圓柱型感應(yīng)式鈉電磁泵自然對(duì)流下的三維溫度場(chǎng)仿真研究

宋德寬，詹佳碩，鄭向陽(yáng)，張 琭，彭康偉，杜麗巖

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京102413; 2.環(huán)境保護(hù)部與輻射安全中心，北京100082)

圓柱型感應(yīng)式鈉電磁泵自然對(duì)流下的三維溫度場(chǎng)仿真研究

宋德寬1，詹佳碩2，鄭向陽(yáng)2，張 琭1，彭康偉1，杜麗巖1

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京102413; 2.環(huán)境保護(hù)部與輻射安全中心，北京100082)

鈉電磁泵國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)研發(fā)對(duì)鈉冷快堆電站具有重要意義，而電磁泵運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量會(huì)嚴(yán)重影響其安全運(yùn)行。因此，電磁泵溫度場(chǎng)的分析研究對(duì)其設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)行監(jiān)測(cè)十分重要。本文以流量為10m3/h，揚(yáng)程為0.5MPa的圓柱型鈉電磁泵為研究對(duì)象建立三維模型，并基于有限元計(jì)算分析方法，對(duì)電磁泵在不同負(fù)荷和工況下進(jìn)行三維溫度場(chǎng)的計(jì)算和分析。計(jì)算結(jié)果顯示，影響電磁泵繞組線圈散熱的主要熱源為泵溝內(nèi)部高溫鈉的導(dǎo)熱，電磁泵繞組線圈在電流為30A的工況下，最高溫度約為493.4K(220.4℃)，接近其設(shè)計(jì)限值513K(240℃)。同時(shí)，本文通過(guò)采用更高絕熱系數(shù)隔熱材料，減少高溫鈉熱量的徑向傳遞，有效地降低了電磁泵繞組線圈的溫度，使其最高溫度降至468.1K(195.1℃)，滿足長(zhǎng)期安全運(yùn)行的要求。最后通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了仿真計(jì)算模型與計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

鈉電磁泵；溫度場(chǎng)；繞組線圈；鈉冷快堆

快堆的開(kāi)發(fā)及商用是我國(guó)核電領(lǐng)域自主發(fā)展的一個(gè)重大戰(zhàn)略，而快堆電站以液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑。鈉電磁泵具備無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在快堆輔助工藝系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。因此，鈉電磁泵的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)，對(duì)于我國(guó)快堆技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展具有重要意義。

電磁泵在運(yùn)行過(guò)程中，其泵溝內(nèi)流過(guò)的高溫液態(tài)金屬鈉不斷向外散熱，同時(shí)其自身感應(yīng)器線圈也會(huì)產(chǎn)生大量的焦耳熱，感應(yīng)器鐵芯、泵溝內(nèi)鐵芯也會(huì)因感應(yīng)電流而產(chǎn)生熱量。這都會(huì)使電磁泵繞組線圈的溫度升高，影響電磁泵的使用壽命和運(yùn)行安全。因此，電磁泵溫度場(chǎng)的分析研究對(duì)電磁泵的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行監(jiān)測(cè)都十分重要。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于鈉電磁泵的熱工特性的研究非常匱乏，大多集中在常規(guī)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析方面[1-5]。本文所研究圓柱型鈉電磁泵為三相交流感應(yīng)式電磁泵，其感應(yīng)器繞組線圈采用空氣自然循環(huán)冷卻設(shè)計(jì)。如果利用自然通風(fēng)的方式不能有效將電磁泵運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量散出，就會(huì)導(dǎo)致線圈溫度過(guò)高而燒毀。因此，本文針這一問(wèn)題建立圓柱型鈉電磁泵三維模型，并對(duì)其在不同工作負(fù)荷及帶鈉與不帶鈉運(yùn)行工況下進(jìn)行溫度場(chǎng)的仿真計(jì)算分析，獲取電磁泵溫度場(chǎng)分布的關(guān)鍵數(shù)據(jù)及規(guī)律，為鈉電磁泵的散熱設(shè)計(jì)提供有效的理論依據(jù)。

1 電磁泵三維溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

1.1 三維模型的建立

本節(jié)以流量10m3，揚(yáng)程0.5MPa鈉電磁泵樣機(jī)為研究對(duì)象，建立如圖1所示的幾何模型。同時(shí)，根據(jù)電磁泵感應(yīng)器及繞組線圈的熱傳遞特點(diǎn)，在進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算之前作如下假設(shè)：

