張永樂，張曉明，吳玉庭，鹿院衛(wèi)，馬重芳

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熔鹽電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)的熱性能分析

張永樂，張曉明，吳玉庭，鹿院衛(wèi)，馬重芳

（北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院，傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室及傳熱與能源利用北京市重點實驗室，北京 100124）

將電磁感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用到低谷電加熱熔鹽儲熱供暖領(lǐng)域，搭建熔鹽電磁感應(yīng)加熱實驗系統(tǒng)，以感應(yīng)加熱器為研究對象，探究熔鹽以及線圈冷卻水在不同熔鹽流速和線圈電流工況下的溫度變化規(guī)律，計算加熱效率和冷卻水熱損失率。結(jié)果表明：電磁感應(yīng)加熱器可以快速加熱熔鹽，熔鹽溫升主要集中在開始加熱80～240 s之間，溫升速率在100 s時最大；改變線圈電流或熔鹽流速，可以產(chǎn)生不同終溫的熔鹽，流速0.177 m/s時，熔鹽在不同電流下出口溫度分別為201.452 ℃、203.891 ℃、207.599 ℃、212.975 ℃和221.454 ℃；熔鹽流速一定，熔鹽和線圈冷卻水吸熱量隨線圈電流的增加而升高；線圈電流不變，熔鹽吸熱量隨流速的增加而升高、線圈冷卻水吸熱量隨流速增加而降低；熔鹽流速0.296 m/s、線圈電流600 A時，熔鹽加熱效率為69.28%，線圈冷卻水熱損失率為16.45%。

熔鹽儲熱供暖；電磁感應(yīng)加熱；線圈電流；流速；熱效率

太陽能作為可再生能源之一，因為來源廣泛且不會增加環(huán)境負荷而成為未來能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，利用太陽能進行日常生活供暖是一種成本低廉、潔凈、安全的選擇[1]?？紤]到太陽輻射受日夜交替變化的影響以及太陽能與低谷電在時間上的互補性，可以將谷電利用電加熱的方法以熱能形式儲存在儲熱介質(zhì)中用于建筑的供暖[2-3]，這樣不僅解決了太陽能不穩(wěn)定性和谷電周期性的弊端，而且可以減少環(huán)境污染問題。由于熔融鹽具有較高的使用溫度、高熱穩(wěn)定性、高比熱容、高對流傳熱系數(shù)、低黏度、低飽和蒸氣壓、低價格這些“四高三低”的優(yōu)勢[4-6]，目前為大規(guī)模儲熱系統(tǒng)中儲熱介質(zhì)的主要發(fā)展方向之一。采用適宜的熔融鹽作為儲熱介質(zhì)，可以有效提升儲熱系統(tǒng)的整體性能。太陽能與低谷電加熱熔鹽聯(lián)合供暖系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 太陽能+低谷電加熱熔鹽聯(lián)合供暖示意圖

利用低谷電加熱熔鹽并以熱能形式進行儲存的過程中，電加熱器性能的優(yōu)劣對谷電的轉(zhuǎn)化效率起到了決定性的因素。因此，對加熱技術(shù)的研究在谷電利用方面尤為重要。加熱技術(shù)的發(fā)展主要考慮以下幾方面的問題[7-8]：①節(jié)約能量，降低環(huán)境污染，盡可能提高加熱速度和加熱效率；②加熱過程易實現(xiàn)自動控制；③操作、使用、維修方便，安全可靠。

目前常見的熔鹽加熱方式多為傳統(tǒng)的電阻加熱，其最大的缺點是反復(fù)升溫易導(dǎo)致電阻絲脆斷，降低加熱器使用壽命[9-10]。電磁感應(yīng)加熱速度快、溫度易于控制，避免了電阻絲加熱溫度高易導(dǎo)致高溫老化燒斷的缺點，從而越來越受到人們的重 視[11-14]。電磁感應(yīng)加熱技術(shù)現(xiàn)已大量應(yīng)用到金屬熱處理以及焊接等生產(chǎn)工藝中，近些年感應(yīng)加熱電源頻率更是由中頻階段發(fā)展到了高頻和超音頻階段，完全能夠滿足感應(yīng)加熱所要求的高頻率和大功率[15]。將電磁感應(yīng)加熱應(yīng)用于熔鹽儲熱供暖系統(tǒng)中，不僅可以彌補太陽能間歇性的缺點，實現(xiàn)熱量大規(guī)模的儲存，還可以起到“削峰填谷”的作用，維護電網(wǎng)的用電安全。

將電磁感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用到熔鹽儲熱供暖領(lǐng)域，搭建加熱功率為30 kW（功率可調(diào)）的熔鹽電磁感應(yīng)加熱實驗系統(tǒng)并在感應(yīng)加熱器上進行試驗研究，以探求該加熱方式對高溫熔鹽的加熱能力以及各種因素對高溫熔鹽加熱特性的影響。

