PDF《管状电加热器升温特性的数值计算》

第3卷第8期2008 年8月566 管状电加热器升温特性的数值计算 张敏1,商立英 1,

2 ,张钧波

1 ,卢学山

1 (1.

南京理工大学动力工程学院,南京 210094;

2.中国一航第一飞机设计研究院,西安 710089) 摘要:在非结构化网格中,采用基元有限容积方法和全隐时间格式,数值模拟了一种管状电加热元件的热力 特性.通过分析非稳态温度场的变化,研究了电绝缘材料不同填充率过程中的升温特性.从计算结果中得出绝 缘材料压紧度增大时,其导热系数非线性地增大,使得电加热器温升特性非线性变化.这些结果同时与结构化 网格中的结果进行比较,证明了结论的正确性和可靠性. 关键词:数值传热;

非结构化网格;

非稳态热传导;

电加热器 中图分类号:TK124 文献标识码:A 文章编号:1673-7180(2008)08-0566-4 Numerical calculation for thermal characters of a tubular electrical heater ZHANG Min1 ,SHANG Liying1,2 ,ZHANG Junbo1 , LU Xueshan1 (1. School of Power Engineering, Nanjing University of Science & Tech., Nanjing 210094;

2. AVIC One, the First Aircraft Institute, Xi'an 710089) Abstract: The cell-based finite volume method (FVM) was used in unstructured grids to simulate a kind of tubular electrical heating equipment. By analyzing and calculating the change of unsteady-state temperature distributions, the thermal characters in the course of packing electrical insulation materials were studied. Results show that the conductivity is augmented and the temperature is increased quickly when the insulation materials are compressed strongly. The agreement between results of the presented method and those from structured meshes verifies the reasonability of the solutions. Key words: numerical heat transfer;

unstructured grids/meshes;

unsteady state heat conduction;

electrical heater 管状电加热器因具有结构简单、使用寿命长、 热效率高和使用安全等特点,在日常生活和工业界 中被广泛地使用[1-2] .本研究运用非结构化网格和有 限容积方法,数值计算管状电加热元件,在绝缘材 料不同填充率中的非稳态传热过程.从计算结果中 得出绝缘材料压紧度增大时,其导热系数非线性地 增大,使得电加热器温升特性非线性变化.同时与 发展比较成熟的结构化网格计算结果进行比较,以 此验证本结果的正确性和可靠性.

1 物理性质和网格生成 JGS 型管状电加热器由铁铬铝或镍铬电热合金 材料绕成,其几何形状如图

1 所示.其中的螺旋型 元件作为发热体,外面套以金属护套管,中间空隙 部分填满具有良好导热性和电绝缘性的结晶氧化镁 粉末,两端封口密封而成.对于铁铬铝或镍铬加热 材料的热物理性质选取为:比热 cp=1

300 J/(kg・K);

密度 ρ=(3 050~3 150)kg/m3 .由于日常生活使用,电 作者简介:张敏(1957-),男,副教授, zhangm@mail.njust.edu.cn 中国科技论文在线 SCIENCEPAPER ONLINE 第3卷第8期2008 年8月567 中国科技论文在线 SCIENCEPAPER ONLINE 加热器升温时间不宜太长,导热系数很大程度上受 粉末压实程度的影响,其热功率数值在(1.8~7.0)W/(m・K)之间变化. (a) 管状电加热器 (b) 加热元件圆形横截面 图1管状电加热器示意图 Fig.

1 Geometry of tubular electrical heater 从图

1 中可以看出,加热器的长度比其直径大 得多,因此沿加热元件长度方向的温度变化可以忽 略不计.所以,此问题可以简化为具有内热源的轴 对称非稳态传热问题.外壳材料具有两个特点:其 一是热扩散系数大约是电绝缘材料的