劉潛峰 薄涵亮 王 露

（清華大學核能與新能源技術研究院 先進反應堆工程與安全教育部重點實驗室 北京 100084）

直動電磁閥線圈溫度場特性分析

劉潛峰 薄涵亮 王 露

（清華大學核能與新能源技術研究院 先進反應堆工程與安全教育部重點實驗室 北京 100084）

組合閥由3個直動電磁閥組成，電磁閥的性能直接影響組合閥的性能，從而影響控制棒水壓驅(qū)動技術的運行性能。而電磁閥線圈的正常運行直接影響電磁閥的工作性能，因此，本文對電磁線圈發(fā)熱情況進行了研究。運用ANSYS電磁場分析軟件，變化輸入電流，對直動電磁閥線圈進行了溫度場特性分析，并予以了實驗驗證。結(jié)果表明，當電流增大時，溫度升高；內(nèi)壁溫度高于外壁溫度，中心溫度高于邊緣溫度，其中內(nèi)壁中心溫度最高；線圈最高溫度低于其破壞溫度；獲得了線圈等效導熱系數(shù)；在考慮誤差的條件下，計算分析有較高的準確性。為電磁閥工作參數(shù)設計提供了依據(jù)。

控制棒水壓驅(qū)動系統(tǒng)，電磁閥，線圈，溫度場

核反應堆控制棒驅(qū)動機構是反應堆最關鍵的安全設備，擔負著反應堆的啟動、功率調(diào)節(jié)及停堆等重要功能[1]。控制棒水壓驅(qū)動系統(tǒng)[2]是一種新型的內(nèi)置式控制棒驅(qū)動技術，它是在對清華大學發(fā)明的水力驅(qū)動控制棒系統(tǒng)深入研究的基礎上，結(jié)合商用壓水堆磁力提升器的優(yōu)點發(fā)展而來的。組合閥是控制棒水壓驅(qū)動系統(tǒng)的關鍵設備，驅(qū)動機構的運動就是通過電磁閥發(fā)出的脈沖水流進行控制調(diào)節(jié)[3]。組合閥是由電磁閥、閥頂蓋、閥本體和閥底座組成，其中直動電磁閥是組合閥的重要組成部分。

電磁閥是自動化儀表中執(zhí)行器的一大分支，具有重量輕、尺寸小、型式多樣，動作時間極快，電信號傳輸，便于與計算機連接等等，因此，電磁閥在工農(nóng)業(yè)、運輸業(yè)、航天航空業(yè)、旅游業(yè)以及生活設施等各個方面均獲得廣泛運用[4]。電磁閥按其能量轉(zhuǎn)換方式可分為以下2種：直動式電磁閥和先導式電磁閥。本文以直動電磁閥為研究對象，就控制棒水壓驅(qū)動系統(tǒng)運行過程中直動電磁閥線圈多種運行工況運用ANSYS軟件進行了溫度場特性分析。

1 計算模型

控制棒水壓驅(qū)動系統(tǒng)中的組合閥結(jié)構由圖1可見。主要由頂蓋1、動鐵芯2、定鐵芯3、大推桿4、線圈上蓋板5、外殼6、線圈7、線圈下蓋板8等組成。其中動鐵芯和定鐵芯的材料為1J50，大推桿的材料為1Cr18Ni9Ti，線圈上蓋板和下蓋板的材料為DT4C，外殼的材料為10鋼。線圈匝數(shù)為13205匝。直動電磁閥的輸入電流為直流電0.05–0.25 A。

圖1 電磁閥結(jié)構示意圖Fig.1 The structure diagram of the solenoid valve.

圖2(a)為線圈結(jié)構簡圖，其中1，2，3，4，5，6各點為實驗測量各點。在分析中，獲取其計算值并與實驗室對比。由于電磁線圈具有軸對稱的結(jié)構特點，將其簡化為二維模型進行計算求解(圖2(b))。模型分為2種材料區(qū)域，由表1所示。其中線圈的導熱系數(shù)未知，首先遍歷求解估計區(qū)間內(nèi)所有導熱系數(shù)值，然后對照實驗結(jié)果得出。

表1材料導熱系數(shù)Table 1 Coefficient of thermal conductivity.

圖2 直動電磁閥線圈Fig.2 Coil of the solenoid valve.

根據(jù)定義，分別為所選定的區(qū)域賦予材料號和單元類型號，設置網(wǎng)格形狀和尺寸，用MESH工具劃分網(wǎng)格，本例的網(wǎng)格劃分單元尺度為1，整個區(qū)域網(wǎng)格劃分單元尺度一樣。為提高電磁場求解精度，選定劃分網(wǎng)格的單元類型為PLANE55，且為軸對稱。

邊界定義過程如下：

1) 定義內(nèi)熱源熱量密度。 式中(1)所示， Qv為熱量密度，I為電流，R為線圈電阻，Vc為線圈體積。

2) 加載對流換熱系數(shù)邊界。對流導熱系數(shù)的求解通過方程(2)，其中，h為對流換熱系數(shù)，Nu為努賽爾數(shù)，λ為流體導熱系數(shù)，l為特征長度。

