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空氣流體的計算

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空氣流體的計算

發布日期:2019-01-14 作者: 點擊:

表1中計算的冷卻速率和傳熱系數數據使用加熱器作為單一集中質量的近似值,這意味著假設加熱器內溫度均勻。這種假設是合乎邏輯的,因為加熱器的ALN矩陣是非常導電的,其熱導率約為140 W/m oC。但是,檢查圖3中的溫度/時間曲線表明,在加熱器斷電后,在超過0.5秒的時間內,未達到每個被測加熱器的峰值測量冷卻速度。即使在加熱過程中空氣流量開啟的情況下也是如此,這表明加熱器中的傳感器測量的溫度低于冷卻開始時加熱器的峰值溫度,因為其在加熱器矩陣中的位置。此外,在靠近加熱器中心的地方,局部傳熱系數可能更大,在那里,進入的空氣沖擊加熱器的底部,并在靠近末端的地方降低。從加熱器到空氣的熱傳遞在靠近末端的地方也會由于空氣溫度的升高而延遲,因為空氣溫度沿著加熱器流動。來自加熱器的局部熱通量的變化在冷卻過程中驅動加熱器中的溫度梯度,進而導致在Z初0.5到1.0秒的冷卻過程中低估熱損失,并在冷卻過程中高估熱損失。表一中給出的平均傳熱系數的數據是在冷卻過程中以及在加熱器區域內的平均值,以補償冷卻率測量中的誤差。

檢查無流量加熱器的冷卻速度表明,當加熱器接近200°C(°F)時,機械支撐結構和加熱器工作表面損失了約4至5 W的熱量,即Qo介于4至5 W之間。相對于DU內強制空氣的熱流量,這種熱損失并不顯著。因此,除了管道中的氣流外,熱損失的中等變化是可以忽略的。

盡管流量的橫截面積減小實際上增加了管道中的流速,但是計算出的鰭片加熱器的平均傳熱系數低于標準加熱器。這種差異很可能是由于沿散熱片長度的溫度變化造成的(散熱片的末端無疑更冷)。然而,即使加熱器單位表面積的熱流密度減小,從加熱器到空氣的熱量在鰭片結構中也明顯增加。簡化方程qc=h aΔt為理解這一點提供了基礎。表面積的三倍增加對傳熱的影響大于40%的熱通量。還應注意,為試驗選擇的翼剖面沒有針對性能進行優化。相反,它的選擇是為了制造方便。因此,如果增加的成本對于優化的散熱片外形是可以接受的,冷卻速度可能會有所改善。具有錐形截面的較長散熱片可能會顯示出改進的結果。

上述方程式所預期的那樣,進氣溫度的降低會根據加熱器溫度和空氣溫度之間的差異的增加成比例地提高冷卻速度。在不增加制冷系統費用的情況下,測試了渦流管作為降低空氣溫度的一種手段。試驗裝置允許產生低于1°C(34°F)的空氣溫度。圖4表明,將空氣溫度降低到1°C(34°F)的影響小于空氣速度小變化的影響。空氣溫度的大幅度降低會對冷卻速度產生較大的比例影響;然而,實現非常冷的氣流可能需要比使用現有系統中較大的壓縮空氣流量更大的資本設備。在現有低溫氮氣或氬輸送系統的工廠中,空氣(或更準確地說是“冷卻劑”)溫度降低可被視為加快冷卻速度的一種經濟有效的方法。在Z終確定任何設備設計之前,應進行額外的測試,以確定此類設計中冷卻速度的可接受極限。

當加熱器溫度朝氣流溫度方向降低時,空氣(或冷卻液)溫度降低的更大好處出現。需要將加熱器或相關設備冷卻到接近或低于環境溫度的系統將受益于進氣溫度降低到比在明顯高于環境溫度的溫度下運行的系統更高的程度。

三個進氣溫度下的冷卻速度

設計建議

準確估計帶有負載(或加熱部件)的加熱器的冷卻速度可能會出現問題。平均系數準確估計帶有負載(或加熱部件)的加熱器的冷卻速度可能會出現問題。上面給出的平均傳熱系數數據有助于估算暴露在特定空氣流量下的ALN加熱器表面的熱流量。然而,被加熱部件可能具有與其相關的顯著溫度梯度,其與加熱器的熱耦合可能不完美,并且可能存在與時間相關的熱增量或損失源。出于這些原因,大多數設計必須用更詳細的方法進行驗證。

使用時間步進求解器的有限元模型是一種常用的方法。

計算流體力學作為一種分析性地檢查對流流動的方法正日益流行。

如果部分原型可以以合理的成本構建,物理測試也是一種選擇。

無論驗證方法如何,通常都需要為分析或測試設計系統的粗略一次近似值。更精準的首次近似允許分析和測試收集有關所需系統的更有用的信息。在采用強制空氣冷卻的系統中,以下方法可用于確定達到所需冷卻時間的設計的合理近似值。

確定要加熱和冷卻的工件,包括其尺寸和材料。

選擇具有適當加熱能力和尺寸的加熱器,以實現加熱速度和均勻性目標從前兩個步驟中,可以確定要加熱和冷卻的部件。這些部件,包括工件、加熱器和任何其他未與加熱器熱隔離的部件,構成冷卻(和加熱)的控制體積。

除強制氣流外,識別并量化控制容積(或控制容積)的任何重要熱增量或損失源。通過結構支撐的傳導、對環境的輻射以及從外表面的對流熱傳遞都是熱量獲取或損失的來源。

通過計算強制空氣排出的熱量并確定允許熱量排出的時間,估算所需的冷卻功率。冷卻功率可通過將每個部件的熱容量乘以所需的冷卻速度來估算,求和結果,并在冷卻時間段內將任何熱增益添加到控制體積中(q=qc qo=[(ρv cp)dt/dt)。

選擇空氣的體積流量,以達到理想的空氣出口溫度。vf(空氣)=q/(ρ(空氣)x cp(空氣)xΔt(進出口)

計算加熱器與空氣之間的平均溫差:Δt=[(加熱器高溫加熱器低溫)/2]–[(空氣入口溫度空氣出口溫度)/2]。

計算支撐所需冷卻功率所需的傳熱系數:h=q/(a(加熱器)xΔt)(其中a(加熱器)在步驟2中確定,Δt在步驟6中確定)。

選擇一個流道尺寸,以達到所需的流速,給出所需的傳熱系數。見上表一。(注意,較高的速度通常意味著更大的壓力降,如果使用表中的值,則加熱器表面的沖擊很重要。)

如果所需的傳熱系數不能通過合理的空氣速度達到,可以考慮將散熱片或其他形式的延伸表面增加暴露在氣流中的面積(步驟7中的加熱器)。記住,對于擴展的表面,表觀傳熱系數將減小。其他調整,如增大體積空氣流量或增加加熱器的長度或寬度,也有助于改善冷卻效果,如果選擇的初始值不能提供所需的性能,則可以考慮進行調整。

ALN加熱器的發展使小型零件和組件的快速加熱成為可能。對于需要循環加熱和冷卻的應用,壓縮空氣是一種應考慮的冷卻方法。當在熱循環上運行的系統被適當地設計為使用強制空氣作為冷卻劑時,可以在不存在初始成本高和許多其他冷卻技術相關復雜性的缺點的情況下獲得良好的性能。


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關鍵詞:風冷工業用空壓機,變頻螺桿壓縮機,直聯式螺桿壓縮機

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