邢震，孫杰，劉文盛，趙磊

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

0 引言

氣動(dòng)加熱現(xiàn)象在航空領(lǐng)域較為常見(jiàn)，是飛行器防護(hù)設(shè)計(jì)中需要避免的高溫問(wèn)題。但如果能夠?qū)⑵渖郎卦砑右岳茫涂梢詫?shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)加熱空氣的目的。氣動(dòng)加熱風(fēng)機(jī)就是一種成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，依靠氣動(dòng)加熱原理升溫的通風(fēng)裝置。它不依靠任何熱源就可以加熱空氣，比其他類(lèi)型熱風(fēng)機(jī)的加熱方式更加安全環(huán)保，并且非常適合物料烘干、建筑供暖、糧食干燥等領(lǐng)域，所以提高和改善氣動(dòng)加熱風(fēng)機(jī)的性能有著重要的意義。

對(duì)于熱風(fēng)機(jī)性能優(yōu)化的研究，具體包括整體效率[1]、總壓[2]和能量利用率[3-4]等多個(gè)方面。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，熱風(fēng)機(jī)在加熱方式方面可以分為太陽(yáng)能、電、煙氣幾大類(lèi)。在太陽(yáng)能加熱方面，很多學(xué)者通過(guò)改善結(jié)構(gòu)來(lái)提高性能，Singh[5]利用拱形吸收板來(lái)改善太陽(yáng)能空氣加熱器的熱工性能，觀察到在雷諾數(shù)高于10 000時(shí)，Nusselt數(shù)有明顯的提高。Jia等[6]提出了一種新型螺旋太陽(yáng)能空氣加熱器，對(duì)加熱器的集熱效率、風(fēng)量等性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能加熱器相比，這種太陽(yáng)能空氣加熱器具有更高的集熱效率。Kumar等[7]通過(guò)LCT方法實(shí)驗(yàn)研究了小翼型肋對(duì)太陽(yáng)能空氣加熱器表面的影響，結(jié)果表明，粗糙表面可以顯著提高太陽(yáng)能空氣加熱器系統(tǒng)的熱效率，熱效率最高為69%。在電加熱方面，研究重點(diǎn)在于節(jié)能方面，Wei等[8]開(kāi)發(fā)了一種新型家用電熱烘干機(jī)，提高了烘干機(jī)的工作效率且降低了21.5%的能耗。Seung等[9]對(duì)電加熱通風(fēng)干燥機(jī)的干燥機(jī)理進(jìn)行了分析，并將節(jié)能技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中。在煙氣加熱方面，研究較為均衡。Czaplicki等[10]研究了以煙氣為干燥介質(zhì)的新型沖擊氣流干燥機(jī)，證明在高水分煤和高煙氣流速條件下，沖擊氣流干燥機(jī)的性能最佳。Bachir等[11]將一種新型的基于吸附的熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)集成到燃?xì)飧稍餀C(jī)中，這種改進(jìn)使其比傳統(tǒng)燃?xì)馐礁稍餀C(jī)的能耗降低22%。此外，按運(yùn)行方式分類(lèi)，風(fēng)機(jī)可分為軸流式風(fēng)機(jī)、離心式風(fēng)機(jī)和混流式風(fēng)機(jī)，本文研究的熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行原理接近于離心風(fēng)機(jī)，那么可以通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)性能系數(shù)、幾何參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)來(lái)提高性能。Kim等[12]、Engin[13]、Velarde-suarez等[14]、Hariharan等[15]對(duì)風(fēng)機(jī)的葉頂間隙、隔舌幾何形狀、風(fēng)機(jī)外形等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，增強(qiáng)了風(fēng)機(jī)性能。Hariharan等[16]研究了一種具有平行壁蝸殼的離心風(fēng)機(jī)的性能，結(jié)果表明平行壁蝸殼比現(xiàn)有的矩形蝸殼效率更高。Zhou等[17]對(duì)前彎式離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了L=3 mm、θ=120°的進(jìn)氣噴嘴可以改善正彎離心風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)，提高風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能。Beena等[18]對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)壓比的影響及其相互關(guān)系進(jìn)行了參數(shù)化研究，使設(shè)計(jì)方式比工業(yè)設(shè)計(jì)具有更高的效率和流量。

