船用重油IHS裝置設計優化

劉 肖 閆 棚 劉 暢

（江蘇科技大學 能源與動力學院 鎮江212003）

船用重油IHS裝置設計優化

劉 肖 閆 棚 劉 暢

（江蘇科技大學 能源與動力學院 鎮江212003）

船舶營運為節省成本，普遍使用重油作為燃料。重油因為粘度高，必須對其加熱降低其粘度，才能保證燃燒質量，提高柴油機效率。該文針對船舶供油單元重油EHS電加熱所存在效率低、加熱慢、故障率高等缺點，設計了一種新型重油加熱降粘裝置。根據電磁感應加熱原理（IHS），通過加熱線圈對重油管道進行感應加熱，降低重油粘度使之滿足進機要求；在設計重油管道IHS系統結構的基礎上，利用COMSOL Multiphysics多物理場分析軟件進一步對管道IHS進行仿真優化，包括對加熱頻率、加熱線圈材質和結構、輸油管道材質和結構等進行優選。

重油粘度； 電加熱方式；感性加熱方式； COMSOL Multiphysics

引 言

針對傳統船舶供油單元輔助EHS電加熱所存在的效率低、加熱慢、故障率高等缺點，從節能減排、保護環境的理念出發對船舶供油單元重油電加熱裝置進行改造與升級［1］。利用電磁感應非接觸特性，對船用重油加熱。其加熱方式是將感應線圈環繞在輸油管道上，輸油管道感應產生渦流發熱，再對管道中的重油進行加熱［2］。本文將IHS技術引入船舶供油單元，在對重油管道電磁感應加熱進行結構設計的基礎上，為提高加熱器的換熱效率，根據COMSOL Multiphysics多物理仿真軟件，對輸油管道及加熱線圈的結構和材質進行仿真優化。

1 IHS加熱器結構設計

在石油管道加熱和EHS筒體電加熱模型的基礎上［3］，設計了基于IHS的重油降粘結構。重油輸油管道由3根船用鋼管（國標DN25）并聯，重油從入口流入，通過3根并聯管道，從出口排出，管道外部附著一層保溫棉，3根IHS線圈并聯呈三角形繞置于管道外，緊貼保溫棉錯位排列，重油管道IHS結構設計如圖1所示。

圖1 管道IHS結構圖

電磁感應加熱器參數如表1所示，重油管道參數如表2所示。

表1 電磁感應加熱器參數

表2 管道參數

在對重油管道IHS進行整體設計的基礎上，進一步對管道IHS進行仿真優化，包括對加熱頻率、加熱線圈材質與結構、輸油管道材質與結構等進行優選。

2 IHS加熱器的仿真及優化

現代化的感應加熱電源，如品閘管、IGBT、MOSFET電源［4］，其理論電效率可高達90%，但是設計不良的感應器，其電效率可能并不理想。因此，感應器的優良設計是整個加熱效果的關鍵［5］。針對本次研究的重油管道IHS加熱器，根據其加熱的特性以及重油的物理性質，可以對加熱頻率，加熱線圈，輸油管道等進行優化設計。

2.1 IHS加熱頻率

為驗證頻率15~20 kHz時，重油IHS的效果是否最理想，利用COMSOL Multiphysics軟件［6］（AC/DC）模塊對IHS的頻率進行仿真分析。模型采用銅管加熱線圈、船用輸油碳鋼管道，線圈屬性如下頁表3所示，碳鋼管屬性如下頁表4所示。

根據計算的最佳頻率范圍15~20 kHz，本次仿真采用四組頻率5 kHz、15 kHz、20 kHz、30 kHz，對應的感應電流分布如下頁圖2所示。

圖2中隨著電流頻率的增加，管道面上產生的感應電流密度也增大，頻率5 kHz時的感應電流密度為70.3 A/m2，頻率15 kHz時的感應電流密度為164 A/m2。當頻率從15 kHz增加到20 kHz時，管道面上的感應電流密度不再增大，同時感應產生的渦流主要集中在管道表層，深度在2~3 mm，這也符合輸油管道的加熱特點。當頻率從20 kHz增至30 kHz時，表面的感應電流密度由160 A/m2降至145 A/m2，因此針對管道IHS，線圈電流頻率在15 kHz時加熱效果更好。

表3 銅管線圈材料屬性

表4 碳鋼管屬性

圖2 感應電流分布

2.2 線圈結構的仿真及優化

不同的線圈形狀對IHS有不同的影響。對于銅管線圈截面的選擇，主要考慮到電流的環狀效應。當環形線圈通過高頻率交流電流時，最大電流密度分布在線圈內側，這種效應稱為環狀效應（如圖3所示）［6］。環狀效應使線圈感應器上的電流集中到線圈內側，對直徑小于線圈的零件外表面加熱十分有利，本次管道IHS即零件外表面加熱。

