不同截面形狀的電磁感應(yīng)加熱管道流動(dòng)換熱性能對(duì)比研究

張?jiān)乓?，劉 博1， 馬 磊1，唐亞前1，王 濤1，張 磊2，施 渺，曾翔君

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

隨著直流輸電技術(shù)的發(fā)展和突破，換流變壓器作為直流輸電系統(tǒng)中最為重要的設(shè)備之一，其安全運(yùn)行至關(guān)重要[1]。然而，大多數(shù)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(dǎo)致變壓器設(shè)備損壞。因此，為保證絕緣件的擊穿電壓合格及電氣強(qiáng)度滿足安全運(yùn)行的要求，必須重點(diǎn)對(duì)鐵心和繞組等進(jìn)行干燥處理[2]。

現(xiàn)階段，大多數(shù)換流變壓器還是廣泛采用真空熱油循環(huán)干燥法對(duì)變壓器進(jìn)行干燥處理，最常見是采用濾油機(jī)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(diǎn)。因此本文提出了電磁感應(yīng)加熱變壓器油的方法，提高加熱效率。目前，對(duì)電磁感應(yīng)加熱的研究有很多，但大多都是應(yīng)用在金屬熱處理[4]、注塑機(jī)[5]等場合。在變壓器油加熱方面應(yīng)用電磁感應(yīng)加熱的研究較少，例如：在油箱鐵損真空干燥法中將感應(yīng)線圈纏繞在油箱表面，利用電磁感應(yīng)加熱的原理加熱油箱從而加熱變壓器油，達(dá)到變壓器油升溫的目的[6]，但是這種方法存在內(nèi)部升溫慢、局部高溫的缺點(diǎn)，容易造成變壓器油變質(zhì)。本文提出采用電磁感應(yīng)加熱管道對(duì)循環(huán)油流進(jìn)行加熱，對(duì)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(yīng)加熱數(shù)值計(jì)算模型

1.1 物理模型

電磁感應(yīng)加熱的原理是利用電磁感應(yīng)原理使金屬管壁均勻發(fā)熱，從而對(duì)流過管道的循環(huán)油流進(jìn)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(duì)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(yīng)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(yīng)加熱管內(nèi)介質(zhì)均為KI45X變壓器油，其物性參數(shù)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(jié)構(gòu)示意圖

表1 20#鋼的物性參數(shù)

表2 變壓器油的物性參數(shù)

1.2 邊界條件

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

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

圖2 變壓器油運(yùn)動(dòng)黏度隨油溫的變化關(guān)系

根據(jù)鋼管的材料屬性和電流激勵(lì)計(jì)算可知，鋼管的趨膚深度小于0.2 mm，其發(fā)熱層厚度遠(yuǎn)小于鋼管的壁厚，可將電磁感應(yīng)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(jìn)口速度設(shè)為1.8 m/s，出口設(shè)置為壓力出口，在管外壁面設(shè)置平均熱流密度，并保證熱流量均為920 W。

圖3 邊界條件

對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，獲得網(wǎng)格質(zhì)量較好(0.65～1)，對(duì)管內(nèi)側(cè)進(jìn)行邊界層網(wǎng)格設(shè)置，采用速度與壓力耦合求解器SIMPLC進(jìn)行求解計(jì)算，并進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，采用結(jié)果穩(wěn)定的網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

如圖4所示，為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，以直圓管為電磁感應(yīng)加熱管道，搭建了變壓器油加熱的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。圓管表面纏有保溫層以及感應(yīng)線圈。管內(nèi)介質(zhì)為KI45X變壓器油，變壓器油通過齒輪油泵循環(huán)流動(dòng)，并用齒輪流量計(jì)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的變壓器油體積流量。變壓器油從油箱上方出口流進(jìn)圓管型電磁感應(yīng)加熱裝置，被加熱的變壓器油再通過齒輪流量計(jì)和齒輪油泵進(jìn)入油箱。利用安裝在電磁感應(yīng)加熱裝置的熱電偶檢測變壓器油在加熱管內(nèi)進(jìn)出口油溫以及加熱管外壁面溫度。實(shí)驗(yàn)過程中，變壓器油初始溫度為15 ℃，實(shí)驗(yàn)裝置的加熱功率為920 W，變壓器油進(jìn)入加熱管的流速為1.8 m/s，將變壓器油循環(huán)加熱至60 ℃。

圖4 圓管型電磁感應(yīng)加熱裝置

圖5為圓管型電磁感應(yīng)加熱裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)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(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差距產(chǎn)生的原因主要是被加熱圓管內(nèi)壁面存在銹蝕使圓管內(nèi)的熱阻和流動(dòng)阻力增加所致，數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)貼合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可行性。