通過(guò)對(duì)上述結(jié)果總結(jié)可知，各類(lèi)加熱方式的熱風(fēng)機(jī)都已經(jīng)得到了大量研究，最終目的大多是提高其加熱能力及流動(dòng)特性。然而目前關(guān)于熱風(fēng)機(jī)的研究較為系統(tǒng)化，基于氣動(dòng)加熱原理的熱風(fēng)機(jī)研究還未見(jiàn)報(bào)道。因此本文針對(duì)具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)加熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試不同進(jìn)口流量下風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，研究流量對(duì)風(fēng)機(jī)性能和加熱能力的影響。同時(shí)引入反映熱風(fēng)機(jī)性能的無(wú)量綱參數(shù)，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，分析不同流量下的流量系數(shù)、壓力系數(shù)、功率系數(shù)等各類(lèi)無(wú)量綱參數(shù)，繪制無(wú)量綱曲線，找到最佳比轉(zhuǎn)速，為以后的氣動(dòng)加熱風(fēng)機(jī)的應(yīng)用及性能提升奠定了基礎(chǔ)。

1 熱風(fēng)機(jī)試驗(yàn)研究

1.1 熱風(fēng)機(jī)組成及工作原理

熱風(fēng)機(jī)主要由調(diào)風(fēng)板、空氣倉(cāng)、整流罩、葉片、蝸殼和出風(fēng)口組成。其中葉片采用圓弧型葉片共16個(gè)，且葉片末端開(kāi)孔，內(nèi)部為空心，采用此形態(tài)葉片的原因是：1）增大葉片載荷，減小轉(zhuǎn)矩，減少運(yùn)行消耗；2）避免葉片內(nèi)外溫度及壓力差過(guò)高，造成材料變形等現(xiàn)象。葉片蝸殼外圈流道設(shè)置了一圈摩擦盒，提高邊界層粗糙度，用于擾動(dòng)氣流，帶動(dòng)空氣摩擦。風(fēng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)，整體裝配如圖1所示。

圖1 熱風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)裝配圖

主要工作原理為：由三相異步電動(dòng)機(jī)直接拖動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為葉輪動(dòng)能形式。葉輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將外界冷空氣從進(jìn)風(fēng)口卷入，冷風(fēng)在風(fēng)機(jī)空氣倉(cāng)內(nèi)被高速旋轉(zhuǎn)的葉片帶動(dòng)，受到強(qiáng)烈的壓縮，同時(shí)與葉片表面產(chǎn)生摩擦，溫度得到提升。與此同時(shí)，風(fēng)機(jī)內(nèi)部流道的摩擦盒會(huì)阻止外側(cè)氣流的流動(dòng)，高速氣流經(jīng)過(guò)腔體時(shí)，由于物面對(duì)氣體強(qiáng)烈的壓縮摩擦，在邊界層內(nèi)氣流損失的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使邊界層內(nèi)氣流溫度上升，并對(duì)蝸殼加熱，這也會(huì)導(dǎo)致外側(cè)氣流與葉片附近氣流產(chǎn)生較大速度差，產(chǎn)生高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在壓縮和摩擦的同時(shí)做功，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)加熱。葉片組合和內(nèi)部流道如圖2和圖3所示。產(chǎn)生的熱風(fēng)由出風(fēng)口流出。在風(fēng)機(jī)殼體內(nèi)部設(shè)有整流罩，以循環(huán)加熱后的氣體，可以通過(guò)調(diào)風(fēng)板調(diào)節(jié)空氣進(jìn)氣量。

圖2 熱風(fēng)機(jī)葉片組合實(shí)體圖

圖3 熱風(fēng)機(jī)內(nèi)部流道實(shí)體圖

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹

儀器準(zhǔn)備：氣動(dòng)加熱風(fēng)機(jī)、13 kW三相異步電動(dòng)機(jī)、交流配電柜1臺(tái)、連接電線、多功能測(cè)量檢測(cè)儀1臺(tái)和測(cè)溫傳感器1臺(tái)。其中測(cè)溫儀器可直接通過(guò)探頭接觸出口來(lái)測(cè)量風(fēng)溫。多功能檢測(cè)儀由皮托管、金屬探頭和顯示儀構(gòu)成，多功能檢測(cè)儀可以同時(shí)測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)壓和流速。在測(cè)量過(guò)程中，金屬探頭與顯示儀通過(guò)皮托管正負(fù)兩端均相連時(shí)，可測(cè)出風(fēng)機(jī)的風(fēng)速、流量和動(dòng)壓；只連接正端時(shí)，可測(cè)全壓。交流配電柜主要由電壓表（0～450 V）、電流表（0～150 A）、漏電開(kāi)關(guān)、缺相保護(hù)和啟動(dòng)按鈕組成，如圖4所示。

