气体加热器设计计算和仿真
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设计一台气体加热器，采用恒温炉作为热源，设计输入如下： 质量流量2.68kg/h，进口温度25℃，出口温度450℃，加热功率918W。以介质平均温度为定性温度，该温度下的物性参数：密度为0.4194kg/m3，粘度为1.7258×10-5Pa.s，比热为2896.8J/kg℃，导热系数为0.0694W/m℃，普朗特数为0.72。
由于热源为恒温炉，在计算换热面积时，先假定换热管壁面为恒温，该温度由壁面和炉膛壁面的辐射和对流传热情况确定，并作为恒温炉的设计输入之一。管子内的努塞尔数采用以下方法计算：当流动为层流时，由Seider Tate公式计算。 当流动为过渡或湍流时，由Gnielinski公式计算。 需要说明的是为了简化计算，壁面温度引起的粘度修正暂不考虑。 管子外径φ20mm，内径φ17mm，壁厚1.5mm
恒壁温500℃条件下，内径Φ17mm，外径Φ20mm，长度为2.4m的不锈钢管子，CFD计算结果如下表： 管内介质的温度随流动方向上的变化如下图，显示出介质被逐渐加热的趋势。 辐射边界条件下，管外壁发射率0.7，炉膛温度600℃，内径Φ17mm，外径Φ20mm，长度为2.4m的不锈钢管子，CFD计算结果如下表： 管子内外壁温度随长度方向的变化如下图，综上可知，管外壁发射率0.7时，炉膛温度建议不低于600℃。
采用CFD方法对设计的气体加热器换热管进行相同边界条件仿真，目标温度和传热功率与经验公式结果偏差在10%以内，说明换热管理论上满足设计要求。 采用恒温炉作为热源时，若将炉内温度控制在600℃以上，可使预热目标介质温度达到设计值。 需要指出的是，所有换热管的传热性能均按直管考虑，实际绕成盘管或有转向时换热能力有所加强，因此采用直管设计计算具有保守安全裕度。 气体加热器分别采用直管和蛇形管（管子0.4m）的结构方式，如下图。 在相同的恒温壁面边界条件下，换热管的传热能力计算结果对比如下。著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-07-05
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