石惠文 曲世豪 孫敬一 徐峰*

（河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000）

對(duì)比傳統(tǒng)固體蓄熱技術(shù)使用固體磚蓄熱并采用電阻絲加熱的方式，磚內(nèi)溫度分布較不均勻，且電阻絲容易損壞[1]，而電磁加熱技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如更易操控、加熱功率可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)、更節(jié)能[2]。本文設(shè)計(jì)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(shù)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(shù)，利用電磁加熱技術(shù)可以在加熱線(xiàn)圈與蓄熱材料不接觸的方式下對(duì)流化床蓄熱裝置蓄熱固體顆粒進(jìn)行加熱，使蓄熱裝置內(nèi)部的石英砂顆粒達(dá)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(duì)加熱線(xiàn)圈進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

1 流化床蓄熱裝置

設(shè)計(jì)的流化床蓄熱裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，蓄熱裝置外側(cè)設(shè)有電磁加熱線(xiàn)圈，裝置內(nèi)部有石英砂顆粒材料用于儲(chǔ)熱。蓄熱裝置在夜間谷電時(shí)期利用電磁線(xiàn)圈將蓄熱材料加熱至600℃以上，在非谷電時(shí)期通過(guò)空氣與顆粒充分換熱將熱量供給熱用戶(hù)。顯然，電磁加熱線(xiàn)圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)是蓄熱裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)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(shù)值模擬方法對(duì)蓄熱裝置電磁加熱線(xiàn)圈進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

圖1 蓄熱裝置主體結(jié)構(gòu)及裝置內(nèi)部示意圖

蓄熱裝置采用電磁加熱方式，電磁加熱線(xiàn)圈位于蓄熱裝置的外側(cè)。因此蓄熱裝置壁面材料須選擇磁導(dǎo)率較高的金屬材料，同時(shí)還須考慮材料在高溫狀態(tài)的強(qiáng)度、剛度、耐腐蝕等方面性能。對(duì)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(qiáng)度都較理想[3]，并且成本低，其綜合性能可滿(mǎn)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(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，所以必須在其外部給予穩(wěn)定的交變磁場(chǎng)。磁場(chǎng)會(huì)根據(jù)變化頻率的不同而使被加熱金屬不斷切割磁感線(xiàn)產(chǎn)生不同的渦流，渦流導(dǎo)致金屬原子間摩擦與碰撞，這種運(yùn)動(dòng)會(huì)使金屬內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱量[4]。電能向熱能的轉(zhuǎn)換是通過(guò)焦耳效應(yīng)，影響熱量生成大小的因素主要是感應(yīng)渦流的大小和被加熱物體的電阻值。

將電磁加熱技術(shù)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(xiàn)圈，外側(cè)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(shí)打開(kāi)電磁加熱電源，設(shè)置適當(dāng)功率，此時(shí)線(xiàn)圈內(nèi)部會(huì)被輸入高頻率交流電，從而使交變磁場(chǎng)生成在蓄熱裝置金屬壁面周?chē)顭嵫b置的金屬壁面因電磁感應(yīng)產(chǎn)生熱量，溫度穩(wěn)定上升，同時(shí)將熱量傳遞給內(nèi)部石英砂顆粒。

3 加熱線(xiàn)圈的電磁模擬分析

利用計(jì)算機(jī)仿真軟件可對(duì)電磁加熱線(xiàn)圈進(jìn)行電磁- 熱耦合的數(shù)值模擬分析，通過(guò)模擬結(jié)果可明確的分析出電磁加熱線(xiàn)圈的電磁場(chǎng)特性及蓄熱裝置壁面的溫度分布。

3.1 加熱線(xiàn)圈模型的簡(jiǎn)化。為了提高數(shù)值模擬計(jì)算速度，需要對(duì)加熱線(xiàn)圈實(shí)際物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)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(nèi)徑為500mm，裝置外部線(xiàn)圈匝數(shù)為4 匝，螺距為20mm，線(xiàn)圈截面積25mm2，線(xiàn)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(jìn)行3D建模。圖2 為簡(jiǎn)化后的電磁線(xiàn)圈模型示意圖。

