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[摘要]通过对电加热器设计方案进行CFD数值模拟分析和热工试验，分析设计方案的可行性，根据试验结果进行设计改进，确定可行方案。
[关键词]电加热器 模拟分析 热工试验
中图分类号：U270 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）13-0075-01
1 概述
电热采暖是利用管式电热元件，将电能转换成热能，用以加热室内空气的装置[1]。空调客车电热采暖通常在送风道中安装有用电加热的预热器，使送入车内的空气被加热到要求的温度，当负荷不足以满足环境要求的时候，还应该在车内地板面上设置补偿式电加热器。
客室加热常用的补偿式加热设备是板式电加热器，工作时通过电热丝把电能转变成热能，使电热板温度升高，再通过自然对流换热和辐射换热两种方式传给罩壳、周围空气和车厢的内壁，罩壳、周围空气和车厢的内壁也以同样的方式进行传热。为了保证车辆的安全性和环境热舒适性，铁标TB/T 2704-2005《铁道客车电取暖器》[2]规定：电取暖器在环境温度18℃～20℃且无风条件下，加额定电压工作1小时后，面罩表面任意点的最高温度不应高于65℃；电热板任意点的最高温度不高于165℃，电热管任意点的最高温度不高于180℃。铁路客车电加热器的设计需要以此标准为依据。
2 设计方案分析与改进
新设计的一组地板补偿式电加热器，电加热器额定功率300W，管子长度为600mm，初步定义电加热器采用不锈钢管。下面分别用CFD数值模拟计算和热工试验两种方法对设计方案进行分析与改进。
2.1 CFD数值模拟计算
在车辆电加热器的设计计算中，一般应用的是稳态传热原理，即车体中的电加热器、空气温度分布和传热量始终是常数，不随时间变化。而实际上车内外所受到的热作用都是随着车辆的所在地点、方位、时间、车内人数和发热设备容量的不同而变化的，这导致车内空气温度随时波动，所以稳定传热在实际条件下是不存在的。但是如果把某个周期内的平均外气温度作为常数，并借助于电加热设备使车内的温度达到一定程度的稳定，这样按稳定传热进行电加热器换热性能的计算是基本符合实际的，而且还可大大简化计算工作，这对实际的工程应用是很重要的。
热量从电加热器的电热丝传至车内的空气中，其传热过程可以分为三个阶段：
（1）电热管内部传热——电热丝将电能转化为热能，并将热能以导热方式传递到电热管的外表面。
（2）电热管和肋片的表面传热——热量以自然对流和辐射换热的方式从电热管和肋片表面传至罩壳、周围空气和空间的内壁。
（3）罩壳表面的传热——热量以自然对流和辐射换热的方式从罩壳外表面传至车厢内的空气、乘客和车体内表面。
采用CFD软件对电加热器和车体的模拟环境进行计算后，电加热器外表面最高温度为48℃，满足TB/T 2704-2005《铁道客车电取暖器》的要求，电热管外表面最高温度为277℃，不满足TB/T 2704-2005《铁道客车电取暖器》的要求。
2.2 热工试验
分别对采用温控器和不采用温控器两种情况进行对比试验，结合试验结果确定设计方案改进。
2.2.1 采用一级温控器
按照TB/T 2704-2005的试验方法，在电加热管和壳体上设置测量点，在额定电压下加热一小时后，各测量点的温度随时间的变化平缓，有规律。
2.2.2 不采用一级温控器
1）更改电加热器类型，改为套片式；
2）将电加热管管径增大。
3 结论
通过试验发现，新设计的电加热管表面温度最高为135.2℃，壳体顶部表面温度27.9度，出风口（壳体五、壳体六）表面温度为47.7度，符合TB2704-2005中对电加热器各项指标的要求，此电加热器可以应用与实际生产中，设计方案可行。
参考文献
[1] 车辆设计参考手册，谭音主编，中国铁道出版社，1993年.
