不同截面形狀的電磁感應加熱管道流動換熱性能對比研究

張耘溢1，劉 博1， 馬 磊1，唐亞前1，王 濤1，張 磊2，施 渺，曾翔君

(1.國網寧夏電力有限公司檢修公司，銀川 750001；2.銀川中節能聯合電力有限公司，銀川 750001；3.西安交通大學，西安 710049)

隨著直流輸電技術的發展和突破，換流變壓器作為直流輸電系統中最為重要的設備之一，其安全運行至關重要[1]。然而，大多數換流變壓器在使用過程中都是由于含水量過高降低了變壓器的擊穿電壓，導致變壓器設備損壞。因此，為保證絕緣件的擊穿電壓合格及電氣強度滿足安全運行的要求，必須重點對鐵心和繞組等進行干燥處理[2]。

現階段，大多數換流變壓器還是廣泛采用真空熱油循環干燥法對變壓器進行干燥處理，最常見是采用濾油機完成變壓器油的加熱、干燥處理[3]。這種方法，存在著加熱效率低、能量損失大的缺點。因此本文提出了電磁感應加熱變壓器油的方法，提高加熱效率。目前，對電磁感應加熱的研究有很多，但大多都是應用在金屬熱處理[4]、注塑機[5]等場合。在變壓器油加熱方面應用電磁感應加熱的研究較少，例如：在油箱鐵損真空干燥法中將感應線圈纏繞在油箱表面，利用電磁感應加熱的原理加熱油箱從而加熱變壓器油，達到變壓器油升溫的目的[6]，但是這種方法存在內部升溫慢、局部高溫的缺點，容易造成變壓器油變質。本文提出采用電磁感應加熱管道對循環油流進行加熱，對比分析了圓管、橢圓直管、交叉橢圓管三種管道的加熱效果。

1 感應加熱數值計算模型

1.1 物理模型

電磁感應加熱的原理是利用電磁感應原理使金屬管壁均勻發熱，從而對流過管道的循環油流進行加熱。為研究不同截面形狀的加熱管道的加熱性能，本文以圓管、橢圓直管、交叉橢圓管為研究對象，如圖1所示。三種管道流通截面積相同，長度均為1 m。為保證電磁感應加熱的效果，管材均為20#低碳鋼，其物性如表1所示。電磁感應加熱管內介質均為KI45X變壓器油，其物性參數如表2所示。變壓器油的黏度隨溫度變化很大，如圖2所示[7]。

圖1 管結構示意圖

表1 20#鋼的物性參數

表2 變壓器油的物性參數

1.2 邊界條件

導體在高頻交變的磁場中，由于集膚效應，電流僅在導體的表面通過，而導體僅在流過電流的部位產生熱量。通過電流的厚度即趨膚深度與交變電流頻率和導體本身性質有關，表達式為

式中:ρ為導體的電阻率，Ω·m；f為交變電流頻率，Hz；μ為導體的磁導率，H/m。

圖2 變壓器油運動黏度隨油溫的變化關系

根據鋼管的材料屬性和電流激勵計算可知，鋼管的趨膚深度小于0.2 mm，其發熱層厚度遠小于鋼管的壁厚，可將電磁感應獲得的鐵損簡化為恒定壁面熱流密度。因此，圓管、橢圓直管和交叉橢圓管的邊界條件簡化為圖3所示，進口速度設為1.8 m/s，出口設置為壓力出口，在管外壁面設置平均熱流密度，并保證熱流量均為920 W。

圖3 邊界條件

對計算域進行網格劃分，獲得網格質量較好(0.65～1)，對管內側進行邊界層網格設置，采用速度與壓力耦合求解器SIMPLC進行求解計算，并進行網格無關性驗證，采用結果穩定的網格進行數值計算。

2 實驗驗證

如圖4所示，為了驗證數值模擬的可靠性，以直圓管為電磁感應加熱管道，搭建了變壓器油加熱的實驗平臺。圓管表面纏有保溫層以及感應線圈。管內介質為KI45X變壓器油，變壓器油通過齒輪油泵循環流動，并用齒輪流量計監測實驗裝置內的變壓器油體積流量。變壓器油從油箱上方出口流進圓管型電磁感應加熱裝置，被加熱的變壓器油再通過齒輪流量計和齒輪油泵進入油箱。利用安裝在電磁感應加熱裝置的熱電偶檢測變壓器油在加熱管內進出口油溫以及加熱管外壁面溫度。實驗過程中，變壓器油初始溫度為15 ℃，實驗裝置的加熱功率為920 W，變壓器油進入加熱管的流速為1.8 m/s，將變壓器油循環加熱至60 ℃。

圖4 圓管型電磁感應加熱裝置

圖5為圓管型電磁感應加熱裝置的實驗數據和數值模擬的結果對比，隨著入口油溫的不斷升高，圓管外壁面的溫度也不斷升高，數值模擬結果和實驗數據差距產生的原因主要是被加熱圓管內壁面存在銹蝕使圓管內的熱阻和流動阻力增加所致，數值模擬結果和實驗數據貼合，驗證了數值模擬的可行性。