為驗證設計的可行性，以期達到最佳優化結果，采用COMSOL Multiphysics軟件的（AC/DC）模塊對本次研究設計（如IHS螺旋線圈、輸油管道等）進行仿真分析。IHS螺旋銅管線圈材料屬性參見表3，船用碳鋼管材料屬性參見表4。選取截面積相等的圓形線圈和矩形線圈，對比兩種線圈在工件上的感應電流密度分布。根據2.1節所述，本次重油管道IHS加熱器的最佳工作頻率為15 kHz，所以采用電流頻率15 kHz對截面積相等的圓形線圈和矩形線圈進行仿真，所獲得的二維、三維仿真結果參見圖4、圖5。

圖3 線圈環狀效應

圖4 圓形線圈感應電流（2D/3D）

圖5 矩形線圈感應電流（2D/3D）

圖4 、圖5為電流頻率15 kHz時，圓形線圈和矩形線圈在碳鋼管上的感應電流分布圖。從圖中可以看出：在線圈截面積和電流頻率均相同的情況下，矩形線圈的感應密度為217 A/m2，圓形線圈的感應電流密度163 A/m2，所以矩形線圈電磁感應效果更好，管道上感應產生的電流更密集。因此，若為管道IHS，采用矩形線圈加熱效果更好，有利于提高電熱效率并節能省電。

2.3 線圈材質的仿真及優化

傳統的IHS線圈由銅管或銅板繞制成，其材料是工業常用純銅，又稱為紫銅，含銅量 99.7%。銅屬于順磁性材料，其相對磁導率為 1，相當于真空的磁導率，電阻率較小，所以用于IHS加熱線圈可以增強電磁感應效果。但是對于鋁管以及不銹鋼管作為感應加熱線圈，在IHS領域尚未被采用，所以本章節嘗試用COMSOL Multiphysics軟件對銅管、鋁管以及不銹鋼管作為加熱線圈進行仿真分析，探討不同材質線圈對電磁感應效果的影響。銅管、鋁管以及不銹鋼管加熱線圈的二維、三維仿真結果分別如圖6 —圖8所示。

圖6 銅管矩形線圈感應電流（2D/3D）

圖7 鋁管矩形線圈感應電流（2D/3D）

圖8 不銹鋼管矩形線圈感應電流（2D/3D）

從圖中可以看出：當電流頻率同為15 kHz時，銅管線圈的感應電流密度最大，表面感應電流密度為217 A/m2，鋁管線圈的感應電流密度略小于銅管，其表面感應電流密度為206 A/m2，不銹鋼管線圈的感應電流密度最小，其表面感應電流密度為135 A/m2，所以感應加熱線圈的最好材質應為銅材料。

2.4 重油管道結構的仿真及優化

若采用重油管道IHS，電能由感應線圈轉換成管道發熱，管道再將熱量傳遞給重油，因此管道結構的設計必然影響熱效率。針對管道IHS的特點，在管道結構上進行優化，嘗試采用重油IHS雙管道結構，外部為感應加熱線圈，中間為輸油管道，管道外裹一層保溫棉。這里采用雙管結構，對管道結構進行如此改進，且管道之間由加強筋連接（參見圖9），根據COMSOL Multiphysics的仿真結果參見圖10。

圖9 重油IHS雙管道結構

圖10 雙管道感應電流

圖10 為雙管道結構在線圈內感應電流分布圖，四組電流頻率分別為100 Hz、1 kHz、10 kHz、20 kHz，從圖中可見：隨著頻率提高，內層管道被外層管道屏蔽，只在外層管道上產生感應電流，所以雙層管道設計不夠理想。由仿真結果得出管道感應加熱時，只在外層管道產生感應電流，熱量集中產生在外層管道，采用雙管道結構設計達不到加強IHS的效果，為使熱效率更高，可將管道內壁加工成螺旋槽結構，便可顯著增加傳熱面積。燃油在油泵的作用下，順著螺旋槽流經管道，提高熱效率的同時，也可有效防止燃油特別是重油在高溫下產生積碳。

本次管道設計中管道內壁采用“金屬旋流式”結構（見圖11）。將管道內壁加工成螺旋槽結構的結構設計，大大增加傳熱面積，且管壁自身因電磁感應渦流產生的熱量更大程度被重油吸收，故熱慣性小。

圖11 螺旋槽管道

圖11 中的管道內壁螺旋槽結構，可有效減少重油在管壁內表面產生積碳，從而解決了EHS電加熱過程中電發熱元件直接插在重油中加熱時，電發熱元件表面會因高溫產生結焦，直至電加熱元件被燒毀的弊端。其次，重油在流經管道的過程中，在管壁螺旋槽中形成自轉，由于螺旋槽的攪拌作用，進一步提高換熱效率，重油也可以更均勻地被加熱。因此重油管道內壁采用螺旋槽結構，不僅可使重油更高效快速地達到霧化所需的加熱溫度，并且有效防止重油在管道內壁碳化產生積碳，延長管道使用壽命。