1 熔鹽電磁感應(yīng)加熱器工作機理與 結(jié)構(gòu)參數(shù)

電磁感應(yīng)加熱器以感應(yīng)加熱的方式將電能轉(zhuǎn)化為熱能，圖2為加熱器結(jié)構(gòu)的物理模型，從內(nèi)到外依次為金屬管道、保溫絕緣材料、感應(yīng)線圈。加熱器表面纏有線圈，金屬管道兩端分別為高溫熔鹽進口與出口。當線圈中通有交變電流時線圈周圍便會產(chǎn)生交變磁場，處于交變磁場中的金屬管道就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢以及感應(yīng)電流，感應(yīng)電流進而產(chǎn)生焦耳熱，使金屬管道自身被加熱。由于大多數(shù)金屬的電阻率很小，因此較小的感應(yīng)電動勢往往可以在金屬內(nèi)部激起強大的感應(yīng)電流。

圖2 感應(yīng)加熱器物理模型

電磁感應(yīng)加熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 電磁感應(yīng)加熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 實驗系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理

圖3為熔鹽電磁感應(yīng)加熱試驗系統(tǒng)圖，主要由5個部分組成。①電源系統(tǒng)。感應(yīng)電源輸出功率可以調(diào)節(jié)，最大輸出功率為45 kW。由感應(yīng)電源箱和補償電容箱組成，其作用是將三相工頻交流電轉(zhuǎn)變成中高頻交流電并將其輸送到感應(yīng)線圈上。②電磁感應(yīng)加熱器。由感應(yīng)線圈、保絕緣層以及金屬管道組成，其作用是將感應(yīng)線圈上的電能完成“電-磁-電-熱”過程的轉(zhuǎn)化，并將熱量傳遞給金屬管道內(nèi)部流動的熔鹽。金屬管道置于感應(yīng)線圈內(nèi)，接收電磁感應(yīng)的作用成為蓄熱器，同時又作為換熱器將熱量傳遞給熔鹽?？紤]到熔鹽具有腐蝕性，金屬管道的材料選為低電阻率和高熱導(dǎo)率的不銹鋼，可以在交變磁場中產(chǎn)生較強的感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生較強的焦耳熱并快速傳遞到內(nèi)部流動的熔鹽中。線圈通有交流電時會受到電磁感應(yīng)中“集膚效應(yīng)”的影響，導(dǎo)致電荷集中于線圈表面，因此線圈材料選擇為導(dǎo)電能力較強的空心紫銅管，并在銅管內(nèi)部通有冷卻水及時給線圈冷卻降溫。感應(yīng)加熱器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。③高溫熔鹽罐。罐體材料為304不銹鋼，熔鹽罐直徑1.2 m，由底部圓柱筒體和頂蓋組成。底部圓柱筒體垂直高度為1m，壁面厚度6 mm。其作用是將熔鹽從固態(tài)融化為液態(tài)，并對高溫熔鹽進行儲存。④換熱器。實驗系統(tǒng)采用管殼式換熱器，材料為304不銹鋼，熱媒為熔鹽，冷媒為水，額定換熱功率25 kW。熔鹽經(jīng)電磁感應(yīng)加熱器加熱升溫后流入換熱器與水換熱，換熱降溫后的熔鹽流回到高溫熔鹽罐中繼續(xù)參與下一輪循環(huán)實驗。⑤冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)1的作用是對換熱器中與熔鹽換熱后的水冷卻降溫以及給高溫熔鹽罐中的熔鹽泵冷卻降溫；冷卻系統(tǒng)2的作用是給感應(yīng)電源箱、補 償電容箱以及感應(yīng)線圈進行冷卻，保證系統(tǒng)安全運行。

圖3 熔鹽電磁感應(yīng)加熱試驗系統(tǒng)

1—熔鹽入口；2—熔鹽入口測溫點；3—線圈冷卻通道；4—感應(yīng)線圈；5—隔熱層；6—隔熱層溫度測點；7—熔鹽出口測溫點；8—熔鹽入口混合室孔板；9—熔鹽出口混合室孔板；10—熔鹽出口

本實驗系統(tǒng)的測試對象為感應(yīng)加熱器，通過改變加熱器入口熔鹽流速和感應(yīng)線圈電流大小，測量不同條件下熔鹽和線圈冷卻水的出口溫度，計算得到不同工況下熔鹽和冷卻水的吸熱量以及熱效率。