圖4 交流配電柜

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

首先安裝好氣動(dòng)加熱風(fēng)機(jī)和13 kW三相異步電動(dòng)機(jī)，用電線連接電動(dòng)機(jī)與配電柜，連接好L型皮托管與顯示儀器，測(cè)出熱風(fēng)機(jī)出風(fēng)口橫截面直徑為0.13 m，將此數(shù)值輸入多功能測(cè)量檢測(cè)儀，用測(cè)溫傳感器測(cè)出此時(shí)實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)溫度為22.4 ℃，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2930 r/min。將多功能檢測(cè)儀探頭插入，測(cè)溫傳感器提前布置在出風(fēng)口，開(kāi)啟配電柜電源，啟動(dòng)氣動(dòng)加熱熱風(fēng)機(jī)，開(kāi)始測(cè)量。數(shù)據(jù)的記錄方式為：為了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，每隔2 min記錄1次壓力、出口溫度數(shù)值。調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)板，改變風(fēng)量，記錄流量為9、8、7、6、5 m3/min時(shí)的性能參數(shù)。數(shù)據(jù)記錄表格如表1、表2所示。

表1 不同流量的靜壓變化 Pa

表2 不同流量的溫度變化 ℃

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 繪制性能曲線圖

根據(jù)表1可以得出壓力變化圖，如圖5所示。由圖5可知，在熱風(fēng)機(jī)流量逐漸增大的過(guò)程中：壓力在6 m3/min之前的減小幅度較小，曲線較為平穩(wěn)，當(dāng)繼續(xù)增大流量時(shí)，其壓力會(huì)出現(xiàn)大幅度下降，并且隨著流量的增大，壓力越來(lái)越??；當(dāng)流量為5 m3/min時(shí)，風(fēng)機(jī)的壓力最大。根據(jù)表2可以得出溫度變化圖，如圖6所示。由圖6可知，在更改流量的過(guò)程中，熱風(fēng)機(jī)的流量越小，其升溫速率越快，當(dāng)流量為5 m3/min時(shí)出現(xiàn)最高溫度98.5 ℃；隨著流量越來(lái)越大，制熱能力會(huì)越來(lái)越弱。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)部分制熱能力要依靠腔體內(nèi)的負(fù)壓狀態(tài)，流量增大的同時(shí)，會(huì)使風(fēng)機(jī)內(nèi)部壓力降低，所以溫度會(huì)降低。

圖5 不同進(jìn)口流量下的壓力變化

圖6 不同進(jìn)口流量下的溫度變化

2.2 熱風(fēng)機(jī)參數(shù)計(jì)算

全壓效率是指由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)且不考慮各項(xiàng)損失的情況下轉(zhuǎn)化給風(fēng)機(jī)全壓有效能的大小，計(jì)算公式[19]為

式中：Ne為有效功率，Ns為風(fēng)機(jī)軸功率。

靜壓效率是指在不考慮電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)損失的前提下，在電動(dòng)驅(qū)動(dòng)下的有用功轉(zhuǎn)化給風(fēng)機(jī)靜壓有效能量的多少，計(jì)算公式[19]為

式中：Pst為靜壓，Q為實(shí)際流量。

根據(jù)上述公式及實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄可得表3。由表3可知，流量越小，風(fēng)機(jī)的壓力及效率就越大，觀察各項(xiàng)效率可知，在流量為6 m3/min時(shí)流量與壓力達(dá)到最佳的狀態(tài)，更適合風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

表3 不同流量下的各類(lèi)參數(shù)