圖1 電磁泵三維模型Fig.1 The three-dimensional models of the electromagnetic pump

1) 繞組線圈產(chǎn)生熱量作為內(nèi)熱源考慮；

2) 電磁泵隔熱層向周圍空氣的輻射換熱忽略；

3) 室內(nèi)環(huán)境溫度按40℃計(jì)算；

4) 感應(yīng)器鐵芯、繞組線圈及絕熱層之間充分接觸，并忽略接觸熱阻，以熱傳導(dǎo)計(jì)算；

5) 感應(yīng)器鐵芯、泵溝壁、隔熱層的端面與空氣絕熱；

6) 不考慮電磁泵表面污垢熱阻的影響；

7) 電磁泵內(nèi)鐵芯和感應(yīng)器鐵芯上的渦流損耗忽略不計(jì)(經(jīng)計(jì)算，額定功率運(yùn)行時(shí)渦流損耗約40.32W，占線圈發(fā)熱量的3.6%，占總散熱量的比例很低，因此忽略其對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響)。

根據(jù)以上假設(shè)，對(duì)電磁泵進(jìn)行三維溫度場(chǎng)仿真計(jì)算，建立其三維導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型如下：

式中：λxλyλz——導(dǎo)熱介質(zhì)在x，y，z方向上的導(dǎo)熱系數(shù)；

qv——單位介質(zhì)體積發(fā)熱量。

溫度場(chǎng)邊界條件可分為以下三類：

1) 溫度邊界條件：T=T0；

式中：α——對(duì)流換熱系數(shù)； n——曲面的法線方向； T——計(jì)算區(qū)域溫度； Tf——相鄰區(qū)域溫度。

電磁泵溫度場(chǎng)計(jì)算模型邊界條件分為兩類：一類以對(duì)流換熱為主，主要包括電磁泵泵溝內(nèi)液態(tài)鈉與泵溝壁之間傳熱，及隔熱層、感應(yīng)器鐵芯、繞組線圈與空氣之間的傳熱；另一類以導(dǎo)熱為主，主要包括電磁泵的泵溝壁與隔熱層之間、隔熱層與感應(yīng)器鐵芯之間、隔熱層與繞組線圈之間、繞組線圈與感應(yīng)器鐵芯之間的熱量傳遞。

1.2 求解區(qū)域

電磁泵繞組線圈的溫度場(chǎng)計(jì)算是本次熱工特性分析的重點(diǎn)。繞組線圈內(nèi)既有內(nèi)熱源即自身電流發(fā)熱，同時(shí)，其本身又是導(dǎo)熱介質(zhì)，電磁泵泵溝內(nèi)的高溫液態(tài)鈉會(huì)通過(guò)泵溝壁、隔熱層向繞組線圈傳遞熱量。如果繞組線圈溫度超過(guò)溫度設(shè)計(jì)上限240℃，就會(huì)導(dǎo)致其燒毀。因此，對(duì)繞組線圈的溫度場(chǎng)計(jì)算至關(guān)重要。電磁泵物理模型如圖2所示。

圖2 電磁泵物理模型Fig.2 Physical Model of the electromagnetic pump

1.3 熱源的計(jì)算

在求解過(guò)程中，需要對(duì)內(nèi)熱源進(jìn)行確定。電磁泵內(nèi)熱源主要由泵溝內(nèi)的高溫鈉傳遞的熱量和繞組線圈自身發(fā)熱構(gòu)成。電磁泵在運(yùn)行過(guò)程中由于鐵損也會(huì)產(chǎn)生一小部分熱量，這在假設(shè)中已提及，這部分熱量可以忽略不計(jì)。

泵溝內(nèi)的液態(tài)金屬鈉的溫度為450℃，液態(tài)鈉通過(guò)對(duì)流傳熱向外傳遞熱量，換熱的公式為：

Φ=Ah(tw-tf)

電磁泵的繞組發(fā)熱主要取決于流經(jīng)繞組的電流及自身的電阻值，對(duì)于M相的繞組損耗為：

PCu=MI2R

式中：M——繞組相數(shù)；I——繞組內(nèi)電流大小；R——繞組電阻(通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得)。

