電磁器件在燃油加溫系統中的應用

摘 要：許多民航空管系統地處高海拔山區和偏遠寒冷地區。為了保證系統的柴油發電機在低溫條件下能夠隨時正常啟動，因此在冬季需要對燃油進行加熱保溫處理。盡管對燃油的加溫方法是多種多樣的，但只有安全、節能、小型化的加熱手段更能滿足空管設備運行的需求。電磁熱器件在加熱系統中的應用，突顯了它的特點和優勢。

關鍵詞：電磁；渦流；加熱系統；燃油

一、儲油箱燃油加熱系統

對于儲油箱內燃油的加熱和保溫，其關鍵是采取什么樣的加熱方式來確保安全；選擇可靠、高效、易于控制的熱交換方式，保證油箱內的燃油和輸送管路內的燃油溫度一致，關鍵是不能讓滯留在供油管路內的燃油產生凝結。首先，系統要具備多重安全保護和故障隔離設施，具有閉環的溫度控制和狀態告警及遠程監控功能，良好的人機界面便于操作。還要避免在安裝油箱的燃料室內直接使用電力加熱方式加熱。熱交換應選擇在燃料室外部進行，要考慮安全可靠的熱交換方式和工作介質。本文中設計的電磁加熱系統（圖1）可以滿足上述需求。

（一）系統的工作原理

在油箱供油管路的適當位置上安裝一組或多組（可根據燃油箱大小來選擇電磁加熱器的組數）電磁加熱器組件，將電磁加熱組件與輸油管巧妙的連接起來，其特有的電磁加熱器結構可將熱能直接傳遞給管路內的燃油。在供油管線末端安裝兩個單向閥門并連接入一臺防爆燃油泵，燃油泵在驅動器的控制下，按照程序所設定的流量對燃油泵流量進行控制，油泵驅動管路內的燃油在主燃油箱內往復循環，以達到整個油箱及油管路內的燃油溫度一致。PLC控制器用來完成系統的閉環控制和管理工作，用觸摸屏來完成對系統的顯示和操作，還可通過遠端數據接口實現對設備的遠程訪問。

（二）系統的優點

本文中設計的加熱系統有以下優點：

1、加熱源與燃油箱互相隔離，降低了安全隱患。

2、電磁加熱器件采用了串聯型雙重溫度保護，在系統出現故障時可以自動切斷熱源，提高了系統的安全性。

3、小巧的電磁加熱器替代了以往水加熱系統中的循環水箱、加熱水罐、水控制系統、水泵、管路等諸多附加設備，使系統更加小型化。

4、200W的電磁加熱器組件取代了水加熱系統的附加設備，節能效果更加顯著。

二、電磁加熱器的設計

（一）電磁加熱器應用原理——渦流效應

電磁加熱器的應用實際上是渦流效應的應用。將一閉合鐵芯（或一整塊導體）處于交變電磁場中，交變的磁通量使閉合鐵芯中產生感應電流，形成渦電流。由于整塊鐵芯（或導體）電阻很小，產生的渦電流很大，電流的熱效應可以使鐵（或其它金屬）達到很高的溫度，這便是渦流效應。

（二）電磁器的發熱與結構

渦流致熱是利用導體切割磁力線，形成渦電流而產生熱的一種致熱方式。如何使用渦流技術巧妙利用熱能，在燃油自動加熱系統中的應用更具有直接和重要的意義。設圓柱型發熱體長度為?，電阻率為ρ，半徑為r，置于交一個變磁場中，對于一個長度為?的發熱體，其發熱功率近似為：

上式中H為發熱體表面場強；A為發熱體沿場強方向截面積；?為交變磁場頻率；μ為磁導率。從公式中可以看出渦流的熱功率正比于磁場交變頻率f、磁導率μ和磁場強度H。因此，為了使電磁加熱器產生較大的熱量，獲得較大的功率輸出，需要提高磁場交變頻率f、提高磁場強度H、增加發熱體的磁導率μ、減小發熱體的電阻率ρ。在明確影響發熱體的因素之后，如何設計電磁加熱器構件，控制渦流確定發熱源，進而分析發熱、散熱及熱源的利用是十分重要的。磁路中不同的導磁材料形成的磁通量不同，渦流損耗固然不同，發熱的情況也不同。通常的方法是利用適合的導電性能或不同的導磁材料來滿足所需的磁通量與渦流。甴公式（5）得出磁導率越大，所產生的渦流效應也越大，發熱功率也越高。在銅、鋁、鐵金屬材料相比之下鐵的磁導率遠于大銅和鋁，在磁場強度相同的條件下，鐵的渦流效應在同時間內所產生的熱量遠大于銅和鋁。由此可見，渦流的控制是與導體的厚度和最大磁感應強度以及金屬材質因素有關，掌控鐵芯的厚度，控制渦流回路中的電阻，可以顯著減小電阻率。綜合因素的考慮，聯系到實際被加熱對象的要求，提出三項設計原則：首先要確定鐵質作為導磁材料增大磁導率；第二要根據使用環境確定外形結構尺寸及鐵芯的厚度，減小電阻率。第三限定加熱體的輸出功率及最高升限溫度。其次，增加發熱量的措施還有：1、提高電源頻率，因為渦流的熱功率正比于磁場交變頻率f，較高的交變磁場可以獲得較大的功率輸出。2、改變電磁加熱器的輸入功率，可以改變其磁場強度H，達到對發熱體的發熱量的控制。這兩項控制手段是通過PLC的控制來完成。

