流化床蓄熱裝置的電磁加熱線圈優(yōu)化設計研究

石惠文 曲世豪 孫敬一 徐峰*

（河北建筑工程學院，河北 張家口 075000）

對比傳統(tǒng)固體蓄熱技術使用固體磚蓄熱并采用電阻絲加熱的方式，磚內溫度分布較不均勻，且電阻絲容易損壞[1]，而電磁加熱技術具有很多優(yōu)點，比如更易操控、加熱功率可無級調節(jié)、更節(jié)能[2]。本文設計了一種采用固體顆粒蓄熱的流化床蓄熱裝置，而電磁加熱技術正是一種非常適合流化床蓄熱裝置加熱蓄熱顆粒材料的技術，利用電磁加熱技術可以在加熱線圈與蓄熱材料不接觸的方式下對流化床蓄熱裝置蓄熱固體顆粒進行加熱，使蓄熱裝置內部的石英砂顆粒達到高溫狀態(tài)。為了使被加熱的固體顆粒受熱更為均勻，需要對加熱線圈進行優(yōu)化設計研究。

1 流化床蓄熱裝置

設計的流化床蓄熱裝置結構如圖1 所示，蓄熱裝置外側設有電磁加熱線圈，裝置內部有石英砂顆粒材料用于儲熱。蓄熱裝置在夜間谷電時期利用電磁線圈將蓄熱材料加熱至600℃以上，在非谷電時期通過空氣與顆粒充分換熱將熱量供給熱用戶。顯然，電磁加熱線圈的優(yōu)化設計是蓄熱裝置結構設計的關鍵之一，其合理布置直接影響裝置的蓄熱效率。基于此，本文采用數值模擬方法對蓄熱裝置電磁加熱線圈進行優(yōu)化設計研究。

圖1 蓄熱裝置主體結構及裝置內部示意圖

蓄熱裝置采用電磁加熱方式，電磁加熱線圈位于蓄熱裝置的外側。因此蓄熱裝置壁面材料須選擇磁導率較高的金屬材料，同時還須考慮材料在高溫狀態(tài)的強度、剛度、耐腐蝕等方面性能。對比分析各種金屬材料，綜合分析考慮確定流化床蓄熱裝置采用碳鋼Q235B，這種材料抗腐蝕、耐高溫、剛度和強度都較理想[3]，并且成本低，其綜合性能可滿足蓄熱裝置600℃左右使用的需求。

2 電磁加熱原理

電磁加熱原理即令導體內部產生電動勢和感應電流，所以必須在其外部給予穩(wěn)定的交變磁場。磁場會根據變化頻率的不同而使被加熱金屬不斷切割磁感線產生不同的渦流，渦流導致金屬原子間摩擦與碰撞，這種運動會使金屬內部產生大量的熱量[4]。電能向熱能的轉換是通過焦耳效應，影響熱量生成大小的因素主要是感應渦流的大小和被加熱物體的電阻值。

將電磁加熱技術到流化床蓄熱裝置上，即在蓄熱裝置外部纏繞多層螺旋狀電磁線圈，外側采用保溫材料做保溫。蓄熱材料放入蓄熱裝置中，裝置蓄熱時打開電磁加熱電源，設置適當功率，此時線圈內部會被輸入高頻率交流電，從而使交變磁場生成在蓄熱裝置金屬壁面周圍，蓄熱裝置的金屬壁面因電磁感應產生熱量，溫度穩(wěn)定上升，同時將熱量傳遞給內部石英砂顆粒。

3 加熱線圈的電磁模擬分析

利用計算機仿真軟件可對電磁加熱線圈進行電磁- 熱耦合的數值模擬分析，通過模擬結果可明確的分析出電磁加熱線圈的電磁場特性及蓄熱裝置壁面的溫度分布。

3.1 加熱線圈模型的簡化。為了提高數值模擬計算速度，需要對加熱線圈實際物理模型進行簡化，取高為100mm 的蓄熱裝置金屬壁面，裝置壁面厚度為8mm，裝置內徑為500mm，裝置外部線圈匝數為4 匝，螺距為20mm，線圈截面積25mm2，線圈距被加熱的蓄熱裝置外壁面距離20mm。并利用3D 建模軟件進行3D建模。圖2 為簡化后的電磁線圈模型示意圖。

