燃油暖風(fēng)機(jī)熱力計(jì)算與熱力性能影響因素分析

1、燃油暖風(fēng)機(jī)熱力計(jì)算與熱力性能影響因素分析    摘要介紹了所研制開發(fā)的燃油暖風(fēng)機(jī)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理，建立了本樣機(jī)熱力系統(tǒng)的傳熱網(wǎng)絡(luò)圖，敘述了熱力系統(tǒng)傳熱計(jì)算方法，利用自行編制的傳熱計(jì)算軟件的計(jì)算結(jié)果，對(duì)影響燃油暖風(fēng)機(jī)熱力性能的各因素進(jìn)行了較詳細(xì)的機(jī)理分析，獲得了各因素對(duì)本機(jī)組熱力性能的影響規(guī)律，為本機(jī)組今后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、環(huán)境適應(yīng)性能提高經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)行提供設(shè)計(jì)、運(yùn)行參考。關(guān)鍵詞燃油暖風(fēng)機(jī) 換熱網(wǎng)絡(luò) 熱力性能 影響因素 機(jī)理分析本文所討論的燃油暖風(fēng)機(jī)樣機(jī)，是一種自行研制開發(fā)的用于部隊(duì)野營(yíng)帳篷冬季供暖的取暖裝置。由于部隊(duì)使用的一些特點(diǎn)，要求該裝置有較好的機(jī)動(dòng)性、

2、野外環(huán)境的適應(yīng)性等，因而有必要了解樣機(jī)的熱力性能狀況，尤其應(yīng)掌握各因素對(duì)機(jī)組性能的影響規(guī)律，為改進(jìn)樣機(jī)，減小體積及重量，提高環(huán)境的適應(yīng)能力及經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)行等，提供設(shè)計(jì)及運(yùn)行參考。一、燃油暖風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)該燃油暖風(fēng)機(jī)樣機(jī)本體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。它主要由四部分組成：供油燃燒系統(tǒng)；送風(fēng)換熱系統(tǒng)；控制系統(tǒng)；殼體及附件。供油燃燒系統(tǒng)用于供油、燃燒及產(chǎn)生熱量；送風(fēng)換熱系統(tǒng)用于將冷空氣變熱，并將熱風(fēng)送入帳篷；控制系統(tǒng)用于控制、保護(hù)機(jī)器的正常運(yùn)行；殼體及附件用于保溫、防護(hù)及支撐等。圖1 燃油暖風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖二、燃油暖風(fēng)機(jī)熱力系統(tǒng)計(jì)算1、暖風(fēng)機(jī)換熱系統(tǒng)的結(jié)果如圖2所示。對(duì)于受熱的空氣側(cè)，送風(fēng)機(jī)出口的冷空氣分三路并聯(lián)進(jìn)入三個(gè)

3、換熱通道（環(huán)形通道、換熱管、外殼空間）被加熱，加熱后各通道出口的熱空氣先混合再由本體左上側(cè)出風(fēng)口進(jìn)入送風(fēng)管；對(duì)于放熱的煙氣側(cè)，爐膛中的高溫?zé)煔夥艧岷螅儆杀倔w左下側(cè)的兩根排煙短管進(jìn)入換熱管外的換熱管空間進(jìn)行散熱，最后流經(jīng)煙囪排入大氣。圖2 暖風(fēng)機(jī)換熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖2、系統(tǒng)傳熱網(wǎng)絡(luò)圖空氣側(cè)與煙氣側(cè)的傳熱原理，可以用如圖3所示的系統(tǒng)傳熱網(wǎng)絡(luò)圖加以說(shuō)明。圖3系統(tǒng)傳熱網(wǎng)絡(luò)圖圖中各符號(hào)中，T表示絕對(duì)溫度，Q表示換熱量，其各下腳標(biāo)意義如下分析所指。由系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)圖可見(jiàn)，爐膛內(nèi)火焰（Thy）通過(guò)輻射換熱（Qfl）和對(duì)流換熱（Qdl）將熱量傳給爐膛壁面（Twl），然后膛壁面（即環(huán)形通道的內(nèi)環(huán)表面）通過(guò)輻射換