電磁泵的損耗系數(shù)及基本鐵損為：

pFe=kapheGFe

式中：phe——損耗系數(shù)，單位為W·kg-1；p10/50——當(dāng)B=1T、f=50Hz時(shí)，硅鋼片單位質(zhì)量的損耗；

B——磁通密度，單位為T；

ka——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；

GFe——電磁感應(yīng)器質(zhì)量，kg；

pFe——基本鐵損，單位為W。

1.4 導(dǎo)熱系數(shù)及對(duì)流換熱系數(shù)

電磁泵中存在多種材料，電磁泵的主要材料包括保溫材料(玻璃棉氈、納米復(fù)合隔熱材料、316L不銹鋼、硅鋼片、電工純鐵及耐高溫漆包線等)其材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以近似地認(rèn)為是線性規(guī)律變化[6]，即：

λ=λ0(1+bt)

式中：λ0——溫度為0℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)；b——材料溫度對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)的影響系數(shù)。

表2 電磁泵選用材料導(dǎo)熱系數(shù)的溫度影響

由于對(duì)流換熱系數(shù)是一個(gè)受多變量控制的復(fù)雜函數(shù)，很難對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的理論計(jì)算，牛頓公式中的對(duì)流換熱系數(shù)α一般都是采用經(jīng)驗(yàn)公式得到的。本文研究的電磁泵沒(méi)有任何冷卻裝置，依靠空氣自然循環(huán)冷卻進(jìn)行散熱。本次計(jì)算模型忽略電磁泵表面幾何尺寸對(duì)散熱的影響，可近似地認(rèn)為其各部分的對(duì)流換熱系數(shù)僅與空氣流速有關(guān)。電磁泵表面的對(duì)流換熱系數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)公式[7]：

式中：Vx——對(duì)應(yīng)表面位置的風(fēng)速。

對(duì)該電磁泵選擇最嚴(yán)苛的條件，即風(fēng)速極小的狀況，取Vx=0.01m/s，得到電磁泵表面換熱系數(shù)為10.50 W/(m2·K)。

根據(jù)假設(shè)條件及邊界條件，針對(duì)圖1所示的幾何模型，利用有限元法對(duì)不同運(yùn)行工況下電磁泵進(jìn)行溫度場(chǎng)分析計(jì)算。本次計(jì)算模型中電磁泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表3 電磁泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 計(jì)算的結(jié)果與討論

2.1 額定工況下電磁泵溫度場(chǎng)的分布

圖3 帶鈉運(yùn)行時(shí)電磁泵線圈的溫度場(chǎng)分布圖Fig.3 The thermal field map of coils when the electromagnetic pump operation with sodium

根據(jù)上述模型，對(duì)電磁泵進(jìn)行三維溫度場(chǎng)的仿真計(jì)算，由于繞組線圈存在超溫即會(huì)被燒毀的嚴(yán)重后果，同時(shí)繞組線圈又緊貼感應(yīng)器鐵芯。因此，本文重點(diǎn)研究繞組線圈和感應(yīng)器鐵芯的溫度場(chǎng)分布。圖3和圖4是在額定工況下帶鈉運(yùn)行、環(huán)境溫度為40℃、入口鈉溫為723K、鈉流量為10m3/h、繞組線圈電流值為30A時(shí)電磁泵感應(yīng)器及繞組線圈三維溫度場(chǎng)分布云圖。從仿真計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，線圈與感應(yīng)器接觸的區(qū)域溫度較高，平均溫度達(dá)到436.1K(163.1℃)，而線圈與空氣接觸的區(qū)域溫度較低，平均溫度為406.7K(133.7℃)。這是因?yàn)殡m然感應(yīng)器的導(dǎo)熱系數(shù)較大，而電磁泵表面換熱系數(shù)很小。但根據(jù)傳熱公式Q=kAΔt可知，換熱區(qū)域傳熱量的大小與傳熱系數(shù)k，溫差Δt及換熱面積A有關(guān)，線圈與感應(yīng)器接觸的區(qū)域及線圈與空氣接觸的區(qū)域在面積相同的情況下，傳熱量就只與傳熱系數(shù)k和溫差Δt有關(guān)。

圖4 帶鈉運(yùn)行時(shí)電磁泵感應(yīng)器溫度場(chǎng)分布圖Fig.4 The thermal field map of silicon-steel plate when the electromagnetic pump operation with sodium

