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摘 要

螺旋折流板电加热器是一种具有比较高的换热效率的热交换设备，本文对螺旋折流板电加热器的设计过程做了重点研究，采用“斜日字”U电加热管进行了布管方案的设计，总结了螺旋折流板电加热器的输入参数、结构参数及性能参数的选择方式和计算方法。本次设计的布管方案为24种布管情况，含有两种电加热管管径为12mm和16mm，相应的电加热管管数为9至108根，台阶间隔为9。其中螺旋折流板电加热器传热系数的计算中采用一种新方法，将螺旋通道近似成直管后，采用管内强迫对流计算传热系数的特征关联式。最后利用MATLAB软件作为平台写代码，把螺旋折流板电加热器的整个设计过程程序化，并用MATLAB的GUI软件设计了三分螺旋折流板电加热器的热力设计程序，程序界面显示了螺旋折流板电加热器的设计参数，方便快捷的进行螺旋折流板电加热器各参数的计算，并以某一加热功率下的螺旋折流板电加热器为例运行了软件，得到了相应最佳的输出结果，并在CAD软件中画出相应电加热器的结构原理图。整个过程中，缩短了设计计算周期，提高了设计的效率。文中总结的方法和设计的思路可以为类似的设计研究提供参考，设计的软件可以为电加热器的设计提供一些帮助。

关键词：电加热器；螺旋折流板；流动和传热特性；设计参数；程序设计；MATLAB

Serial thermal design and programming of electric
heaters with helical baffles

Abstract

Helical baffle electric heaters are a novel type electric heating apparatus with high efficiency. The key point of this paper is to study the design process of helical baffle electric heaters. The scheme of electric heating tube layout is design with one-plus-two U-tube units. And the way of selection and calculation the input parameter, structure parameter, performance parameter of helical baffle electric heaters were summarized. 24 schemes of electric heating tube layout were investigated that containing two kinds of electric heating pipes with diameter of 12mm and 16mm, the corresponding number of electric heating tube sequence from 9 to 108 at intervals of 9. A new method is presented for calculating the heat transfer coefficient of the helical baffle electric heaters. The helical channel is converted into an equivalent straight channel and then use the correlations of forced convection in tubes to calculate the heat transfer coefficient. Finally, MATLAB software is used to write the code and program the whole process of helical baffle electric heaters design. MATLAB GUI software was used to design trisection helical baffle electric heaters. The interface of software shows the design parameters of helical baffle electric heater. It is convenient for calculation of helical baffle electric heater parameters. Then make an example of helical baffle electric heater with a heating power to run the software. Output the optimal results and draw corresponding principle diagram of electric heater in CAD software. Thus, the cycle of design is shortened and the design efficiency is improved. The summary of methods and design ideas in the paper can provide a reference for similar design studies.

Key Word: Electric heater; helical baffles; flow and heat transfer characteristics; design parameters; program design; MATLAB

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 电加热器的分类 1

1.2.1 按发热材料分类 2

1.2.2 按加热方式分类 3

1.2.3 其他分类 3

1.3 我国电加热器的发展现状及未来前瞻 4

第二章 螺旋折流板电加热器的传热 5

2.1 折流板 5

2.1.1 弓形折流板 5

2.1.2 螺旋折流板 6

2.2 螺旋折流板电加热器的流动和传热特性 8

2.3 小结 10

第三章 螺旋折流板电加热器的结构设计 11

3.1电加热管的布管方案 11

3.2 电加热器的设计参数 13

3.2.1 输入参数 14

3.2.2结构参数 14

3.2.2性能参数 21

3.3 小结 27

第四章 螺旋折流板电加热器的程序设计 28

4.1 MATLAB简介 28

4.2 程序设计和编制 29

4.3 程序用户界面设计 33

4.3.1 MATLAB GUI简介 33

4.3.2 用户界面的设计和运行 33

4.3.3 应用案例 35

4.4 小结 37

第五章 总结 38

参考文献 40

致谢 41

第一章 绪论

1.1 引言

电加热器是工业工程中的常用能量转换设备，在常见电加热设备中，电加热器具有高品质、长寿命等特点，一般对具有流态的介质进行热量传递，使得流体温度升高或者保持一定的温度值不变。当流体介质通过电加热器加热部件的表面时，根据热量传递的基本定理，流体介质会吸收了电加热器加热部件产生的热量，使其温度达到一定值，以用于某一特定工艺生产的要求。电加热器顾名思义，就是一种用电来加热介质的设备，是一种将电能转换为热能的设备装置。电加热器的出现得益于两位伟大的物理学家焦耳和楞次发现的电流热效应，又称为焦耳效应。当电流在具有一定阻值的导体中流动时，电能在电流做功的情况下产生热量。这一物理发现及应用促生了电加热的方式，相对于传统的燃烧加热，电加热器的使用更加方便和环保，所以在后来发展中也在很多领域取代了传统的加热方式。

电加热器最早出现于十九世纪，这一时期电加热器处于萌芽阶段，品质很差，应用的领域也非常的有限，一般只出现在日常的家庭生活的中。经过不断的研究和创新，电加热器得到了快速发展。1910年起，镍铬合金开始被用于制作电加热的元件。出现了用镍铬合金制作电阻丝的电熨斗，使得电熨斗迅速得到推广使用，还出现了现代电饭锅的雏形，更重要的是电加热器还被应用于实验室等工业领域中。现今社会电加热器的发展已经很成熟，应用的领域也特别广，电加热器的种类也很多。, 电加热器加热材料的使用也不再仅限镍铬合金、铜镍合金和钨等电热材料也有了广泛应用，一些有机材料也到了应用，如聚酰亚胺薄膜等这类绝缘材料制作的电加热器也在空间飞行器的设计中得到很好的应用，此外在医疗中也常用电加热器作为热疗设备，通过提供比人体体温的稍高一点的温热刺激，产生热物理治疗的效果^[1]。在家庭生活里，各式各样的电饭煲、电热毯、电暖炉等都是电加热器得到广泛应用的体现。另外电加热器能在被加热物体内部直接产生热量，故热转换效率较高，相对于一般的加热方式，其能快速达到设定的目标温度。电加热器加热时，产生的具有污染性颗粒物比较少，所以它是比较环保的加热方式。电加热器具有广泛应用范围，工业生产、科学研究及普通的家庭生活等领域中都有很好的应用。人造石墨的制造过程中就采用电加热方式来提供热量，一般对能够导电金属材料进行加热时，电加热是最好的方式。总得来说，电加热器具有效率高、温升快和节能环保等优点。电加热器在现代社会中扮演着很重要，电是人类的一大发明，利用电能产生热量是人类智慧的体现，所以电加热器仍然有着很好的研究和发展前景。

1.2 电加热器的分类

电加热器的加热功率范围特别广，加热温度跨度也很大，可实现较低温度加热也可实现高温加热，高温加热可加热到3000℃以上。现实生活中常见的加热器从在冬季提供温暖的暖宝宝等保温袋到电饭锅和电热水器，再到加热空气的空气加热机，中央空调里用作再热装置的电加热器。电加热器有很多种类型，根据不同的分类标准，得出的结果也不尽相同，常见的分类方式有按照发热材料分类和按照加热方式分类。

1.2.1 按发热材料分类

电加热器的发热材料研究和改进是电加热器能的能够快速发展的前提，镍铬合金的应用使得电加热器在二十世纪初得到巨大的发展。电加热器的加热元件可由金属材料、非金属材料和有机材料等发热材料组成。根据加热元件的发热材料的不同可分为金属材料发热、非金属材料发热和有机材料发热三种电加热器。

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