圖2 電磁線圈模型示意圖

3.2 設置電磁模擬參數。用建模軟件進行3D建模，建模完成后，將模型電磁場分析系統(tǒng)，設置求解類型，設置被加熱的蓄熱裝置金屬壁面材料為Q235B碳鋼，設置線圈材料為銅（COPPER），同時賦予線圈激勵，在線圈橫截面上添加45A的電流，電流頻率為25kHz。對模型進行網格劃分，將所有模型設置為具有渦流效應后用分析工具分析無誤后進行電磁場求解計算。

3.3 模擬結果。對蓄熱裝置加熱過程中電磁場進行數值模擬求解，得到磁場分布云圖和磁場矢量分布云圖，如圖3 和圖4所示。

圖3 磁場分布云圖

圖4 磁場矢量分布云圖

通過磁場分布云圖3 可知，磁場分布的規(guī)律主要是磁場強度較大的地方出現在線圈與被加熱的蓄熱裝置壁面中間區(qū)域，分析原因為電磁感應圓環(huán)效應導致磁場強度在遠離線圈的地方會急速衰減。通過對磁場矢量分布云圖4 的觀察，可以進一步看到磁力線的分布規(guī)律，與磁場強度相對應，磁力線主要密集分布在線圈的周圍，呈包裹態(tài)勢，離線圈的距離越遠，磁力線的數量和強度都會越小，這也是受到了電磁場中圓環(huán)效應的作用。

由上述分析可知電磁加熱線圈設計時應布置在蓄熱裝置金屬壁面外側，這樣才能較好的利用線圈通電時產生的磁場，可以達到節(jié)約電能的效果。

圖5 為蓄熱裝置渦流密度云圖，圖6 為蓄熱裝置渦流密度矢量分布云圖。觀察渦流密度分布云圖可以分析出如下規(guī)律：首先是被加熱金屬壁面中心區(qū)域的渦流強度較大，往上下兩側逐漸變小，這是由于磁感線在線圈端部區(qū)域呈發(fā)散態(tài)勢造成電磁感應強度下降，從而造成感應渦流的強度變小，這也就是感應加熱中的端部效應。

圖5 渦流密度云圖

圖6 渦流密度矢量分布云圖

從上述分析可知在設計加熱線圈時，為了減少端部效應的效果，應該盡量讓加熱線圈纏繞在整個蓄熱裝置的被加熱區(qū)域，從而讓感應渦流在金屬壁面上分布的更加均勻。同時，由于電磁加熱過程中，蓄熱裝置被加熱區(qū)域的金屬壁面溫度可高達600℃，所以要對蓄熱裝置外壁面包裹保溫材料，防止熱能傳遞到外界造成能源的浪費。

4 蓄熱裝置金屬壁面的瞬態(tài)熱分析

完成加入熱裝置的電磁分析后，將其結果在軟件的不同模塊間進行更新，同時創(chuàng)建瞬態(tài)熱模塊，在創(chuàng)建的模塊中：a.設置金屬壁面材料為Q235B，設置其物性參數。b.更新設置，進行網格劃分，將電磁分析模塊與其連接，同時將電磁模擬結果導入其中，圖7 為被加熱金屬壁面網格劃分情況。c.加載與求解。在軟件中選中蓄熱裝置金屬壁面物理模型，通過電磁數值模擬分析結果進一步計算得出其渦流損耗，接著設置被加熱金屬的熱對流和熱傳導參數，設置完成后點擊計算即可得出被加熱金屬壁面溫度云圖，如圖8 所示。

圖7 蓄熱裝置金屬壁面網格劃分圖

圖8 被加熱金屬壁面溫度云圖

觀察云圖8 可知被線圈加熱的金屬壁面上溫度分布由于集膚效應和端部效應的影響，其溫度分布規(guī)律為溫度在壁面中間區(qū)域較大，壁面上下兩端的溫度逐漸遞減，最高溫度點出現在金屬壁面中心部位，同時外表面的金屬壁溫要大于內表面的金屬壁溫，觀察溫度標尺可知，最高溫度為705℃，最低溫度為699℃，最高溫度與最低溫度的差距僅為6℃，壁面均溫由20℃升至702℃用時44min，且金屬壁面內側與外側的溫度差距不大，遠遠超過了蓄熱所需的600℃，金屬壁面溫度分布較為均勻，可以實現蓄熱材料在加熱過程中的均勻受熱。

5 電磁加熱線圈的優(yōu)化設計

為了取得更好的加熱效果，研究不同因素對被加熱物體表面溫度分布的影響，對加熱線圈進行優(yōu)化設計。考慮到在實驗過程中電流大小和頻率可通過加熱電源控制裝置進行調節(jié)，所以主要對線圈的各種結構參數進行數值模擬，如線圈的匝數與線圈跟裝置外壁面的距離等。如表1 所示，選定了四種線圈的結構參數，通過數值模擬分析不同因素對加熱效果的影響。