線圈與感應(yīng)器接觸的區(qū)域的傳熱系數(shù)為：

式中：δ1，δ2——分別為線圈中心至感應(yīng)器界面的壁厚及感應(yīng)器界面至感應(yīng)器中心的壁厚；

λ1，λ2——分別為線圈和感應(yīng)器的導(dǎo)熱系數(shù)。

通過(guò)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)表4)，線圈與空氣接觸的區(qū)域傳熱量比線圈與感應(yīng)器接觸區(qū)域的傳熱量多了38.4%，因此，雖然感應(yīng)器鐵芯的導(dǎo)熱性能更好，但是由于空氣與線圈溫差較大，因此，線圈與空氣接觸的區(qū)域溫度會(huì)更低。

表4 線圈不同區(qū)域傳熱量的比較

同時(shí)，線圈和感應(yīng)器的溫度場(chǎng)分布均呈現(xiàn)中間高兩端低，貼近隔熱層的區(qū)域溫度高，外端面溫度低的規(guī)律。這是由于中間區(qū)域散熱效果較差，周圍都是高溫區(qū)域。而在兩端周圍相對(duì)都是低溫區(qū)域，散熱效果較好。同時(shí)，泵溝內(nèi)的高溫液態(tài)鈉是電磁泵的主要熱源，因此，在感應(yīng)器和線圈貼近隔熱層的位置溫度較高。

2.2 帶鈉運(yùn)行時(shí)，不同負(fù)荷對(duì)繞組線圈及感應(yīng)器溫度的影響

繞組線圈與感應(yīng)器接觸的區(qū)域沿電磁泵徑向的溫度分布如圖5所示。圖中橫軸0點(diǎn)處為電磁泵內(nèi)鐵芯的中心。在靠近電磁泵隔熱層的徑向區(qū)域以及感應(yīng)器靠近空氣的端面區(qū)域溫度梯度較大；在線圈徑向的中間區(qū)域溫度梯度較小，溫度分布較為平緩。

圖5 帶鈉運(yùn)行時(shí)電流值對(duì)線圈溫度的影響Fig.5 The influence of current value to the coil temperature when the electromagnetic pump operation with sodium

感應(yīng)器中間區(qū)域沿電磁泵徑向的溫度分布如圖6所示，圖中橫軸0點(diǎn)處為電磁泵內(nèi)鐵芯的中心。由圖可知，在靠近電磁泵隔熱層的區(qū)域溫度梯度較大，沿感應(yīng)器徑向方向向外溫度逐漸降低。同時(shí)，由于感應(yīng)器端面區(qū)域與空氣的溫差降低，在靠近感應(yīng)器端面區(qū)域時(shí)，溫度梯度趨于平緩。

圖6 帶鈉運(yùn)行時(shí)電流值對(duì)感應(yīng)器溫度的影響Fig.6 The influence of current value to the silicon-steel plate temperature when the electromagnetic pump operation with sodium

通過(guò)對(duì)電磁泵帶鈉時(shí)，在額定運(yùn)行工況不同負(fù)荷下溫度場(chǎng)的計(jì)算分析，可知電磁泵線圈在電流為30A下最高溫度為220.4℃，接近電磁泵繞組線圈最高溫度限值240℃。在電磁泵不通電流的情況下，其線圈最高溫度約為178.4℃，略低于電磁泵繞組線圈的溫度限值。

2.3 不帶鈉運(yùn)行時(shí)，不同負(fù)荷對(duì)繞組線圈及感應(yīng)器溫度的影響

通過(guò)對(duì)不帶鈉運(yùn)行的電磁泵在不同電流值下的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到電磁泵線圈電流在30A時(shí)最高溫度為375.6K(102.6℃)，較在帶鈉運(yùn)行下電磁泵最高溫度493.4K(220.4℃)低了近120K。同時(shí)，結(jié)合2.2節(jié)計(jì)算結(jié)果，可知泵溝內(nèi)的液態(tài)金屬鈉是電磁泵主要的熱源，是導(dǎo)致電磁泵繞組線圈超溫的主要因素(見(jiàn)圖7)。

圖7 帶鈉與不帶鈉運(yùn)行時(shí)電磁泵線圈溫度的比較Fig.7 Compare the coil temperature between the different operation conditions

2.4 隔熱層導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)繞組線圈及感應(yīng)器溫度的影響