（三）電磁加熱器的發熱功率

由發熱功率公式中得知影響電磁發熱體功率因素的主要相關物理量是磁場強度H，磁場變化頻率f以及發熱體的磁導率μ。將磁場交變頻率f、發熱體的磁導率μ設為恒定值的時候，通過改變線圈端電壓來觀測發熱體溫度隨電壓的變化情況。實驗中得出下表；在頻率不變，通電時間相同（20分鐘），環境溫度16℃。表1為電壓不同時發熱體發熱功率及溫度的變化關系。

三、電磁加熱器件的應用對象與效果

電磁加熱器件是柴油發電機燃油自動加熱系統中的一個重要加熱器件。既是對柴油發電機的燃油加熱，就要考慮加熱對象的安全性，有必要了解其柴油的特性。柴油發電機燃料屬于輕柴油。輕柴油的閃點是45--120℃；自然點是350--380℃。針對此項標準，自動加熱系統在寒冷的冬季針對燃油箱以及供油管路進行加溫、恒溫處理時加熱系統對燃油的溫度有著嚴格的限定。雖然加熱系統的使用環境是在寒冷的冬季，不會造成柴油出現閃電和自然點的條件，但對油溫一般限定在10-15℃。對于這一點來說燃油加熱是安全的。另外，電磁加熱器件是應用在主供油管路的某一段管線上。就電磁加熱器的結構特點來看，實際上是一個“直接接觸式”的熱交換器，其線圈鐵芯外側是一條長145mm，寬35mm，高30mm，內凹半徑13mm內弧線型發熱體實體鐵芯，可以緊密扣接在供油管外徑。發熱體將熱量儲蓄于管壁內，壁內的溫度逐漸升高，而當冷流體流過時，壁面放出熱量，壁面的溫度逐漸降低，如此反復進行，以達到熱交換的目的。特殊結構的加熱體可以將熱能直接傳導給柴油管線內的燃油，由于柴油流體在“燃油泵”的驅動下沿管壁的它側緩緩流動（由PLC控制其流量），熱量通過壁面進行有效的傳遞。實現了儲油箱與輸油管路內的油溫一致，不僅有效地杜絕了冬季滯留在管路內柴油結蠟的情況的發生，還避免了局部加熱點的溫度過高的情況出現。

從實際使用效果上看；北京某雷達站油機房的主燃油箱容積1.5×0.8×0.8=1個立方，燃油室到柴油發電機房有一條鋪于地面的輸油管，油管線總長24米。在11月下旬至來年3月上旬加熱系統開始試運行；運行前使用手持激光測溫儀測得實際測量回油管路處的溫度-10℃，主油箱室溫是3℃，墻壁溫度0℃。自動加熱系統設定燃油溫度10℃。系統運行4.5小時之后，油溫達到設定要求，系統自動進入保溫狀態，加熱組件開始間斷工作。在冬季試運行期間系統所消耗的電能為450度（表上顯示）。如果使用2臺（2KW）電暖器加熱在同等的條件下，對燃油室及油機房的環境加溫，電暖器每天所消耗的電能4KWX24=96（度）；一個冬季下來就高達數千度電。一個幾百瓦的電磁加熱系統取代了幾千瓦的電暖氣加熱設施。節能是顯而易見的。同時，系統對燃油箱的恒溫控制使得在換季期間省去了需要更換其它標號柴油這項必做的工作，還對燃油的存儲、管理、使用以及發電機的運行非常有利，為安全生產提供了更高的保障。以PLC為中心的一個閉環自動化控制系統，以小型方便的電磁加熱體為前端，配合完整的傳感器、控制器、執行器，較好地完成了控制、顯示、報警、記錄、管理的功能，良好的人機界面，易于操作維護。滿足了燃油加熱系統的安全、節能、小型化的要求。

四、小結

燃油箱自動加熱系統的應用能夠在安全的前提下，解決燃料在高山及寒冷地域中無法保持恒溫的問題。通過兩年的實驗、測試、試運行等環節，證明該電磁加熱器應用在儲油箱加熱系統中是可行的。它的安全、節能、小型化等特性已經得到初步驗證，此項技術的應用能夠產生良好的社會效益和經濟效益。