圖2 電磁線(xiàn)圈模型示意圖

3.2 設(shè)置電磁模擬參數(shù)。用建模軟件進(jìn)行3D建模，建模完成后，將模型電磁場(chǎng)分析系統(tǒng)，設(shè)置求解類(lèi)型，設(shè)置被加熱的蓄熱裝置金屬壁面材料為Q235B碳鋼，設(shè)置線(xiàn)圈材料為銅（COPPER），同時(shí)賦予線(xiàn)圈激勵(lì)，在線(xiàn)圈橫截面上添加45A的電流，電流頻率為25kHz。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將所有模型設(shè)置為具有渦流效應(yīng)后用分析工具分析無(wú)誤后進(jìn)行電磁場(chǎng)求解計(jì)算。

3.3 模擬結(jié)果。對(duì)蓄熱裝置加熱過(guò)程中電磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬求解，得到磁場(chǎng)分布云圖和磁場(chǎng)矢量分布云圖，如圖3 和圖4所示。

圖3 磁場(chǎng)分布云圖

圖4 磁場(chǎng)矢量分布云圖

通過(guò)磁場(chǎng)分布云圖3 可知，磁場(chǎng)分布的規(guī)律主要是磁場(chǎng)強(qiáng)度較大的地方出現(xiàn)在線(xiàn)圈與被加熱的蓄熱裝置壁面中間區(qū)域，分析原因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)圓環(huán)效應(yīng)導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度在遠(yuǎn)離線(xiàn)圈的地方會(huì)急速衰減。通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)矢量分布云圖4 的觀察，可以進(jìn)一步看到磁力線(xiàn)的分布規(guī)律，與磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)，磁力線(xiàn)主要密集分布在線(xiàn)圈的周?chē)?，呈包裹態(tài)勢(shì)，離線(xiàn)圈的距離越遠(yuǎn)，磁力線(xiàn)的數(shù)量和強(qiáng)度都會(huì)越小，這也是受到了電磁場(chǎng)中圓環(huán)效應(yīng)的作用。

由上述分析可知電磁加熱線(xiàn)圈設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)布置在蓄熱裝置金屬壁面外側(cè)，這樣才能較好的利用線(xiàn)圈通電時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，可以達(dá)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(qiáng)度較大，往上下兩側(cè)逐漸變小，這是由于磁感線(xiàn)在線(xiàn)圈端部區(qū)域呈發(fā)散態(tài)勢(shì)造成電磁感應(yīng)強(qiáng)度下降，從而造成感應(yīng)渦流的強(qiáng)度變小，這也就是感應(yīng)加熱中的端部效應(yīng)。

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(shè)計(jì)加熱線(xiàn)圈時(shí)，為了減少端部效應(yīng)的效果，應(yīng)該盡量讓加熱線(xiàn)圈纏繞在整個(gè)蓄熱裝置的被加熱區(qū)域，從而讓感應(yīng)渦流在金屬壁面上分布的更加均勻。同時(shí)，由于電磁加熱過(guò)程中，蓄熱裝置被加熱區(qū)域的金屬壁面溫度可高達(dá)600℃，所以要對(duì)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(fèi)。

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(jié)果在軟件的不同模塊間進(jìn)行更新，同時(shí)創(chuàng)建瞬態(tài)熱模塊，在創(chuàng)建的模塊中：a.設(shè)置金屬壁面材料為Q235B，設(shè)置其物性參數(shù)。b.更新設(shè)置，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將電磁分析模塊與其連接，同時(shí)將電磁模擬結(jié)果導(dǎo)入其中，圖7 為被加熱金屬壁面網(wǎng)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(guò)電磁數(shù)值模擬分析結(jié)果進(jìn)一步計(jì)算得出其渦流損耗，接著設(shè)置被加熱金屬的熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)參數(shù)，設(shè)置完成后點(diǎn)擊計(jì)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(wǎng)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(xiàn)圈加熱的金屬壁面上溫度分布由于集膚效應(yīng)和端部效應(yīng)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(diǎn)出現(xiàn)在金屬壁面中心部位，同時(shí)外表面的金屬壁溫要大于內(nèi)表面的金屬壁溫，觀察溫度標(biāo)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(shí)44min，且金屬壁面內(nèi)側(cè)與外側(cè)的溫度差距不大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了蓄熱所需的600℃，金屬壁面溫度分布較為均勻，可以實(shí)現(xiàn)蓄熱材料在加熱過(guò)程中的均勻受熱。

5 電磁加熱線(xiàn)圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了取得更好的加熱效果，研究不同因素對(duì)被加熱物體表面溫度分布的影響，對(duì)加熱線(xiàn)圈進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?？紤]到在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電流大小和頻率可通過(guò)加熱電源控制裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以主要對(duì)線(xiàn)圈的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，如線(xiàn)圈的匝數(shù)與線(xiàn)圈跟裝置外壁面的距離等。如表1 所示，選定了四種線(xiàn)圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)數(shù)值模擬分析不同因素對(duì)加熱效果的影響。