圖5 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)果與討論

3.1 換熱性能與阻力特性

對(duì)三種加熱管道內(nèi)的傳熱和流動(dòng)性能進(jìn)行了分析，并以努塞爾數(shù)Nu、阻力系數(shù)f作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中努塞爾數(shù)Nu越大，表示管內(nèi)換熱性能越好；阻力系數(shù)f越小表示管內(nèi)流動(dòng)阻力越小，其表達(dá)式分別為

式中：h表示表面換熱系數(shù)，W/(m2·K)；D為特征長度，m；L為管長度，m；k表示流體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Δp表示壓降損失，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3；um為管內(nèi)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(yīng)加熱裝置的管內(nèi)換熱努塞爾數(shù)Nu均不斷減小；橢圓直管的換熱性能略差于圓管內(nèi)的換熱性能，其努塞爾數(shù)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(nèi)的努塞爾數(shù)Nu始終比圓管內(nèi)的努塞爾數(shù)Nu提升了20%左右，說明交叉橢圓管的強(qiáng)化傳熱效果穩(wěn)定；入口油溫的增加使努塞爾數(shù)Nu迅速減小，入口油溫每升高5℃，努塞爾數(shù)Nu平均降低了8%左右。

圖6 管內(nèi)努塞爾數(shù)Nu對(duì)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(yīng)加熱裝置管內(nèi)流動(dòng)阻力系數(shù)f基本保持不變，橢圓直管的阻力系數(shù)f略大于圓管內(nèi)變壓器油的流動(dòng)阻力系數(shù)f；由于交叉橢圓管管內(nèi)截面周期性變化，增大了管內(nèi)流動(dòng)的流動(dòng)阻力，因此交叉橢圓管內(nèi)的阻力系數(shù)f始終比圓管和橢圓直管內(nèi)的阻力系數(shù)f增加20%左右。

圖7 管內(nèi)阻力系數(shù)f對(duì)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(nèi)變壓器油隨著橢圓截面的交叉變化而產(chǎn)生劇烈的二次流，二次流在慣性和黏性的作用下發(fā)展為縱向渦，縱向渦的產(chǎn)生改善了管內(nèi)流動(dòng)換熱的場協(xié)同性，而圓管和橢圓直管內(nèi)均沒有縱向渦的產(chǎn)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(nèi)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(jìn)了管內(nèi)表面附近被加熱的變壓器油向遠(yuǎn)離管內(nèi)表面方向運(yùn)動(dòng)，改善了管內(nèi)的換熱情況，而圓管和橢圓直管內(nèi)的溫度等值線分布呈現(xiàn)著變壓器油溫度從管內(nèi)表面向中心的逐漸遞減的規(guī)律。

圖8 管內(nèi)流場和溫度場分布情況

3.3 場協(xié)同效應(yīng)

場協(xié)同數(shù)Fc[8]是用來定量描述和比較不同對(duì)流傳熱情況下的速度場和熱流場協(xié)同的程度，場協(xié)同數(shù)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(qiáng)度越大。其場協(xié)同數(shù)Fc可以表達(dá)為

式中：Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)，均為無量綱數(shù)。

為了方便對(duì)比不同油溫下3種管型的管內(nèi)速度場和熱流場的協(xié)同性，將入口油溫30 ℃時(shí)圓管內(nèi)場協(xié)同設(shè)為Fc0，將其他情況下的場協(xié)同數(shù)與Fc0的比值作為指標(biāo)，結(jié)果如圖9所示。交叉橢圓管內(nèi)由于存在縱向渦改善了管內(nèi)流動(dòng)換熱的場協(xié)同效應(yīng)；3種管型的場協(xié)同數(shù)均隨著入口油溫的升高而降低，管內(nèi)場協(xié)同效應(yīng)變差。

4 結(jié) 語

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

圖9 場協(xié)同數(shù)對(duì)比

(1)隨著入口油溫的升高，三種管道的努塞爾數(shù)Nu不斷減小。交叉橢圓管的努塞爾數(shù)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(yùn)動(dòng)黏度在30～60 ℃變化幅度小，三種結(jié)構(gòu)管道的阻力系數(shù)f隨入口油溫的上升而保持基本不變。交叉橢圓管內(nèi)的阻力系數(shù)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(nèi)，隨著管內(nèi)橢圓截面的交叉變換流體產(chǎn)生強(qiáng)烈的二次流，二次流在粘性和慣性的作用下發(fā)展為縱向渦，改善了管內(nèi)對(duì)流換熱的場協(xié)同性，變壓器油加熱更加均勻。交叉橢圓管在電磁感應(yīng)加熱變壓器油中，強(qiáng)化了管內(nèi)換熱，在換流變壓器熱油循環(huán)干燥過程中可以施加更大的加熱功率，節(jié)約時(shí)間成本。