一种辐射式电加热器及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种辐射式电加热器及其设计方法，设计方法包括步骤1、确定设计参数，该设计参数包括流体介质参数、盘管参数和加热元件参数；步骤2、基于设计参数，确定流体介质在加热过程中所需的总热量Qc，并根据总热量Qc获取流体介质在盘管内的对流传热系数hi，同时验证管内流速是否在预设范围内。本发明专利技术提供的设计方法通过一系列的步骤，为辐射式电加热器的设计提供了科学依据，而不是仅仅依赖经验，而且在该方法中通过计算介质升温所需的热量和其他相关参数，能够更加精确地确定辐射式电加热器加热元件的数量，同时在后续步骤中校核辐射式电加热器能否传递所需能量，以便于在设计过程中提前优化加热器的性能。过程中提前优化加热器的性能。过程中提前优化加热器的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种辐射式电加热器及其设计方法


[0001]本专利技术涉及一种辐射式电加热器及其设计方法。

技术介绍

[0002]辐射式电加热器是多晶硅冷氢化装置中的关键设备，它位于冷氢化反应器的前端，负责将氯硅烷和氢气加热至560℃，然后送入冷氢化反应器进行下一步的生产过程。由于处理的介质具有高反应活性和对温度敏感的特性，辐射式加热是主流方法。
[0003]然而，目前的辐射式电加热器设计面临着严重的问题。现有的设计方法主要依赖于经验来合理地确定加热元件的数量，这种方法缺乏科学性，不够精确，且难以适应不同的工况需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的是为了提供一种辐射式电加热器及其设计方法，通过一系列的步骤来指导在有设计参数的前提下如何确定电加热器的加热元件的数量，为优化设计提供了科学依据。
[0005]本专利技术的目的可以通过采用如下技术方案达到：
[0006]一种辐射式电加热器设计方法，包括以下步骤
[0007]步骤1、确定设计参数，该设计参数包括流体介质参数、盘管参数和加热元件参数；
[0008]步骤2、基于设计参数，确定流体介质在加热过程中所需的总热量Qc，并根据总热量Qc获取流体介质在盘管内的对流传热系数hi，同时验证管内流速是否在预设范围内；
[0009]步骤3、基于总热量Qc和对流传热系数hi，确定盘管内、外壁的平均温度，同时使得盘管外壁的平均温度不超过盘管设计的最大可承受温度；
[0010]步骤4、根据加热元件的材质和其表面热流密度，以及预设比例的热损失，确定加热芯所需的总表面积，基于加热芯的总表面积设计加热元件的数量，并将上述加热元件均匀布置于辐射式电加热器的箱体内；
[0011]步骤5、获取加热芯和盘管的有效辐射面积，以及确定用于描述加热芯、盘管和箱体之间的辐射交换的角系数；
[0012]步骤6、基于加热芯和盘管有效辐射面积和角系数，计算加热芯、盘管和箱体之间的辐射热交换受到的阻力，以及加热芯和盘管作为黑体时的辐射能量；
[0013]步骤7、基于辐射能量以及总辐射热阻，计算通过辐射传递的热量，同时，通过计算盘管外表面与箱体内氮气之间的自然对流传热系数，并结合盘管的外表面积和氮气的平均温度差，来计算通过对流传递的热量；
[0014]步骤8、获取通过辐射和对流传递的热量的总和，验证设计的辐射式电加热器是否满足预设需求。
[0015]优选的，所述基于设计参数，确定流体介质在加热过程中所需的总热量Qc，使用公式：
[0016]Qc＝Cp
×
m
dot
×
ΔT；
[0017]其中，
[0018]Cp＝流体介质的比热容J/(kg
·
K)；
[0019]m
dot
＝流体介质的质量流量kg/s；
[0020]ΔT＝流体介质的温度变化℃，ΔT＝T
out
‑
T
in
；
[0021]T
out
＝流体介质的出口温度℃；
[0022]T
in
＝流体介质的入口温度℃；
[0023]所述根据总热量Qc计算流体介质在盘管内的对流传热系数hi，使用公式：
[0024][0025]其中，
[0026]λ＝流体介质在工作温度下的热导率W/(m
·
K)；
[0027]d＝盘管的内径m；
[0028][0029]u＝流体介质在盘管内的平均流速m/s；
[0030]ρ＝流体介质在进出口平均温度下的密度kg/m3；
[0031]μ＝流体介质在进出口平均温度下的动力粘度Pa
·
s；
[0032][0033]Cp＝流体介质的比热容J/(kg
·
K)。
[0034]优选的，所述确定盘管内壁的平均温度Ti，使用公式：
[0035][0036]其中，
[0037]Ai＝盘管的内表面积m2；
[0038]T
avg
＝流体介质的平均温度℃；
[0039][0040]所述确定盘管外壁的平均温度To，使用公式：
[0041][0042]其中，
[0043]b＝盘管的壁厚m；
[0044]所述使得盘管外壁的平均温度To不超过盘管设计的最大可承受温度，具体为：
[0045]若盘管外壁的平均温度To超过盘管设计的最大可承受温度，则调整设计参数，调整设计参数包括提高传热系数或增大盘管面积，以使To小于盘管设计的最大可承受温度。
[0046]优选的，所述根据加热元件的材质和其表面热流密度，以及预设比例的热损失，确定加热芯所需的总表面积A，使用公式：