通過(guò)對(duì)帶鈉及不帶鈉運(yùn)行工況下，電磁泵在不同負(fù)荷下工作時(shí)溫度場(chǎng)計(jì)算分析，認(rèn)為可以通過(guò)提高電磁泵隔熱層熱阻，解決電磁泵繞組線圈在較高電流下工作溫度過(guò)高的問(wèn)題。本節(jié)將保溫材料由玻璃棉氈改為納米復(fù)合隔熱材料，再次對(duì)帶鈉運(yùn)行工況下電磁泵在不同負(fù)荷時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算。電磁泵繞組線圈和感應(yīng)器在徑向方向的溫度分布如圖8和圖9所示，計(jì)算結(jié)果顯示其溫度分布規(guī)律與2.2節(jié)中一致。

圖8 帶鈉運(yùn)行時(shí)電流對(duì)電磁泵線圈溫度的影響Fig.8 The influence of current value to the coil temperature when the electromagnetic pump operation with sodium

圖9 帶鈉運(yùn)行時(shí)電流對(duì)電磁泵感應(yīng)器溫度的影響Fig.9 The influence of current value to the silicon-steel plate temperature when the electromagnetic pump operation with sodium

更換隔熱層后，電磁泵繞組線圈在30A時(shí)最高溫度為468.1K(195.1℃)，較更換之前電磁泵最高運(yùn)行溫度493.4K(220.4℃)降低了約25.3K，完全滿足線圈長(zhǎng)期安全運(yùn)行溫度限值473K(200℃)。同時(shí)，各負(fù)荷工況下運(yùn)行線圈溫度平均降低約28.2℃。從圖10中可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)提高隔熱材料的熱阻，可以有效改善電磁泵繞組線圈溫度過(guò)高的問(wèn)題。

圖10 不同熱導(dǎo)率的隔熱層對(duì)電磁泵線圈溫度的影響Fig.10 Compare the coil temperature between the different heat insulator

3 仿真計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.1 實(shí)驗(yàn)概述

為了驗(yàn)證計(jì)算模型及結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)電磁泵樣機(jī)在額定帶鈉工況下進(jìn)行熱工測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)共分為兩組，第一組泵溝隔熱材料采用玻璃棉氈，電磁泵繞組線圈負(fù)荷為0A、5A、10A、15A、20A、25A，為防止電磁泵繞組線圈超溫?zé)龤В敬挝催M(jìn)行30A時(shí)電磁泵的熱工特性試驗(yàn)。第二組試驗(yàn)泵溝隔熱材料采用納米復(fù)合隔熱材料。電磁泵繞組線圈負(fù)荷分別為0A、5A、10A、15A、20A、25A、30A。試驗(yàn)過(guò)程中溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖11所示。

圖11 電磁泵樣機(jī)溫度測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.11 The temperature measurement layout of the sample

3.2 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)時(shí)無(wú)論采用玻璃棉氈或納米復(fù)合隔熱材料，最高溫度分布始終為圖 11中的T2位置，這也與之前模擬計(jì)算結(jié)果一致，即最高溫度在電磁泵中間區(qū)域。不同負(fù)荷下試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算的結(jié)果對(duì)比如表5所示和表6所示。

表5 電磁泵樣機(jī)溫度分布試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比(保溫材料為玻璃棉氈)

注：相對(duì)偏差=(試驗(yàn)結(jié)果-模擬結(jié)果)/試驗(yàn)結(jié)果

圖12 電磁泵樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比(保溫材料為玻璃棉氈)Fig.12 Comparison of experimental and simulation results (heat insulator is glass cotton felt)

由表5可知，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，相對(duì)誤差在可接受的范圍之內(nèi)。但是隨著電流值的增大，相對(duì)誤差也隨之變大，在電流值為15～20A時(shí)，相對(duì)誤差達(dá)最大5.5%左右，之后隨電流值的增加而逐漸減小。這是由于在低電流下，鐵損產(chǎn)生的熱量較小，計(jì)算時(shí)將其忽略對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大。當(dāng)電流逐漸增大后，鐵損亦隨之增加，但是隨著電流進(jìn)一步增大，鐵損相對(duì)總熱源所占比例又趨于減小。因此，計(jì)算相對(duì)誤差又逐漸減小。

表6 電磁泵樣機(jī)溫度分布試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比(保溫材料為納米復(fù)合隔熱材料)

注：相對(duì)偏差=(試驗(yàn)結(jié)果-模擬結(jié)果)/試驗(yàn)結(jié)果

圖13 電磁泵樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比(保溫材料為納米復(fù)合隔熱材料)Fig.13 Comparison of experimental and simulation results (heat insulator is nanocomposite)