3 實驗結(jié)果及分析

為計算熔鹽熱效率和線圈冷卻水熱損失率，需對感應(yīng)電源的輸出功率t進行測量，實驗測得感應(yīng)電源的輸出功率與感應(yīng)線圈電流的對應(yīng)關(guān)系如圖5所示，線圈電流為200 A、300 A、400 A、500 A、600 A時所對應(yīng)的感應(yīng)電源的輸出功率分別為4.32 kW、6.95 kW、12.65 kW、19.53 kW、28.24 kW。由圖可見，感應(yīng)線圈的電流隨著電源的輸出功率增大而增加。

圖5 感應(yīng)電源輸出功率特性曲線

3.1 熔鹽流速對熔鹽出口溫度的影響

圖6為熔鹽進口溫度200 ℃、線圈電流400 A時，熔鹽出口溫度在不同流速下隨加熱時間變化的曲線。由圖可見，熔鹽出口溫度呈現(xiàn)出先增加后維持穩(wěn)定的趨勢，溫升主要集中在開始加熱后80～240 s之間；在通有相同線圈電流情況下，隨著熔鹽流速的增加，熔鹽的出口溫度降低。達到穩(wěn)態(tài)時，流速為0.067 m/s和0.296 m/s時熔鹽的出口溫度分別為218.226 ℃和205.323 ℃。這是因為熔鹽流速增大后單位時間內(nèi)流過加熱器的熔鹽量增多，熔鹽與加熱器換熱時間減少，熔鹽出口溫度降低。

圖6 不同流速對熔鹽出口溫度的影響

圖7為熔鹽進口溫度200℃、線圈電流400 A時，熔鹽出口溫升速率在不同熔鹽流速下隨加熱時間變化的曲線。由圖可見，熔鹽出口溫升速率隨加熱時間的變化先增大后減小，熔鹽的溫升速率在100 s時達到最大值，然后逐漸減小至0 ℃/min附近，熔鹽溫升趨勢減緩，出口溫度維持在穩(wěn)定值附近；線圈電流一定時，熔鹽溫升速率隨熔鹽流速的增加而降低；流速為0.067 m/s、0.107 m/s、 0.177 m/s、0.241 m/s、0.296 m/s時，相應(yīng)的熔鹽最大溫升速率分別為9.36 ℃/min、4.98 ℃/min、 4.108 ℃/min、3.59 ℃/min、2.904 ℃/min。

圖7 不同流速對熔鹽出口溫升速率的影響

3.2 線圈電流對熔鹽出口溫度的影響

圖8為熔鹽進口溫度200 ℃、流速0.177 m/s時，熔鹽出口溫度在不同線圈電流的情況下隨加熱時間變化的曲線。由圖可知，流速一定時，提高線圈電流，達到相同的出口熔鹽溫度所需的時間減少；熔鹽所能達到最終平衡溫度升高，加熱達到穩(wěn)態(tài)后，線圈電流為200 A、300 A、400 A、500 A、600 A時所對應(yīng)的熔鹽出口溫度分別為201.452 ℃、203.891 ℃、207.599 ℃、212.975 ℃和221.454 ℃。這是因為線圈電流增大后空間中的磁場強度和加熱器上的感應(yīng)電流增強，加熱器產(chǎn)生的焦耳熱增多，熔鹽吸收的熱量上升，出口溫度升高。

圖9為熔鹽進口溫度200 ℃、流速0.177 m/s時，熔鹽出口溫升速率在不同線圈電流情況下隨加熱時間變化的曲線。由圖可見，熔鹽出口溫升速率隨加熱時間的變化先增大后減小至0 ℃/min附近，表明此時加熱系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)；在流速不變的情況下，出口處熔鹽溫升速率隨線圈電流的增加而增大，線圈電流分別為200 A、300 A、400 A、500 A、600 A時，相應(yīng)的出口處熔鹽最大溫升速率分別 為1.758 ℃/min、2.598 ℃/min、4.563 ℃/min、7.156 ℃/min和8.751 ℃/min。

圖8 不同線圈電流對熔鹽出口溫度的影響

圖9 不同電流對熔鹽出口溫升速率的影響

3.3 線圈電流對線圈冷卻水出口溫度的影響

由于加熱器溫度較高，且感應(yīng)線圈通電后自身會發(fā)熱，因此為了避免感應(yīng)線圈溫度過高，需對感應(yīng)線圈內(nèi)部通水冷卻。圖10為線圈冷卻水流量0.205 kg/s、進口溫度26 ℃、熔鹽流速為0.177 m/s時，冷卻水出口溫度在不同線圈電流情況下隨加熱時間變化的曲線。由圖可知，開啟加熱器之前冷卻水出口溫度已增加至27.5 ℃左右，這是因為流動的線圈冷卻水在開啟加熱器之前會吸收熔鹽傳遞給加熱器的部分熱量，出口溫度升高；相同熔鹽流速情況下，冷卻水出口溫度隨著線圈電流的增大而升高, 熔鹽流速為0.177 m/s時，線圈電流分別200 A、300 A、400 A、500 A、600 A所對應(yīng)的冷卻水出口溫度分別為28.227 ℃、28.936 ℃、30.415 ℃、32.621 ℃和34.538 ℃。