[2] TB/T 2704-2005 《铁道客车电取暖器》.
[关键词]电加热器 模拟分析 热工试验
中图分类号：U270 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）13-0075-01
1 概述
电热采暖是利用管式电热元件，将电能转换成热能，用以加热室内空气的装置[1]。空调客车电热采暖通常在送风道中安装有用电加热的预热器，使送入车内的空气被加热到要求的温度，当负荷不足以满足环境要求的时候，还应该在车内地板面上设置补偿式电加热器。
客室加热常用的补偿式加热设备是板式电加热器，工作时通过电热丝把电能转变成热能，使电热板温度升高，再通过自然对流换热和辐射换热两种方式传给罩壳、周围空气和车厢的内壁，罩壳、周围空气和车厢的内壁也以同样的方式进行传热。为了保证车辆的安全性和环境热舒适性，铁标TB/T 2704-2005《铁道客车电取暖器》[2]规定：电取暖器在环境温度18℃～20℃且无风条件下，加额定电压工作1小时后，面罩表面任意点的最高温度不应高于65℃；电热板任意点的最高温度不高于165℃，电热管任意点的最高温度不高于180℃。铁路客车电加热器的设计需要以此标准为依据。
2 设计方案分析与改进
新设计的一组地板补偿式电加热器，电加热器额定功率300W，管子长度为600mm，初步定义电加热器采用不锈钢管。下面分别用CFD数值模拟计算和热工试验两种方法对设计方案进行分析与改进。
2.1 CFD数值模拟计算
在车辆电加热器的设计计算中，一般应用的是稳态传热原理，即车体中的电加热器、空气温度分布和传热量始终是常数，不随时间变化。而实际上车内外所受到的热作用都是随着车辆的所在地点、方位、时间、车内人数和发热设备容量的不同而变化的，这导致车内空气温度随时波动，所以稳定传热在实际条件下是不存在的。但是如果把某个周期内的平均外气温度作为常数，并借助于电加热设备使车内的温度达到一定程度的稳定，这样按稳定传热进行电加热器换热性能的计算是基本符合实际的，而且还可大大简化计算工作，这对实际的工程应用是很重要的。
热量从电加热器的电热丝传至车内的空气中，其传热过程可以分为三个阶段：
（1）电热管内部传热——电热丝将电能转化为热能，并将热能以导热方式传递到电热管的外表面。
（2）电热管和肋片的表面传热——热量以自然对流和辐射换热的方式从电热管和肋片表面传至罩壳、周围空气和空间的内壁。
（3）罩壳表面的传热——热量以自然对流和辐射换热的方式从罩壳外表面传至车厢内的空气、乘客和车体内表面。
采用CFD软件对电加热器和车体的模拟环境进行计算后，电加热器外表面最高温度为48℃，满足TB/T 2704-2005《铁道客车电取暖器》的要求，电热管外表面最高温度为277℃，不满足TB/T 2704-2005《铁道客车电取暖器》的要求。
2.2 热工试验
分别对采用温控器和不采用温控器两种情况进行对比试验，结合试验结果确定设计方案改进。
2.2.1 采用一级温控器
按照TB/T 2704-2005的试验方法，在电加热管和壳体上设置测量点，在额定电压下加热一小时后，各测量点的温度随时间的变化平缓，有规律。
2.2.2 不采用一级温控器
1）更改电加热器类型，改为套片式；
2）将电加热管管径增大。
3 结论
通过试验发现，新设计的电加热管表面温度最高为135.2℃，壳体顶部表面温度27.9度，出风口（壳体五、壳体六）表面温度为47.7度，符合TB2704-2005中对电加热器各项指标的要求，此电加热器可以应用与实际生产中，设计方案可行。
参考文献
[1] 车辆设计参考手册，谭音主编，中国铁道出版社，1993年.
[2] TB/T 2704-2005 《铁道客车电取暖器》.