电加热锅炉干烧及静、动态工况的模拟与实验研究.pdf

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；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 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 the 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 continues 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 accuracy 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（621452、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金属壳体比热容（J/kgK）500金属壳体导热系数（W/mK）16.2保温材料密度（kg/m3）40保温材料比热容（J/kgK）1800保温材料导热系数（W/mK）0.04表面发射率0.05电加热锅炉工作介质为空气时，考虑对温升敏感的主要包括密度和粘度两个物性参数。模拟设置采用Lemmon9等人列举的空气在293 K493 K范围内的物性参数，如表2所示。计算有回流区的流动时，应用最广泛的模式是两方程模式，其具有精度较高、通用性较强等优点。同时，两方程模式对计算机容量和计算速度的要求都不是很高。张楚华10通过采用修正后的low-reynolds k-epsilon turbulence模型对近壁流动进行了研究，证实了该模型应用于近壁流动时的精确性。因此选用low-reynolds k-epsilon turbulence模型模拟气流流动。辐射模型采用DO（Discrete Ordinates）模型，压力速度的耦合采用PISO算法，压力项采用PRESTO!差分格式，对流项均采用二阶迎风差分格式11。干烧工况的计算时间步长设为0.05 s，静、动态工况的计算时间步长设为0.2 s。各迭代步内，能量残差收敛性判据设为10-6，其余均设为10-3。2 实验测试系统如图4所示为实验装置系统示意图，通过YOKOGAWA WT-333E型功率仪将电功率调至1500 W，量程025 kW，量程内误差0.15%，使用YOKOGAWA MW-100数据采集仪搭配K型热电偶测量温控器表面温度，量程02315，量程内误差0.05%。根据DIN 18873-22016 商业厨房设备的能耗测量方法 第2部分：商业咖啡机12对能耗实验的规定，实验在室温（232）下进行。图4 实验设备示意图具体实验步骤如下：（1）干烧工况实验中，电加热锅炉并保持密闭，电阻丝通电后开始释放热量，温控器壁面的温度通过固定于温控器壁面上的K型热电偶获得。当温控器温度达到423 K时停止加热，实验终止，收集实验数据。（2）静态、动态工况实验中，进、出水口阀门的启停由内置电子元器件控制，通过监测感温元件NTC的温度来获悉出水口附近水温，由功率仪向锅炉提供恒定热量。电阻丝通电后开始释放热量，当NTC温度达到368 K时，控制进、出水口阀门开启，动态工况开始，直至NTC温度达到某个定值不再变化，实验终止，收集实验数据。表2 空气的物性参数随温度变化温度（K）密度（kg/m）黏度（g/ms）2931.210.0153331.060.0193730.950.0234130.820.0284530.780.0324930.750.037Articles论文102 家电科技 Vol.3 2023 Issue 4223 结果与讨论3.1 数值模拟结果3.1.1 干烧工况如图5所示为80 mm锅炉干烧工况下的温控器温度曲线，可以看到，以1500 W功率对空气进行加热，约92 s后温控器所在位置温度达到423 K，此时温控器内部的电热元器件将会断开电路，保证锅炉使用的安全性。模拟共设置3个温控器监测点，温控器1/2/3的温度均与侧壁面最高温度较为接近，温度差值8 K。如图6所示为80 mm锅炉温控器监测点处各时间点的纵截面温度云图，可以看到，随着加热时间积累，锅炉内部空气不断升温，热空气范围逐渐扩大，至92 s时充满整个锅炉，达到干烧工况终止状态。图5 干烧工况下温度曲线 图6 锅炉纵截面温度云图3.1.2 静态、动态工况如图7所示为80 mm锅炉静态、动态工况下的出水口及NTC温度曲线。从图中可以看出，静态工况下，锅炉出水口与NTC感温元件附近水温以稳定速率上升，两条温升曲线贴合较好，当出水口附近水温达到368 K时，NTC与出水口附近水温差值2.5 K，说明NTC感温元件可以用作进、出水口阀门启停的指示器。动态工况下，锅炉出水口与NTC感温元件附近水温呈下降趋势，且速率逐渐放缓。最终，出水口和NTC温度分别稳定在340.45 K、336.32 K。3.2 实验测试结果与分析根据实验工况条件开展实验，并将结果统计为图线的形式，绘制了实验与模拟的对比图。采用相对误差概念来判定模拟与实验结果的偏离程度，即|实验值-模拟值|/实验值。3.2.1 干烧工况锅炉在内部充满空气的工况下由室温298 K开始持续加热，直至温控器表面热电偶测得温度达到423 K，干烧实验终止。将实验过程中记录的K型热电偶温度测量数据绘制成图线，并与模拟值进行对比，如图8所示。图8 干烧工况下实验与模拟的温控器温度曲线由图8可知，干烧工况的模拟结果与实验数据较贴合，温升趋势基本一致。曲线前段较平缓，这是由于热量由电阻丝产生，再经过导热与对流换热传导至锅炉壁面，该过程对流换热系数较低，热传递路径较长，因此在温升曲线上表现为平缓增长的趋势。