圖10 不同線圈電流對線圈冷卻水出口溫度的影響

3.4 線圈電流對吸熱量和加熱效率的影響

圖11為不同熔鹽流速工況下熔鹽吸熱量和線圈冷卻水吸熱量隨線圈電流的變化關(guān)系，由圖可知，熔鹽流速一定時，熔鹽的吸熱量s和線圈冷卻水的吸熱量w都隨著線圈電流的增加而升高。這是因為線圈電流增大后空間中的磁場強度和加熱器上的感應(yīng)電流增強，感應(yīng)加熱器的焦耳熱量增多，熔鹽吸熱量也隨即增加；線圈電流的增加使線圈自身的發(fā)熱量增多，線圈內(nèi)部流動的冷卻水從而吸收的熱量升高。

線圈電流一定時，熔鹽流速從0.067 m/s增加至0.241 m/s過程中，加熱器產(chǎn)生的熱量不變，由于熔鹽流速的增加使得換熱能力增強，熔鹽的吸熱量增加，加熱器上剩余的熱量減少，線圈冷卻水所吸收的熱量從而減少。

圖12 不同線圈電流對加熱效率和冷卻水熱損失率的影響

4 結(jié) 論

本文將電磁感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用到熔鹽儲熱領(lǐng)域并搭建了熔鹽電磁感應(yīng)加熱實驗系統(tǒng)，進行了熔鹽溫升特性實驗，得出了以下結(jié)論。

（1）線圈電流不變，熔鹽流速增加，熔鹽所能達到的最終平衡溫度和溫升速率都降低；熔鹽流速一定，線圈電流增加，達到相同的熔鹽出口溫度所需的時間減少，最終平衡溫度和熔鹽溫升速率都升高；加熱到100 s時，熔鹽溫升速率達到最大值，加熱速度最快；100 s后溫升速率逐漸減小至0 ℃/min附近，加熱速度減慢，熔鹽出口溫度維持在穩(wěn)定值附近。

（2）熔鹽流速一定時, 線圈冷卻水出口溫度隨著線圈電流的增大而升高，熔鹽流速為0.177 m/s時，線圈電流從200 A增加至600 A所對應(yīng)的冷卻水出口溫度從28.227 ℃增加到34.538 ℃。

（3）熔鹽流速一定時，熔鹽和線圈冷卻水吸熱量都隨著線圈電流的增加而升高；線圈電流一定時，熔鹽的吸熱量隨流速的增加而升高、線圈冷卻水的吸熱量隨流速的增加而降低。

（4）增加線圈電流或者熔鹽流速，可提高熔鹽加熱效率，降低線圈冷卻水熱損率。

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Analysis of thermal performance of electromagnetic induction based molten salt heating system

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(MOE Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation, Beijing Key Laboratory of Heat Transfer and Energy Conversion, College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

This paper concerns the application of the electromagnetic induction heating technology in heating molten salt in a heat storage system. An experimental system was set up for electromagnetic induction heating of molten salt and temperature variation of molten salt and coil cooling water under different molten salt velocity and coil current conditions were investigated. The results showed that the electromagnetic induction heater can heat the molten salt quickly. The temperature rise of molten salt occurred mainly in the first 80—240 s after starting the heating process, and the temperature rising rate reached maximum at ~100s. A change in the coil current or molten salt velocity can produce molten salts with different final temperatures. When the velocity was 0.177m/s, the outlet temperature of molten salt at different currents was 201.45 ℃, 203.89 ℃, 207.60 ℃, 212.98 ℃and 221.45 ℃. When the velocity of molten salt was constant, the heat absorption of molten salt and coil cooling water increased with increasing coil current. When the coil current was constant, the heat absorption of molten salt increased with increasing velocity, while the heat absorption of cooling water decreased. When the velocity of molten salt was 0.296 m/s and the current of coil was 600 A, the heating efficiency of molten salt was 69.28% and the corresponding heat loss of the cooling water was 16.45%.

molten salt heat storage and heating; electromagnetic induction heating; coil current; velocity; thermal efficiency

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0236

TM 121

A

2095-4239（2019）02-319-07

2018-12-06；

2019-01-03。

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFB0903603）。

張永樂（1993—），男，碩士研究生，主要研究方向為熔鹽電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的開發(fā)與利用，E-mail：zhangyongle0121@163.com；

吳玉庭，教授，主要研究方向為高溫傳熱蓄熱、高效熱功轉(zhuǎn)換，E-mail：wuyuting1970@126.com。