熱片、固態(tài)繼電器、STM32控制器、漏電保護(hù)開關(guān)、總開關(guān)、LCD顯示模塊、弱電控制開關(guān)等組成。

1—?dú)庠矗?—過濾器；3—減壓閥；4—節(jié)流閥；5—流量傳感器；6—裝置入口；7—整流器；8—電加熱片；9—溫度傳感器；10—裝置出口；11—控制箱。圖7 系統(tǒng)工作原理圖

系統(tǒng)工作原理如下：通過調(diào)節(jié)入口處節(jié)流閥4的開口大小來控制系統(tǒng)的流量值。出口附近設(shè)有一個熱電偶傳感器9，用于檢測出口橫截面的實(shí)時溫度值。傳感器測得的電壓值經(jīng)過溫度變送器，轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流信號，再發(fā)送至STM32內(nèi)，經(jīng)過內(nèi)部的AD模塊轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的數(shù)字量信號。經(jīng)過計算，可得出口橫截面內(nèi)的實(shí)測溫度值。STM32將實(shí)測的出口溫度值與預(yù)設(shè)溫度值進(jìn)行對比，通過模糊自整定PID算法，得到對應(yīng)的輸出量來控制固態(tài)繼電器的通斷，從而控制加熱片的平均功率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度的閉環(huán)控制。

2.2 可變溫?zé)犸L(fēng)源裝置控制策略研究

溫度控制系統(tǒng)是一種非線性、大滯后、時變的控制系統(tǒng)，且不同環(huán)境溫度以及不同工作狀態(tài)都會影響出口溫度的控制特性。因此，單獨(dú)采用固定參數(shù)的PID控制、模糊控制都無法達(dá)到滿意的控制效果，需將PID和模糊控制結(jié)合起來，采用模糊控制來自整定PID參數(shù)。此控制器將PID控制器的動態(tài)跟蹤品質(zhì)與模糊控制魯棒性強(qiáng)、超調(diào)小的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，它以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，可以滿足不同時刻的e和ec對PID參數(shù)自整定的要求[2-3]。圖8為系統(tǒng)的控制原理圖。

圖8 系統(tǒng)的控制原理圖

3 熱風(fēng)源裝置溫控試驗(yàn)結(jié)果與分析

分別在環(huán)境溫度為10℃、25℃條件下進(jìn)行試驗(yàn)，考察熱風(fēng)源裝置在極限工作條件下的溫控性能指標(biāo)，設(shè)定熱風(fēng)源裝置的溫度為80℃，流量分別為40m3/h、80m3/h。

圖9 不同環(huán)境溫度、工作流量條件下出口溫度的變化曲線

圖9即為熱風(fēng)源裝置在不同環(huán)境溫度、不同工作流量條件下出口溫度隨時間的變化曲線。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃、工作流量為40m3/h時，系統(tǒng)達(dá)到最大設(shè)定溫度80℃所用時間為80s，溫控精度在±0.4℃以內(nèi)。此時系統(tǒng)具有最大的超調(diào)量，但出口溫度波動較小，系統(tǒng)仍然具有較好的控制精度與穩(wěn)定性。當(dāng)環(huán)境溫度為10℃、工作流量為80m3/h時，系統(tǒng)達(dá)到最大設(shè)定溫度80℃所用時間為210s，溫控精度在±0.6℃以內(nèi)。此時系統(tǒng)的溫升速率最小，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所用時間相對較長，但出口溫度仍能在4min內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且具有較好的控制精度。

綜上所述，熱風(fēng)源裝置在控制精度以及響應(yīng)速度方面都具備了較好的控制性能，滿足技術(shù)要求的指標(biāo)，具有實(shí)際的應(yīng)用價值。

4 結(jié)語

本文研制的可變溫?zé)犸L(fēng)源裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、體積較小等特點(diǎn)，能夠通過LCD觸摸屏實(shí)時調(diào)節(jié)系統(tǒng)的預(yù)設(shè)溫度值，通過節(jié)流閥實(shí)時調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)定流量值。當(dāng)環(huán)境溫度為25℃、工作流量為40m3/h時，系統(tǒng)達(dá)到最大設(shè)定溫度80℃所用時間為80s，溫控精度在±0.4℃以內(nèi)。當(dāng)流量為80m3/h、環(huán)境溫度為10℃的條件下，達(dá)到最大設(shè)定溫度80℃的時間為210s，溫控精度在±0.6℃以內(nèi)。流量調(diào)節(jié)范圍、溫度設(shè)定范圍及溫控精度都達(dá)到了企業(yè)的實(shí)際需求，具有應(yīng)用價值。