3 無(wú)量綱參數(shù)研究

風(fēng)機(jī)的無(wú)量綱參數(shù)[19]是風(fēng)機(jī)十分關(guān)鍵的特性參數(shù)。對(duì)于相同系列的風(fēng)機(jī)，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的無(wú)量綱參數(shù)相同。因此，這些參數(shù)對(duì)應(yīng)著風(fēng)機(jī)的性能，屬于風(fēng)機(jī)的特性值。這種無(wú)量綱參數(shù)之間的相關(guān)性也可以通過(guò)繪制曲線來(lái)表示，即無(wú)量綱參數(shù)的曲線圖或無(wú)量綱特性曲線圖。

熱風(fēng)機(jī)的流量系數(shù)[20]可用φ表示，用來(lái)描述熱風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)卷吸氣體的流量與葉輪的輪軸速度之間的關(guān)系，計(jì)算公式[19]為

式中：Qv為風(fēng)機(jī)的體積流量，m3/s；D2為風(fēng)機(jī)的葉輪外緣直徑，m；u2為葉輪外緣圓周速度，m/s。

全壓系數(shù)用ψt表示，用來(lái)描述熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)氣體的全壓與葉輪的輪軸速度之間的關(guān)系，計(jì)算公式[19]為

式中：Ptf為通風(fēng)機(jī)的全壓，Pa；ρ為流體密度；u2為葉輪外緣圓周速度，m/s。

功率系數(shù)可用λ來(lái)表示，用來(lái)描述風(fēng)機(jī)靜壓與葉輪的輪軸速度之前的關(guān)系，計(jì)算公式[19]為

根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，可得到風(fēng)機(jī)的幾個(gè)特性無(wú)量綱參數(shù)，如表4所示。其中，葉輪外緣輪周速度u2的計(jì)算公式為

氣動(dòng)加熱風(fēng)機(jī)的葉輪直徑D2=1.9 m，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=2930 r/min，代入式（6），可得u2=4.9 m/s。

根據(jù)各無(wú)量綱數(shù)可畫(huà)出圖7所示的無(wú)量綱曲線。從圖7（a）中可以看出，隨著熱風(fēng)機(jī)流量的不斷增加，其流量系數(shù)逐漸增大，流量為9 m3/min時(shí)的流量系數(shù)為0.012；在圖7（b）中，隨著流量的增加，功率系數(shù)先小幅度增加，8 m3/min時(shí)有所下降，9 m3/min時(shí)達(dá)到頂峰，此時(shí)功率系數(shù)為0.711；在圖7（c）、圖7（d）中全壓系數(shù)及靜壓系數(shù)隨著流量的增大而減小，流量為5 m3/min時(shí)的全壓系數(shù)為15.41，靜壓系數(shù)為10.857，6 m3/min與5 m3/min的靜壓系數(shù)和全壓系數(shù)相差較??；圖7（e）中比轉(zhuǎn)速隨著流量的增大而逐漸增大，在6 m3/min左右存在小幅度降低，在流量為9 m3/min時(shí)出現(xiàn)最大值。值得一提的是，與其他流量相比，在流量為6 m3/min時(shí)的各無(wú)量綱數(shù)更為平衡。

圖7 熱風(fēng)機(jī)無(wú)量綱曲線圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)改變進(jìn)口流量，對(duì)具有特殊結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)加熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)引入無(wú)量綱參數(shù)進(jìn)行了分析。研究得出以下結(jié)論：1）在測(cè)量范圍內(nèi)，當(dāng)進(jìn)口流量減小時(shí)，風(fēng)機(jī)的制熱能力隨之增強(qiáng)，壓力也隨之增大，但流量過(guò)小對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行不利。在6 m3/min時(shí)該氣動(dòng)加熱風(fēng)機(jī)的制熱與流動(dòng)特性最為平衡，在該流量下，熱風(fēng)機(jī)溫度較高，風(fēng)機(jī)制熱能力較強(qiáng)。2）隨著熱風(fēng)機(jī)的流量不斷增加，其流量系數(shù)、功率系數(shù)等各無(wú)量綱參數(shù)逐漸增大，流量為9 m3/min時(shí)，功率系數(shù)為0.711；全壓系數(shù)及靜壓系數(shù)隨著流量的增大而減小，流量為5 m3/min時(shí)的全壓系數(shù)為15.41，靜壓系數(shù)為10.857；比轉(zhuǎn)速隨著流量的增大而逐漸增大，其最大值出現(xiàn)在流量為9 m3/min時(shí)。