2.5 重油管道材質的仿真及優化

針對重油管道IHS的特點，對重油管道加熱段材料可以進行優選。考慮管道需承受耐高溫高壓的特點，從銅管、碳鋼管兩種材質的管道中進行選擇，根據COMSOL Multiphysics仿真結果對兩種材質管道的感應加熱效果進行對比分析。銅管材料屬性見表5，碳鋼管材料屬性見表6。

根據COMSOL Multiphysics對兩種材質重油管道的感應加熱效果進行仿真，設置矩形線圈電流頻率為15 kHz，銅管、碳鋼管兩種材質的重油管道的感應加熱仿真結果分別參見下頁圖12、圖13。

表5 銅管材料屬性

表6 碳鋼管材料屬性

從圖中可見：當線圈電流頻率15 kHz時，銅管道和碳鋼管感應的電流密度分別為2 310 A/m2和1 880 A/m2，銅管道的電磁感應電流密度要高于碳鋼管，但是由于碳鋼管的電導率為4.032e6［S/m］，銅管的電導率為5.998e7［S/m］，所以碳鋼管的電阻率要遠大于銅管。管道渦流發熱的功率表達式［7］：

式中：λ為管道材料的電阻系數，Ω·m；f為交變電流的頻率，Hz；Bm為工作時管道中最大的磁感應強度，T；V為所用管道材料的體積，m3。

圖12 銅管感應電流

圖13 碳鋼管感應電流

由式（1）可知，渦流功率與管道的電阻系數、電流頻率的平方成正比，由于本次IHS頻率采用固定頻率15 kHz，所以渦流發熱功率主要受電阻率影響，碳鋼管的電阻率要遠大于銅管。綜合考慮，采用碳鋼管作為加熱段管道。

3 結 論

利用COMSOL Multiphysics多物理場分析軟件對管道IHS設計進行仿真優化。針對重油管道IHS加熱器設計，在IHS頻率，IHS線圈結構、材質以及輸油管道的結構、材質等方面進行仿真分析，對重油IHS裝置進行優化選型，提高加熱器熱轉換效率。根據仿真分析，本次重油IHS加熱器的頻率最佳值為15 kHz，感應線圈應選空心銅管，線圈應選用矩形線圈。重油管道使用船用碳鋼管，管道結構采用雙管道并不能改善加熱效率，但可將管壁加工成螺旋狀，可顯著增加傳熱面積。燃油在油泵的

作用下，順著螺旋槽流經管道，可有效防止重油在高溫下產生積碳；但是，將管壁加工成螺旋狀需要考慮增加成本、管路阻力等問題。

［1］ 余威.船用高速柴油機燃用重油性能研究［D］.武漢：武漢理工大學，2011.

［2］ 孫克剛，馬征賓，苗群福. GDJR系列管道電磁感應加熱設備［J］.石油科技論壇，2014（2）：68-72.

［3］ 遠洋船舶供油單元輔助電加熱裝置［J］.交通節能與環保，2016（1）：15-19.

［4］ 倪偉.電加熱與導熱油加熱的瀝青高溫儲罐節能效果分析［J］.中國高新技術企業，2015（8）：94-96.

［5］ HAN Yi，WEN Huaiyu，YU Enlin. Study on electromagnetic heating process of heavy-duty sprockets with circular coils and profile coils［J］. Applied Thermal Engineering.2016，100：861-868.

［6］ 戴本堯.基于電磁感應加熱的注塑機料筒材料分析研究［J］.輕工科技，2012（11）：16-17.

［7］ 王浩西.永磁渦流發熱影響因素的二維電磁場有限元分析［D］.西北大學，2010.

Optimization design of induction heating system for marine heavy oil

LIU Xiao YAN Peng LIU Chang
(School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003, China)

The heavy oil is widely used as fuel in ship operations to save costs. Because of the high viscosity of the heavy oil, it is necessary to heat the heavy oil to reduce its viscosity, in order to ensure the combustion quality and to improve the efficiency of diesel engines. A new device for viscosity reduction by heating the heavy oil is designed in this paper aiming at the disadvantages of low efficiency, slow heating and high failure rate of the heavy oil electrical heating system(EHS) in the ship oil supply unit. According to the principle of electromagnetic induction heating, induction heating by heating coil is used to heat the heavy oil pipeline, in order to reduce the viscosity of the heavy oil to meet the requirements of entering the engine. The induction heating system(IHS) of the heavy oil pipeline is simulated and optimized by using the multi-physics analysis software COMSOL based on the structural design of the pipeline IHS,such as the optimization of heating frequency, heating coil material and structure, and oil pipeline material and structure.

heavy oil viscosity; electrical heating system(EHS); induction heating system(IHS); COMSOL Multiphysics

U664.81+2

A

1001-9855（2017）06-0050-08

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.06.050

2017-04-26；

2017-05-12

劉 肖（1990-），男，碩士。研究方向：輪機設備與系統設計。

閆 棚（1991-），男，碩士。研究方向：輪機設備與系統的研究。

劉 暢（1992-），男，碩士。研究方向：輪機設備與系統的研究。