上表面運用大空間水平自然對流換熱系數(shù)方程[5]。其中Pr通過干空氣的熱物理性質(zhì)表獲得。

式中，g為重力加速度，α為膨脹系數(shù)，q為熱流密度，v運動粘度。其中α，v通過干空氣的熱物理性質(zhì)表獲得。

外表面運用大空間豎直自然對流換熱系數(shù)的方程[5]。

式中，g為重力加速度，α為膨脹系數(shù)，ΔT為壁面和氣體溫差，v運動粘度。其中α，v通過干空氣的熱物理性質(zhì)表獲得。

下表面運用有限空間水平自然對流換熱系數(shù)方程[5]。

式中，g為重力加速度，α為膨脹系數(shù)，ΔT為壁面和氣體溫差，δ為有限空間特征長度，v運動粘度。其中α，v通過干空氣的熱物理性質(zhì)表獲得。

內(nèi)表面運用有限空間豎直自然對流換熱系數(shù)方程[5]。

式中，g為重力加速度，α為膨脹系數(shù)，ΔT為壁面和氣體溫差，δ為有限空間特征長度，v運動粘度。其中α，v通過干空氣的熱物理性質(zhì)表獲得。

在求解過程中，選擇求解器，確定分析類型為靜態(tài)分析，定義分析選項，啟動求解器進行求解。求解過程如下：1) 選擇求解器；2) 確定分析類型為靜態(tài)分析；3) 定義分析選項；4) 啟動求解器。求解后，在通用后處理器中查看直動電磁閥閥頭溫度場的分析結(jié)果，得到溫度場分布圖。求解過程采用ANSYS-APDL 語言。由于自然對流換熱系數(shù)的求解必須知道線圈表面溫度值，因此，該過程為迭代求解。求解算法如下示：

2 計算方案

根據(jù)控制棒運行工況，對電磁線圈的輸入電流進行計算，同時為了獲得其等效導熱系數(shù)，對系數(shù)遍歷求解使其符合實驗結(jié)果。因此，變化如下參數(shù)：輸入電流為0.05A、0.10A、0.15A、0.20A、0.25A；等效導熱系數(shù)為0.01–0.7 W·m–2，間隔0.01 W·m–2。

3 計算結(jié)果

如圖3所示，在迭代計算10次以后，自然對流換熱系數(shù)均到達穩(wěn)定值，可以作為最終計算的輸入?yún)?shù)。Ex、In、Up、Down分別是外表面、內(nèi)表面、上表面和下表面自然對流換熱系數(shù)。

圖3 自然對流換熱系數(shù)迭代情況Fig.3 Iteration of the coefficient of heat transfer.

輸入電流從0增至0.25 A時，電磁線圈內(nèi)外壁溫度穩(wěn)態(tài)變化如圖4所示，其中1、2、3、4、5、6分別是圖2中線圈各測量點，Up為線圈上表面中心點，Down為下邊面中心點。穩(wěn)態(tài)溫度隨電流增加而增加，同時內(nèi)壁溫度高于外壁溫度高于外殼，中心溫度高于邊緣溫度。

圖4 線圈各個點溫度Fig.4 Comparison the temperature of the coil.

圖5為線圈等效導熱系數(shù)隨電流變化的曲線，等效導熱系數(shù)隨電流增加而減小。并獲得了等效導熱系數(shù)和電流的函數(shù)關系式，為電磁閥高溫設計提供了參考數(shù)據(jù)。

圖5 線圈等效換熱系數(shù)Fig.5 Coefficient of thermal conductivity of the coil.

圖6 為線圈最高溫度隨電流變化的曲線，線圈最高溫度隨電流增加而非線性增大，近似2次曲線。線圈的最高溫度低于其破壞溫度300°C，保證了其正常運行。

圖6 線圈最高溫度Fig.6 Highest temperature of the head of the valve.

圖7為各個表面自然對流換熱系數(shù)隨電流變化情況，隨著電流增加，對流換熱系數(shù)增加。對流換熱系數(shù)大小順序為：上表面，外表面，內(nèi)表面，下表面。Ex、In、Up、Down分別是外表面、內(nèi)表面、上表面和下表面自然對流換熱系數(shù)。

圖7 各個表面自然對流換熱系數(shù)Fig.7 Surface coefficient of heat transfer.

4 計算分析

圖8電流為0.15 A和0.25 A時線圈溫度分布圖。當電流為0.15 A時，線圈最高溫度為 82.41°C；當電流為0.25 A時，線圈最高溫度為202.77°C，劇烈增加。根據(jù)Q =I2R可知，式中Q為熱量，I為電流，R為電阻，當電流增大時，熱能增大，溫度升高。同時，呈現(xiàn)2次曲線關系(圖4)。由于線圈表面主要為自然對流換熱，且內(nèi)表面為窄空間，外表面為大空間，故內(nèi)表面的換熱系數(shù)要差于外表面的換熱系數(shù)，因此，內(nèi)表面的溫度高于外表面。由于熱源處于線圈中心，故線圈中心的溫度高于邊緣溫度。

圖8 線圈溫度場Fig.8 Temperature field of the coil.

