电加热锅炉干烧及静、动态工况的模拟与实验研究.pdf
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1、针对电加热锅炉在干烧时存在温控器熔断、锅炉表面温度过高的风险,以及锅炉烧水时NTC感温元件附近水温与出水口水温可能存在相差过大的问题,以一款咖啡机电加热锅炉为例,分别针对锅炉干烧工况、静态工况、动态工况下的壳体壁面温度与出水口温度开展数值模拟,并通过实验测试进行验证。结果表明,干烧工况下,壳体壁面温升速度逐步加快,开始加热92 s后达到断电温度150。静、动态工况下,锅炉出水温度呈持续上升后下降的趋势,最终达到动态平衡状态,温度稳定在67左右。经对比分析,模拟值与实验值的最大相对误差不超过5%,表明数值模型具有较高准确性,可作为锅炉自动控制系统的设计参考依据。关键词:电加热锅炉;温控器;干烧;
2、静态;动态;数值模拟;NTC感温元件Abstract:In view of the risks of thermostat meltdown and excessive temperature on the surface of the electrically heated boiler during dry burning,as well as the problem that the water temperature near the NTC temperature sensing element and the water temperature at the outlet may
3、be too different when the boiler is boiling water,a coffee electromechanical heated boiler is taken as an example,and the shell wall temperature and the water temperature at the outlet are numerically simulated under dry burning,static conditions and dynamic conditions,respectively.The accuracy of t
4、he numerical model is verified by experimental tests.The results show that under dry burning condition,the temperature rise rate of the shell wall gradually accelerates and the temperature reaches 150 after 92 seconds of heating.Under static and dynamic conditions,the boiler water temperature contin
5、ues to rise and then declines,finally reaches the dynamic equilibrium state,with the temperature stabilizing at about 67.Through comparative analysis,the maximum relative error between the simulated value and the experimental value is less than 5%,which indicates that the numerical model has high ac
6、curacy and can be used as a reference for the design of the boiler automatic control system.Keywords:Electrically heated boiler;Thermostat;Dry burning;Static condition;Dynamic condition;Numerical simulation;NTC temperature sensing element中图分类号:TM924 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.03.0170 引言电加热锅炉