模擬工況參數(shù)設(shè)置如表1 所示，其余參數(shù)均設(shè)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(shè)置為20℃、加熱時(shí)間為36min。模擬軟件中對(duì)其物理模型的網(wǎng)格劃分、熱物性參數(shù)等均設(shè)為一致，圖9 為模擬結(jié)果。

圖9 四種工況下溫度分布云圖

表1 不同工況參數(shù)設(shè)定

觀察模擬結(jié)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(shí)間內(nèi)，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(shí)可以看出B 工況下裝置的壁面溫度分布較不均勻，在整個(gè)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(yīng)與集膚效應(yīng)更加顯著，而A工況下溫度分布較為均勻，所以對(duì)于蓄熱裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，應(yīng)在滿(mǎn)足其機(jī)械強(qiáng)度的前提下，設(shè)計(jì)出的裝置的壁厚不應(yīng)過(guò)厚，這樣才能盡量壁面因壁厚過(guò)厚造成的溫度在壁面上分布的不均勻。

對(duì)比圖9(a)和圖9(c)可知：由于C 工況下線(xiàn)圈匝間距增大，匝數(shù)變少，使得在相同加熱時(shí)間內(nèi)，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(shí)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(shuō)明線(xiàn)圈纏繞在被加熱的蓄熱裝置上時(shí)應(yīng)當(dāng)越緊密越好，這樣才能提高對(duì)電磁能的利用，使得加熱過(guò)程中的壁面溫度上升更快。

觀察圖9(a)和圖9(d)，對(duì)比模型數(shù)據(jù)可知：相比于A，D 工況下線(xiàn)圈與裝置外壁面距離增大5mm，觀察模擬結(jié)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)加熱過(guò)程中，線(xiàn)圈不應(yīng)與被加熱物體距離太遠(yuǎn)，在做好保溫工作的情況下，線(xiàn)圈應(yīng)盡可能靠近被加熱物體。

通過(guò)上面四種工況的數(shù)值模擬分析可知，設(shè)計(jì)電磁加熱線(xiàn)圈時(shí)，為了達(dá)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(duì)蓄熱材料的加熱效率，需要注意以下3 點(diǎn)：a.設(shè)計(jì)蓄熱裝置時(shí)，裝置壁面材料應(yīng)選擇金屬材質(zhì)，其次應(yīng)先滿(mǎn)足其物理強(qiáng)度，并且裝置壁厚不宜過(guò)厚，這才有利于外壁面的高溫傳遞到內(nèi)部蓄熱材料。b.由于線(xiàn)圈周?chē)姶艌?chǎng)在一定距離后會(huì)急劇衰減，所以電磁加熱線(xiàn)圈應(yīng)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(fèi)，同時(shí)在相同高度的加熱區(qū)域內(nèi)，線(xiàn)圈的匝數(shù)越多，加熱的效果越好。c.加熱過(guò)程中蓄熱裝置外壁面會(huì)變成高溫，所以要使用陶瓷纖維材料對(duì)其進(jìn)行保溫，防止熱量的散失。

6 結(jié)論

利用軟件對(duì)蓄熱裝置中的電磁加熱線(xiàn)圈進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合分析，同時(shí)得到了線(xiàn)圈電磁場(chǎng)的電磁分布結(jié)果和蓄熱裝置的溫度分布結(jié)果，分析4 種不同工況下的模擬結(jié)果來(lái)確定不同因素對(duì)電磁感應(yīng)加熱的作用和影響，從而完成了對(duì)加熱線(xiàn)圈物理結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，提高了加熱效率，得到如下結(jié)論：a.A 工況下的電磁線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)較為優(yōu)異，電磁感應(yīng)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(xiàn)圈周?chē)姶艌?chǎng)在一定距離后會(huì)急劇衰減，為了提高加熱效率，應(yīng)使電磁加熱線(xiàn)圈應(yīng)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(fèi)，同時(shí)在相同高度的加熱區(qū)域內(nèi)，線(xiàn)圈的匝數(shù)越多，加熱的效果越好，加熱過(guò)程中蓄熱裝置外壁面會(huì)變成高溫，所以要使用陶瓷纖維材料對(duì)其進(jìn)行保溫，防止熱量的散失。