[0047][0048]其中，
[0049]q
s
＝加热元件的表面热流密度W/cm2；
[0050]η＝加热元件的效率；
[0051]ζ＝预设比例的热损失。
[0052]优选的，所述获取加热芯和盘管的有效辐射面积包括获取加热芯的有效辐射面积A1和获取盘管的有效辐射接收面积A2；
[0053]所述获取加热芯的有效辐射面积A1，具体为：
[0054]计算每个加热元件能够向外辐射的有效面积，并将所有加热元件的有效辐射面积累加以得到总的有效辐射面积A1；
[0055]其中每个加热元件的有效辐射面积＝加热元件的表面积
‑
被其他加热元件遮挡的面积；
[0056]所述获取盘管的有效辐射接收面积A2，具体为：
[0057]所述A2为能够直接接收来自加热芯的辐射的盘管表面积，使用以下公式：
[0058]A2＝Σ(单个盘管段的有效辐射接收面积)；
[0059]其中单个盘管段的有效辐射接收面积＝直接受热的盘管表面积+两层盘管之间间隙的截面积；
[0060]所述确定用于描述加热芯、盘管和箱体之间的辐射交换的角系数，具体为：
[0061]X12＝加热芯对盘管的角系数；
[0062]X13＝加热芯对箱体的角系数；
[0063]X23＝盘管对箱体的角系数。
[0064]优选的，所述计算加热芯、盘管和箱体之间的辐射热交换受到的阻力，使用以下公式：
[0065][0066][0067][0068]∑R＝R1+R2+R3；
[0069]其中，
[0070]R1＝加热芯表面的辐射热阻m2·
K/W；
[0071]R2＝盘管表面的辐射热阻m2·
K/W；
[0072]R3＝空间热阻m2·
K/W；
[0073]∑R＝总辐射热阻m2·
K/W；
[0074]ε1＝加热芯的表面辐射率；
[0075]ε2＝盘管的表面辐射率；
[0076]所述计算加热芯和盘管作为黑体时的辐射能量，使用以下公式：
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种辐射式电加热器设计方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1、确定设计参数，该设计参数包括流体介质参数、盘管参数和加热元件参数；步骤2、基于设计参数，确定流体介质在加热过程中所需的总热量Qc，并根据总热量Qc获取流体介质在盘管内的对流传热系数hi，同时验证管内流速是否在预设范围内；步骤3、基于总热量Qc和对流传热系数hi，确定盘管内、外壁的平均温度，同时使得盘管外壁的平均温度不超过盘管设计的最大可承受温度；步骤4、根据加热元件的材质和其表面热流密度，以及预设比例的热损失，确定加热芯所需的总表面积，基于加热芯的总表面积设计加热元件的数量，并将上述加热元件均匀布置于辐射式电加热器的箱体内；步骤5、获取加热芯和盘管的有效辐射面积，以及确定用于描述加热芯、盘管和箱体之间的辐射交换的角系数；步骤6、基于加热芯和盘管有效辐射面积和角系数，计算加热芯、盘管和箱体之间的辐射热交换受到的阻力，以及加热芯和盘管作为黑体时的辐射能量；步骤7、基于辐射能量以及总辐射热阻，计算通过辐射传递的热量，同时，通过计算盘管外表面与箱体内氮气之间的自然对流传热系数，并结合盘管的外表面积和氮气的平均温度差，来计算通过对流传递的热量；步骤8、获取通过辐射和对流传递的热量的总和，验证设计的辐射式电加热器是否满足预设需求。2.根据权利要求1所述的一种辐射式电加热器设计方法，其特征在于，所述基于设计参数，确定流体介质在加热过程中所需的总热量Qc，使用公式：Qc＝Cp
×
m
dot
×
ΔT；其中，Cp＝流体介质的比热容J/(kg
·
K)；m
dot
＝流体介质的质量流量kg/s；ΔT＝流体介质的温度变化℃，ΔT＝T
out
‑
T
in
；T
out
＝流体介质的出口温度℃；T
in
＝流体介质的入口温度℃；所述根据总热量Qc计算流体介质在盘管内的对流传热系数hi，使用公式：其中，λ＝流体介质在工作温度下的热导率W/(m
·
K)；d＝盘管的内径m；u＝流体介质在盘管内的平均流速m/s；ρ＝流体介质在进出口平均温度下的密度kg/m3；μ＝流体介质在进出口平均温度下的动力粘度Pa
·
s；
Cp＝流体介质的比热容J/(kg
·
K)。3.根据权利要求1所述的一种辐射式电加热器设计方法，其特征在于，所述确定盘管内壁的平均温度Ti，使用公式：其中，Ai＝盘管的内表面积m2；T
avg
＝流体介质的平均温度℃；所述确定盘管外壁的平均温度To，使用公式：其中，b＝盘管的壁厚m；所述使得盘管外壁的平均温度To不超过盘管设计的最大可承受温度，具体为：若盘管外壁的平均温度To超过盘管设计的最大可承受温度，则调整设计参数，调整设计参数包括提高传热系数或增大盘管面积，以使To小于盘管设计的最大可承受温度。4.根据权利要求1所述的一种辐射式电加热器设计方法，其特征在于，所述根据加热元件的材质和其表面热流密度，以及预设比例的热损失，确定加热芯所需的总表面积A，使用公式：其中，q
s
＝加热元件的表面热流密度W/cm2；η＝加热元件的效率；...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩磊，赵延炜，潘新伟，
申请(专利权)人：镇江东方电热有限公司，
类型：发明
国别省市：