7、以电力为能源,采用电热管加热给水方式,将电能转化为热能,可在短时间内向外输出蒸汽或热水,具有本体结构简单、能量转换效率高、启停速度快等优势1。其中,温度控制系统是电加热锅炉的重要组成部分。对于家用咖啡机电加热锅炉,一方面,冲泡温度是对咖啡品质影响最大的因素之一2。如果冲泡时水温较冷,则咖啡中存在的一些可溶性化合物将无法提取,导致咖啡酸味更多。如作者简介:肖泠筠(2000),硕士学位。研究方向:工程热物理。地址:上海市嘉定区曹安公路4800号。E-mail:。果水温过热,则会提取出一些影响味道的不良元素,导致咖啡苦味更多3。另一方面,电锅炉在干烧时可能存在表面温度过高的风险,因此有必要通过实时监
8、测,掌握出水口温度与壳体壁面温度的变化规律。现有针对炉内温度场的研究,主要介绍了直接采集、声学测温、光谱成像等测温技术4-5,并在电锅炉温度控制系统基础上进行了改进算法的设计与仿真测试6-7。然而,以上研究对象多为大型工业锅炉,针对家用小型电加热锅炉的相关研究少有报道。此外,家用咖啡Articles论文100 家电科技 Vol.3 2023 Issue 422机电加热锅炉包含干烧、静态、动态三种工况,实际运行时,可能存在测点温控器熔断、温度传导延时、锅炉烧水时NTC感温元件附近水温与出水口水温相差过大等问题。对此,本文采用Ansys Fluent软件,以一款咖啡机电加热锅炉为例,通过建立咖啡机
9、电加热锅炉数值模型,实现对锅炉干烧工况、静态工况、动态工况下壳体壁面温度与出水口温度的预测,同时进一步分析了温度与加热速率对咖啡品质的影响,旨在为锅炉自动控制系统的设计提供参考。1 模型建立1.1 物理模型与网格划分如图1所示为电加热锅炉的简化物理模型,锅炉直径为80 mm,长为168 mm,壁厚1 mm,材质为304型不锈钢,保温层厚度为10 mm,材质为高分子泡沫塑料。进、出水口分别位于锅炉底、顶部,锅炉内有延伸到底部的金属管,材质为304型不锈钢。金属管内部填充了MgO粉末,直线段为不发热段,内部安装有低电阻导线,螺旋段为发热段,内部安装有发热电阻丝。自顶部向下延伸的细长金属管为NTC感
10、温元件,可用来监测锅炉出水口附近水温,并为进、出水阀门的启动提供实时信号。锅炉内充满空气,进、出水口始终处于封闭状态,加热丝通电后加热空气及锅炉壳体,这个过程称为锅炉干烧工况。将锅炉内冷水由298 K加热至368 K后,冷水由锅炉底部进入,将热水从出水口排出,直至出口水温不变,这个过程称为锅炉静态、动态工况。数值模拟的主要研究对象为电加热锅炉内部空气及锅炉壁面的温度分布,因此建模时不考虑加热金属管裸露部分及锅炉壳体外部冗余结构,这将有效减少网格数量并提高节省计算资源。如图2所示,锅炉及保温层均采用非结构化网格,同时对电加热丝表面和发热段金属管表面的网格进行加密处理。共设置四套不同数量的网格(6
11、21452、901324、1082514、1257681),从零时刻开始以1500 W功率对锅炉内部空气进行加热,通过中心轴线温度随竖直高度的变化进行网格无关性检验。从图3可以看出,网格数量为1082514和1257681的模型在数值大小十分接近,继续增大网格数量对计算精度提高无太大帮助,因此选用网格数量为1082514的网格模型来离散计算域。1.2 数学模型与模拟工况本研究的数值模拟中涉及到连续性方程、动量方程、能量方程,可通过控制方程式(1)来表示。其中:为任意变量;为广义扩散系数;S为源项;,和S不同的形式可表示连续性方程、动量方程、能量方程8。图1 电加热锅炉简化物理模型图3 网格无关
12、性检验图2 网格划分示意图 Articles论文 101家电科技 Vol.3 2023 Issue 422 (1)干烧工况下,进、出水口阀门处于关闭状态,外部环境温度恒为298 K。电加热锅炉内充满温度为298 K的空气,从零时刻开始以1500 W功率对空气进行加热。位于锅炉壁面上的温度控制器对该处壁面温度进行实时监测,当温度达到423 K时,温度控制器切断电源、停止加热,从而保证锅炉安全运行。静态工况下,外部环境温度恒定为298 K。电加热锅炉内充满温度为298 K的冷水,从零时刻开始以1500 W功率对冷水进行加热。分别监测出水口平面及NTC感温面两处的水温,并将它们作为动态工况开始(注入
13、冷水排出热水)的判定标准。动态工况下,进水口以某恒定速率向锅炉底部注入298 K的冷水,出水口向外排出热水,直至出水口平面及NTC感温面两处的水温达到一定值不再发生变化,此时动态工况终止。1.3 边界条件与参数设置锅炉壁面及其他内部结构均采用固定壁面无滑移的对流换热边界条件,裸露在大气中的锅炉上、下壁面及保温材料壁面与大气的对流换热系数设置为5 W/(m2K),锅炉金属壳体及保温材质的物理属性如表1所示。电加热锅炉动态进水工况下,进口采用v=1.65 m/s的速度边界,对应进水流量为500 mL/min,出口采用p=0的压力边界。表1 材质物理属性参数取值金属壳体密度(kg/m3)7930金属
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