圖9的電流為0.15 A和0.25 A時線圈熱流密度分布圖。可以看出，當電流0.15 A時，線圈最高熱流密度為683.09 W·m–2，而當電流0.25 A時，線圈最高熱流密度為1363.2 W·m–2，劇烈增加，這是由于電流大產(chǎn)生熱量大，故熱流密度大。各個表面熱流密度大小順序為：上表面，外表面，內(nèi)表面，下表面，這是由于上表面和外表面為大空間，自然對流換熱系數(shù)大，而內(nèi)表面和下表面為窄空間，自然對流換熱系數(shù)小，故前者熱流密度大。

圖9 線圈熱流密度Fig.9 Heat flux of the coil.

圖10是線圈點5和點6的溫度計算值與實驗值比較，可以看出，點5計算值和實驗值符合較好，點6計算值和實驗值在低溫時符合較好而在高溫時符合較差，是因為6點為大空間邊界點受環(huán)境影響較大。

圖10 線圈溫度計算值與實驗值比較Fig.10 Comparison of the computation and the experimental result of the temperature of the coil.

5 結(jié)語

(1) 隨著時間增加，溫度增加，且達到穩(wěn)定狀態(tài)。當電流增大時，溫度升高，且呈現(xiàn)2次關系。內(nèi)壁溫度高于外壁溫度，中心溫度高于邊緣溫度。

(2) 獲取了線圈的等效導熱系數(shù)經(jīng)驗公式，為電磁閥設計提供了參考數(shù)據(jù)。

(3) 線圈的最高溫度低于其破壞溫度,保證其正常運行。

(4) 在考慮環(huán)境溫度影響下，數(shù)值模擬值和實驗值符合較好。

1 薄涵亮, 鄭文翔, 王大中, 等. 核反應堆控制棒水壓驅(qū)動技術[J]. 清華大學學報(自然科學版), 2005, 45(3): 424–427 BO Hanliang, ZHENG Wenxiang, WANG Dazhong, et al. Hydraulic control rod drive technology for nuclear reactors[J]. Tsinghua Univ (Sci &Tech), 2005, 45(3): 424–427

2 薄涵亮, 鄭文翔, 董鐸, 等. 水力驅(qū)動控制棒步進動態(tài)過程的研究[J]. 核科學與工程, 2000, 20(4): 322–328 BO Hanliang, ZHENG Wenxiang, DONG Duo, et al. Analysis on step action of hydraulic control rod driving[J]. Nuclear Science and Engineering, 2000, 20(4): 322–328

3 蔣慶華, 李子. 電磁閥的特長和應用[J]. 自動化儀表, 1996, 17(4): 41 JIANG Qinghua, LI Zi. Characteristic and application ofsolenoid valve[J]. Process Automation Instrumentation, 1996, 17(4): 41

4 張冠生, 陸儉國. 電磁鐵與自動電磁元件[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 1982: 27 ZHANG Guansheng, LU Jianguo. Electromagnet and automatic electromagnetic component[M]. Beijing: China Machine Press, 1982: 27

5 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學[M]. 北京: 高等教育出版社, 1980: 178–189 YANG Shiming, TAO Wenquan. Heat transfer[M]. Beijing: Higher Education Press, 1980: 178–189

Analysis of temperature field of direct action solenoid valve

LIU Qianfeng BO Hanliang WANG Luo
(Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University, Key Laboratory of Advanced Reactor Engineering and Safety of the Ministry of Education, Beijing 100084, China)

Background: Hydraulic Control Rod Drive Technology (HCRDT) is a newly invented patent and Institute of Nuclear and New Energy Technology Tsinghua University owns HCRDT’s independent intellectual property rights. Purpose: Integrated valve which is made up of three direct action solenoid valves is the key part of this technology, so the performance of the solenoid valve directly affects the function of the integrated valve and the HCRDT. The performance of the coil affects the service behavior of the solenoid valve, so the thermal performance of the coil is researched. Methods: The temperature field of the coil of the direct action solenoid valve was analyzed using the ANSYS software with various currents, the results of which were validated by experiments. Results: The result shows that the temperature of the coil of the solenoid valve increases with the current increasing firstly. Second, the temperature of the inner wall of the coil is higher than that of the exterior wall. The temperature of the middle coil is higher than that of the edge of the coil. Third, the coefficient of thermal conductivity of the coil is obtained. Fourth, the highest temperature of the coil is under the limiting temperature. Furthermore, the comparison of the temperature of the coil achieved by calculation with the one achieved by experiment under different condition shows that the calculation results are rational if the experiment errors are considered. Conclusions: The results can be provided for the parameter design of the solenoid valve.

Control rod hydraulic drive system, Solenoid valve, Coil, Temperature field

TL362

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040650

劉潛峰，男，1983年出生，2011年于清華大學獲博士學位，主要從事反應堆裝備方向研究

2012-10-31，

2013-01-15

CLC TL362