干烧工况进行图7 静态、动态工况下出水口及NTC温度曲线Articles论文 103家电科技 Vol.3 2023 Issue 422到中后段，温度曲线斜率不断增加，温升速度逐步加快，主要原因是加热管与温控器壁面温度差急剧增大，导致加热管对温控器壁面的热辐射显著提高，因此在温升曲线上表现为斜率逐渐增大的趋势。实验中，开始加热至97 s时，温控器位置温度达到了423 K，80 mm锅炉关于干烧时间的实验与模拟结果相对误差约为5%。在此基础上，未来还可将相关智能控制技术纳入锅炉操作系统，对锅炉干烧温度、水位及内置电路进行检测，以便快速、准确地识别电加热锅炉的运行状况，及时排除故障13。3.2.2 静态、动态工况图9 静态、动态工况下实验与模拟出水口温度曲线如图9所示，静态、动态工况的模拟结果与实验数据较贴合，出水口温度均以均匀速率上升，在加热160 s左右后趋于平缓，最终缓慢下降达到稳定的趋势。该趋势可通过分析静态、动态工况下的导热过程解释：首先，加热丝通电后发热，热量缓慢由氧化镁填充物向外传递，冷水升温后再通过导热向锅炉壁面传递热量，因此在曲线的前15 s内温度几乎不变。随着加热过程持续，出水口附近水体温度逐渐上升直至368 K，此时静态工况终止，动态工况开始，进、出水阀门开启。由于锅炉中部的水体被加热管持续加热，该部分水温将超过368 K，随后这部分水体由出水口排出，导致出水口温度继续攀升，最高温度达370 K。待中部水体排出后，随着底部冷水的持续注入，锅炉底部的冷水吸收了部分热量后随之排出锅炉，出水口温度开始呈现下降趋势，直至351 s时，出水口温度稳定在339.7 K不变，锅炉出水达到动态平衡状态。由实验数据与模拟结果的对比可知，在静动态工况下，80 mm锅炉关于动态平衡温度的实验与模拟结果相对误差仅为0.1%。总体而言，实验与模拟结果的相对误差较小，模拟结果具有较高的准确性。此外，咖啡机电加热锅炉的出水口温度决定了咖啡冲泡温度，并对咖啡因含量产生重大影响。分析温度变化曲线可知，在静态工况下的恒定加热速率下，咖啡因的溶解度逐渐增加，有助于可溶性化合物的稳定提取。静态工况结束时，出水温度接近100，此时咖啡因溶解度达到峰值14，实现完全萃取。随着底部冷水的持续注入，动态工况下的出水温度开始下降，有助于改善咖啡的感官温度。静、动态工况下的平均出水温度在8090之间，符合适宜的标准冲泡温度（约86）3，说明该咖啡机电加热锅炉能够提供适当的热度，满足质量需求。4 结论本文以一款咖啡机电加热锅炉为例，针对锅炉干烧工况、静态工况、动态工况开展数值模拟，预测了干烧工况时间与锅炉出水口温度的变化趋势，并将模拟结果与实验测试数据进行比较，得出以下结论：（1）模拟结果对于锅炉干烧时间与静态、动态工况出水温度的预测与实验结果较贴合，相对误差不超过5%，建立的数值模型具有较高的准确性。（2）干烧工况下，以1500 W功率对空气进行加热，开始加热92 s后，温控器温度达到断电温度150，此时温升速率约为3 K/s，且呈逐步加快趋势。（3）静态、动态工况下，以1500 W功率对冷水进行加热，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。出水口与NTC附近水温的模拟结果接近，可用于指导锅炉自动控制系统（进、出水阀门）的设计。参考文献1 孙新国,王涌,许卫疆,等.一种新型无污染环保锅炉电热锅炉J.电站系统工程,2001(01):16-18.2 Klotz J A,Winkler G,Lachenmeier D W.Influence of the brewing temperature on the taste of espressoJ.Foods,2020,9(01):36.3 Sanchez K,Chambers IV E.How does product preparation affect sensory properties?An example with coffeeJ.Journal of Sensory Studies,2015,30(06):499-511.4 刘彦翔.锅炉炉膛温度场声学测温信号优化研究D.南京:东南大学,2017.5 赖小明,邹婷,陈昊,等.激光吸收光谱技术应用于锅炉优化控制研究J.激光技术,2021,45(06):782-787.6 付裕,卢嘉怡.自适应模糊PID控制的工业电阻炉温度控制系统设计与实现J.工业加热,2022,51(08):46-49.7 罗川宁,郝润科,杨威.工业生产过程锅炉温度控制仿真J.计算机仿真,2018,35(09):358-362.8 陶文铨.数值传热学-第2版M.西安:西安交通大学出版社,2001.9 Lemmon,Eric W.Thermodynamic Properties of Air and Mixtures of Nitrogen,Argon,and Oxygen From 60 to 2000 K at Pressures to 2000 MPaJ.Journal of Physical and Chemical Reference Data,2000,29(03):331.10 张楚华,谷传纲,苗永淼.利用修正低雷诺数k-模型对管道分离流动的数值研究J.应用力学学报,1998(02):93-97.11 史光梅,刘朝.工业炉内辐射换热模型研究进展J.工业加热,2004(05):9-12.12 DIN 18873-22016商业厨房设备的能耗测量方法 第2部分:商业咖啡机S.13 张红英.语音锅炉控制器J.家电科技,2013(08):22.14 Olechno E,Pucion-Jakubik A,Zujko M E,et al.Influence of various factors on caffeine content in coffee brewsJ.Foods,2021,10(06):1208.（责任编辑：马冀圆）