采用納米復(fù)合隔熱材料為隔熱材料重新進(jìn)行試驗(yàn)，得到的規(guī)律和趨勢(shì)與前面的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。電磁泵線圈溫度隨著電流的增大，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的相對(duì)偏差逐漸增大。當(dāng)接近額定電流時(shí)誤差逐漸減小并趨于穩(wěn)定。同時(shí)，電磁泵繞組線圈的溫度較采用玻璃棉氈為隔熱材料時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果明顯下降，最高溫度為

204.2℃。這說(shuō)明通過(guò)提高保溫材料的熱阻可以有效降低繞組線圈的溫度。

4 結(jié)論

本文計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果分析得到，影響鈉電磁泵繞組線圈及感應(yīng)器鐵芯溫度場(chǎng)分布的主要因素是泵溝內(nèi)高溫鈉向其傳導(dǎo)的熱量，繞組線圈自身所產(chǎn)生的焦耳熱相對(duì)所占比重較小。因此，提高隔熱材料熱阻系數(shù)可以有效改善電磁泵線圈溫度過(guò)高的狀況。同時(shí)，本文通過(guò)更換隔熱材料，有效地降低了鈉電磁泵樣機(jī)繞組線圈的溫度，使其最終滿足設(shè)計(jì)要求。

最后，本文通過(guò)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，證明了計(jì)算過(guò)程中所采用的模型是正確的，計(jì)算時(shí)所進(jìn)行的一系列假設(shè)條件是合理可行的。同時(shí)，在計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果分析中所得到一些電磁泵熱工特性規(guī)律可直接用于后期電磁泵的設(shè)計(jì)。

[1] Aldo Boglietti, Cavagnino A, Lazzari M, et al. A simplified thermal model for variable-speed self-cooled industrial induction motor[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2003,39(4):945-952.

[2] 康燕琴，上官漩峰，肖家樂(lè)，等.圓柱型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算與分析[J].微電機(jī)，2009,42(2)：18-21.

[3] 王艷武，孫斌，王斌，等.三相異步電機(jī)三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真研究[J].紅外技術(shù)，2011,33(7):416-419.

[4] 劉元江. 圓筒形直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)特性和動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)的研究[D]. 西安：西安交通大學(xué)學(xué)位論文，1998.

[5] 王旭強(qiáng). 圓筒型永磁直線同步電機(jī)電磁性能及溫度場(chǎng)研究[D]. 河南：河南理工大學(xué)學(xué)位論文，2010.

[6] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[7] И. Ф. 菲利包夫. 電機(jī)中的熱交換[M].楊斌，譯.北京：原子能出版社，1989：14-33.

The Simulation Research of Three-dimensional Thermal Field of the Cylindrical Electromagnetic Sodium Pump Under the Natural Convection

SONG De-kuan1, ZHAN Jia-shuo2, ZHENG Xiang-yang2, ZHANG Lu1, PENG Kang-wei1, DU Li-yan1

(1.China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China; 2.Nuclear and Radiation Safety Center, Beijing 100082，China)

Domestic research and development of electromagnetic pump is of great significance to the demonstration fast reactor power station. The heat generated by the electromagnetic pump during operation will seriously affect the safe operation. So, the analysis and research of the electromagnetic pump thermal field is very important to design、manufacture and run state monitoring of the electromagnetic pump. The three-dimensional models of the electromagnetic pump has been established, which has 10m3/h flow at rated operating condition. The three-dimensional model’s temperature field had been estimated under any operating conditions for the electromagnetic pump in this paper, and it employs finite-element method to analyze the thermal fields. The result of theoretical calculation showed that, liquid sodium is the main source of heat. The temperature of coil will reach 493.4K(220.4℃)when the current of coil is 30A, which was very close to the limits 513K(240℃).Meanwhile, by changing the heat insulator could improve material thermal resistance and reduce heat transfer from liquid sodium. The result of theoretical calculation showed that, the temperature of the coil decreased obviously, the maximum temperature of coil dropped to 468.1 K (195.1 ℃),which meets the requirements of the safe operation. At last, the experimental results were consistent with the calculation results, which proved the correction of the calculation results.

Sodium electromagnetic pump； Thermal field； Coils； Fast reactor

2015-12-30

宋德寬(1983—)，男，河南開(kāi)封人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆熱工和安全研究工作

TL353+.1

A

0258-0918(2016)06-0776-08