4、熱（Qf2）把熱量傳給環(huán)形通道的外環(huán)表面（T w2），同時(shí)又通過(guò)對(duì)流換熱（Q di）將熱量傳給環(huán)形通道的空氣（T kp1）：而爐膛出口的煙氣放熱分為三部分（Q 1、Q 2、Q 3），一部分Q1是煙氣（Ty）對(duì)環(huán)形通道外環(huán)表面（T w2）的總換熱量，另外部分Q 2、Q 3是煙氣（Ty）對(duì)換熱管和外殼內(nèi)空氣（T kp2、T kp3）的傳熱量；對(duì)于環(huán)形通道外環(huán)表面（T w2）而言，所接受的環(huán)形通道內(nèi)環(huán)表面（T w1）輻射換熱量（Q f2）和煙氣（Ty）對(duì)環(huán)形通道外環(huán)表面（T w2）的總換熱量（Q 1），恰好等于環(huán)形通道外環(huán)表面（T w2）對(duì)環(huán)形通道內(nèi)空氣（T kp1）的對(duì)流換熱量（Q d0）。3、熱

5、力系統(tǒng)傳熱計(jì)算方法熱力系統(tǒng)傳熱計(jì)算是基于系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)圖之上，利用傳熱學(xué)的基本公式和熱平衡原理，用FORTRAN語(yǔ)言自行編制傳熱計(jì)算程序，并對(duì)一些復(fù)雜構(gòu)件（如彎曲煙通道中排列的多根換熱管等）的換熱準(zhǔn)則方程加上了修正系數(shù)，而修正系數(shù)由實(shí)驗(yàn)值加以確定。熱力系統(tǒng)傳熱計(jì)算的實(shí)施是利用計(jì)算程序?qū)W(wǎng)絡(luò)圖上七個(gè)節(jié)點(diǎn)（即Thy、Ty、Tkp1、Tkp2、Tkp3、Tw1、Tw2）進(jìn)行多次迭代求解，而每個(gè)節(jié)點(diǎn)處，既要達(dá)到傳熱的能量平衡，又要使傳熱量和流體的吸、放熱量（即熱平衡熱量）相等。三、機(jī)組熱力性能影響因素分析暖風(fēng)機(jī)熱力性能影響因素的分析，對(duì)暖風(fēng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)合理確定有著重要的意義。當(dāng)結(jié)構(gòu)確定

6、后，影響暖風(fēng)機(jī)性能的主要因素有環(huán)境壓力（P）和溫度（tlk）、過(guò)剩空氣系數(shù)（a）、送風(fēng)量（Vk）和燃油量（B），下文將結(jié)合傳熱計(jì)算軟件的計(jì)算結(jié)果，對(duì)能以上各影響因素進(jìn)行較詳細(xì)的機(jī)理分析。分析中，當(dāng)考慮某個(gè)因素影響時(shí)，其他因素取相同值，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，暖風(fēng)機(jī)的供熱系統(tǒng)采用直流式。1冷空氣溫度tlk對(duì)機(jī)組性能的影響計(jì)算條件：P=0.101325MPa；Vk =2600m3/h，B=4.4kg/h，a=1.3。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。冷空氣溫度tlk對(duì)機(jī)組性能的影響 表1 冷空氣溫度tlk / 理論燃燒溫度t11/爐膛出口溫度t1/爐膛總換熱量Q1/W機(jī)組總供熱量QZ/W機(jī)組熱效率017181012233144

7、571887.1-517151010232694567387.3-1017121009231144666289.4-1517081007231004653289.4由表1可見(jiàn)，隨tlk的下降，Q1和會(huì)有所提高，但并不呈線性關(guān)系，這是因?yàn)閺臓t內(nèi)換熱來(lái)說(shuō)，tlk的下降導(dǎo)致燃料有效發(fā)熱量降低，理論燃燒溫度tll和爐膛出口溫度t1下降，使Q1總體呈下降趨勢(shì)。從尾部換熱面的傳熱來(lái)說(shuō)，tlk的下降使傳熱溫差增加，供熱量增大，兩者的綜合作用導(dǎo)致了表1的計(jì)算結(jié)果。但從另一方面，在相同供熱量和送風(fēng)量的條件下，tlk的降度也就是機(jī)組出口熱風(fēng)溫度的降度，這樣過(guò)小的tlk會(huì)導(dǎo)致出口風(fēng)溫太低，此時(shí)就必須適當(dāng)降低送風(fēng)量，