圖5 數值模擬結果與實驗結果對比

3 結果與討論

3.1 換熱性能與阻力特性

對三種加熱管道內的傳熱和流動性能進行了分析，并以努塞爾數Nu、阻力系數f作為評價指標，其中努塞爾數Nu越大，表示管內換熱性能越好；阻力系數f越小表示管內流動阻力越小，其表達式分別為

式中：h表示表面換熱系數，W/(m2·K)；D為特征長度，m；L為管長度，m；k表示流體導熱系數，W/(m·K)；Δp表示壓降損失，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3；um為管內流速，m/s。

如圖6所示，隨著入口油溫的不斷增加，圓管、橢圓直管和交叉橢圓管三種管型的電磁感應加熱裝置的管內換熱努塞爾數Nu均不斷減小；橢圓直管的換熱性能略差于圓管內的換熱性能，其努塞爾數Nu比較接近；交叉橢圓管的換熱性能相比于圓管有較大的提升，在相同工況下，交叉橢圓管內的努塞爾數Nu始終比圓管內的努塞爾數Nu提升了20%左右，說明交叉橢圓管的強化傳熱效果穩定；入口油溫的增加使努塞爾數Nu迅速減小，入口油溫每升高5℃，努塞爾數Nu平均降低了8%左右。

圖6 管內努塞爾數Nu對比

如圖7所示，隨著入口油溫的不斷增加，圓管、橢圓直管和交叉橢圓管三種管型的電磁感應加熱裝置管內流動阻力系數f基本保持不變，橢圓直管的阻力系數f略大于圓管內變壓器油的流動阻力系數f；由于交叉橢圓管管內截面周期性變化，增大了管內流動的流動阻力，因此交叉橢圓管內的阻力系數f始終比圓管和橢圓直管內的阻力系數f增加20%左右。

圖7 管內阻力系數f對比

3.2 流場和溫度場分布

圖8為入口油溫30 ℃的圓管、橢圓直管和交叉橢圓管在1/2管長位置的流場和溫度場分布情況，通過流場分布可以看出，由于交叉橢圓管內變壓器油隨著橢圓截面的交叉變化而產生劇烈的二次流，二次流在慣性和黏性的作用下發展為縱向渦，縱向渦的產生改善了管內流動換熱的場協同性，而圓管和橢圓直管內均沒有縱向渦的產生；相比于圓管和橢圓直管而言，多變的流道截面改善了交叉橢圓管內變壓器油的溫度分布，截面溫度等值線分布情況揭示了縱向渦促進了管內表面附近被加熱的變壓器油向遠離管內表面方向運動，改善了管內的換熱情況，而圓管和橢圓直管內的溫度等值線分布呈現著變壓器油溫度從管內表面向中心的逐漸遞減的規律。

圖8 管內流場和溫度場分布情況

3.3 場協同效應

場協同數Fc[8]是用來定量描述和比較不同對流傳熱情況下的速度場和熱流場協同的程度，場協同數越大，其速度場與熱流場的配合越好，在流速和流體熱物性不變的條件下，其換熱強度越大。其場協同數Fc可以表達為

式中：Re為雷諾數；Pr為普朗特數，均為無量綱數。

為了方便對比不同油溫下3種管型的管內速度場和熱流場的協同性，將入口油溫30 ℃時圓管內場協同設為Fc0，將其他情況下的場協同數與Fc0的比值作為指標，結果如圖9所示。交叉橢圓管內由于存在縱向渦改善了管內流動換熱的場協同效應；3種管型的場協同數均隨著入口油溫的升高而降低，管內場協同效應變差。

4 結 語

本文為了分析圓管、橢圓直管、交叉橢圓管作為電磁感應加熱管道時變壓器油的加熱性能，對比分析了不同入口油溫時三種管道的努塞爾數Nu和阻力系數f，并對三種管道的流場和溫度場分布情況進行了分析，得到如下結論：

圖9 場協同數對比

(1)隨著入口油溫的升高，三種管道的努塞爾數Nu不斷減小。交叉橢圓管的努塞爾數Nu始終高于橢圓直管和圓管，其換熱性能最好。

(2)由于變壓器油的運動黏度在30～60 ℃變化幅度小，三種結構管道的阻力系數f隨入口油溫的上升而保持基本不變。交叉橢圓管內的阻力系數f最大，相比于圓管和橢圓直管增加了20%。

(3)在交叉橢圓管內，隨著管內橢圓截面的交叉變換流體產生強烈的二次流，二次流在粘性和慣性的作用下發展為縱向渦，改善了管內對流換熱的場協同性，變壓器油加熱更加均勻。交叉橢圓管在電磁感應加熱變壓器油中，強化了管內換熱，在換流變壓器熱油循環干燥過程中可以施加更大的加熱功率，節約時間成本。