模擬工況參數設置如表1 所示，其余參數均設置的相同，蓄熱裝置壁面材料Q235B碳鋼、電流42A、頻率25kHz、壁面初始溫度設置為20℃、加熱時間為36min。模擬軟件中對其物理模型的網格劃分、熱物性參數等均設為一致，圖9 為模擬結果。

圖9 四種工況下溫度分布云圖

表1 不同工況參數設定

觀察模擬結果圖9(a)和圖9(b)可以看出：由于B 工況下蓄熱裝置壁厚大于A工況的裝置壁厚2mm，使得其在相同加熱時間內，工況B裝置的壁面平均溫度低于A工況裝置的壁面平均溫度，同時可以看出B 工況下裝置的壁面溫度分布較不均勻，在整個壁面上最高溫度與最低溫度相差123℃，壁厚的增加造成了端部效應與集膚效應更加顯著，而A工況下溫度分布較為均勻，所以對于蓄熱裝置結構的設計，應在滿足其機械強度的前提下，設計出的裝置的壁厚不應過厚，這樣才能盡量壁面因壁厚過厚造成的溫度在壁面上分布的不均勻。

對比圖9(a)和圖9(c)可知：由于C 工況下線圈匝間距增大，匝數變少，使得在相同加熱時間內，C工況下的壁面平均溫度要小于A工況下的壁面平均溫度，并且C 工況下壁面溫度的均勻性也略差于A，同時其最高溫度與最低溫度也低于A 工況下的最高溫度與最低溫度，這說明線圈纏繞在被加熱的蓄熱裝置上時應當越緊密越好，這樣才能提高對電磁能的利用，使得加熱過程中的壁面溫度上升更快。

觀察圖9(a)和圖9(d)，對比模型數據可知：相比于A，D 工況下線圈與裝置外壁面距離增大5mm，觀察模擬結果可知這大大降低了電磁加熱的效果，可以看到D工況下的壁面最高溫度與最低溫度分別僅為581℃和539℃，遠遠小于A工況下的壁面最高與最低溫度。由此可得出，在電磁感應加熱過程中，線圈不應與被加熱物體距離太遠，在做好保溫工作的情況下，線圈應盡可能靠近被加熱物體。

通過上面四種工況的數值模擬分析可知，設計電磁加熱線圈時，為了達到更好的加熱效果，使被加熱壁面的溫度分布更加均勻，提高對蓄熱材料的加熱效率，需要注意以下3 點：a.設計蓄熱裝置時，裝置壁面材料應選擇金屬材質，其次應先滿足其物理強度，并且裝置壁厚不宜過厚，這才有利于外壁面的高溫傳遞到內部蓄熱材料。b.由于線圈周圍電磁場在一定距離后會急劇衰減，所以電磁加熱線圈應該盡量緊密的包裹住被加熱的蓄熱裝置外表面，避免電磁能的浪費，同時在相同高度的加熱區(qū)域內，線圈的匝數越多，加熱的效果越好。c.加熱過程中蓄熱裝置外壁面會變成高溫，所以要使用陶瓷纖維材料對其進行保溫，防止熱量的散失。

6 結論

利用軟件對蓄熱裝置中的電磁加熱線圈進行多物理場耦合分析，同時得到了線圈電磁場的電磁分布結果和蓄熱裝置的溫度分布結果，分析4 種不同工況下的模擬結果來確定不同因素對電磁感應加熱的作用和影響，從而完成了對加熱線圈物理結構參數的優(yōu)化，提高了加熱效率，得到如下結論：a.A 工況下的電磁線圈結構較為優(yōu)異，電磁感應加熱效率較高，可以在30 分鐘左右將蓄熱裝置外壁面加熱至600℃。且加熱完成后蓄熱裝置壁面溫度分布較為均勻，最高與最低溫度溫差小于6℃，有利于熱量均勻的向蓄熱材料傳遞。b.由于線圈周圍電磁場在一定距離后會急劇衰減，為了提高加熱效率，應使電磁加熱線圈應該盡量緊密的包裹住被加熱的蓄熱裝置外表面，避免電磁能的浪費，同時在相同高度的加熱區(qū)域內，線圈的匝數越多，加熱的效果越好，加熱過程中蓄熱裝置外壁面會變成高溫，所以要使用陶瓷纖維材料對其進行保溫，防止熱量的散失。