8、這又會(huì)導(dǎo)致機(jī)組效率的降低。另外，過(guò)小的tlk會(huì)使送、回風(fēng)管的散熱損失加大，同時(shí)會(huì)對(duì)燃燒器的點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒不利。綜上所述，過(guò)低環(huán)境溫度對(duì)機(jī)組運(yùn)行性能及適應(yīng)性均是不利因素。因而建議在過(guò)低環(huán)境溫度下，空氣側(cè)的風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)采用回風(fēng)方式并加大回風(fēng)量，而煙氣側(cè)的助燃空氣宜進(jìn)行預(yù)熱。2、送風(fēng)量Vk對(duì)機(jī)組性能的影響計(jì)算條件：P=0.101325MPa，tlk =0，B=4.4kg/h，a=1.3。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。送風(fēng)量Vk對(duì)機(jī)組性能的影響 表2 比摩阻比摩阻爐膛溫度tw/爐膛總換熱量Q1/W機(jī)組總供熱量QZ/W機(jī)組熱效率2600595233144571887.22800571234184586687.430005

9、56234834638988.23200549235134707889.7由表2可見(jiàn)，Vk的增加使機(jī)組供熱量和熱效率均有增加。這是因?yàn)閷?duì)全部換熱面，增加了對(duì)流換熱系數(shù)，同時(shí)在相同進(jìn)風(fēng)溫度下，出風(fēng)溫度必然下降，這樣平均風(fēng)溫下降，換熱面的平均傳熱溫差上升。從爐膛熱出發(fā)，由于環(huán)形空氣通道換熱的增強(qiáng)，使?fàn)t膛壁溫略有下降，而爐膛出口煙溫僅略有下降，因此爐膛總換熱量還略有增加。因此，從傳熱角度出發(fā)，加大送風(fēng)量對(duì)提高機(jī)組供熱量和熱效率無(wú)疑是有利的。但送風(fēng)的功率消耗與風(fēng)量的平方成比例，而且過(guò)大的風(fēng)量會(huì)增大風(fēng)機(jī)容量而增大機(jī)組體積，因此過(guò)大的送風(fēng)量是不經(jīng)濟(jì)的。3、過(guò)剩空氣系數(shù)a對(duì)機(jī)組性能的影響計(jì)算條件：P=0.1

10、01325MPa，Vk=2600m3/h，B=4.4kg/h，tlk=0。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。過(guò)?？諝庀禂?shù)a對(duì)機(jī)組性能的影響 表3 過(guò)剩空氣系數(shù)a理論燃燒溫度tlk/排煙溫度tpy/爐膛總換熱量Q1/W機(jī)組總供熱量QZ/W機(jī)組熱效率1.31718252233144571887.21.41620243207544552286.81.51534244184394503485.91.61457255167794424684.3由表3可見(jiàn)，a的增加使機(jī)組供熱量和熱效率明顯降低。主要原因是進(jìn)入爐內(nèi)空氣量的增加，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)煙氣質(zhì)量流量的增加，理論燃燒溫度下降，爐內(nèi)換熱量明顯降低。盡管尾部換熱面煙側(cè)對(duì)流熱系數(shù)會(huì)有

11、所增加，但傳熱系數(shù)同時(shí)受煙側(cè)和空氣對(duì)流放熱系數(shù)的控制，煙側(cè)對(duì)流放熱系數(shù)的增加僅能使總傳熱系數(shù)略有增加。這樣，尾部換熱面?zhèn)鳠岬脑黾舆h(yuǎn)不能抵消爐內(nèi)換熱的下降，部的效果是排煙溫度升高，機(jī)組供熱量和熱效率降低。從另一方面說(shuō)，過(guò)剩空氣系數(shù)的增加，使煙氣量增加，煙氣阻力增加，這對(duì)高原運(yùn)行來(lái)說(shuō)，要求燃燒器克服更大的阻力，提供過(guò)高的壓頭。綜上所述，在保證燃料完全燃燒的前提下，盡量降低過(guò)?？諝庀禂?shù)，無(wú)疑會(huì)提高機(jī)組的熱力性能。但高原運(yùn)行時(shí)，為了保證燃燒完全燃燒，往往不得已需要較高的過(guò)?？諝庀禂?shù)，與平原運(yùn)行相比，這正是暖風(fēng)機(jī)高原運(yùn)行的最不利因素。4、燃油量B對(duì)機(jī)組性能的影響計(jì)算條件：P=0.101325MPa；Vk=2600m3/h，a=1.3，tlk=0。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。燃油量B對(duì)機(jī)組性能的影響 表4 燃油量B/kg/h爐膛出口溫度t1/爐膛總換熱量Q1/W機(jī)組總供熱量QZ/W機(jī)組熱效率4.41012233144571887.24.2997227184354597.04.0981220974169086.4燃油量的多少間接反映了爐內(nèi)體積發(fā)熱強(qiáng)度的大小或爐膛容積的相對(duì)大小。由表4可見(jiàn)，隨B的下降，機(jī)組供熱量