電磁感應加熱組件內磁場分布的數值分析*

張化福，張秋翔，李雙喜，蔡紀寧

（北京化工大學機電工程學院，北京 100029）

0 引言

電磁感應加熱式蒸汽發生器（以下簡稱感應蒸發器）是利用電磁感應的原理將水加熱成飽和或過熱蒸汽的發生裝置。

工作原理如圖1 所示，由感應加熱電源、電磁感應加熱組件組成，感應加熱電源包括整流器、濾波器、逆變器和變壓器，電磁感應加熱組件包括感應元件、保溫層、換熱元件。

感應蒸發器由于具有熱效率高、功率密度大、操作靈活、節能環保等優點而倍受關注，可應用在缺少蒸汽鍋爐的中小企業或流動工作場合等。

有關電磁感應加熱方面的研究幾乎沒有，本文運用感應加熱器的設計理論[1]對電磁感應元件進行電工計算和結構設計，借鑒相關電磁耦合數值模擬方面的經驗作為指導[2-3]，對電磁感應加熱蒸汽發生器的核心部件電磁感應加熱組件，進行電磁耦合的數值分析，旨在分析研究沸騰換熱元件內磁場分布規律，找出符合實際加熱工況的電磁感應加熱元件結構，實現最優化并滿足工程應用的需要。

1 數值分析的有限元模型

1.1 數值分析計算的三種方案

方案一為在等徑的換熱元件上纏繞匝距相等的感應線圈，線圈均勻分布；方案二為在等徑換熱元件上纏繞匝距不等的感應線圈，分為感應元件1和感應元件二，其中感應元件1的匝距小，線圈較密，感應元件2 的匝距大，線圈較稀疏；方案三中的換熱元件為一個進口直徑較小出口直徑較大的變徑管，感應元件也是一個與換熱元件相適應的變徑線圈，其匝距相等，線圈均勻分布。如圖2示。

圖1 電磁感應加熱蒸汽發生器

圖2 數值計算的三種方案

1.2 物理模型機結構參數

本文數值模擬研究三種不同結構換熱元件的磁通和磁感應強度的分布，通過對比分析得出最優化方案，結構及結構參數如下。

圖3 三種方案的物理模型

表1 三種方案的結構尺寸

1.3 建模及劃分網格

本文針對磁場分布的數值模擬，由于有限元模型不太復雜，采用2D 空間下建模及網格劃分即可達到求解的精度，建模、劃分網格如圖4 所示。

1.4 數值分析的邊界條件

圖4 三種方案結構的建模及劃分網格

本文數值模擬計算所需要的邊界條件包括對感應元件、保溫層、換熱元件材料的選取以及對感應元件參數的定義，具體邊界條件如表2所示。

表2 邊界條件

2 數值計算結果與分析

2.1 兩種定位管芯材料的數值模擬對比分析

圖5 為方案一中不銹鋼和碳鋼兩種定位管芯材料下，沸騰換熱元件內磁通密度的分布對比。從圖5 中可以看出定位管芯為不銹鋼材料時，磁通密度集中在靠近感應線圈的換熱元件部位，定位管芯處的磁通密度較小，當定位管芯為碳鋼材料時，磁通密度的分布相比前者更為均勻，在定位管芯上磁通密度相比前者更大；磁通分布越密，磁通密度越大，則儲存的電磁能越大，說明在其他條件相同時，磁導率較大的碳鋼芯比磁導率較小的不銹鋼芯在磁場分布上更為均勻，更符合換熱要求。

圖5 方案一中兩種管芯磁通分布對比

圖6 顯示的是方案一中兩種管芯的磁通密度在換熱元件和定位管芯上沿軸向的變化曲線。

圖6（a）所示為換熱元件上磁通密度沿軸向的分布規律，對于不銹鋼芯，磁通密度沿軸向距離的不斷增大，呈現先急劇增大再緩慢增大，而后緩慢減小之后再急劇減小的倒U 型分布規律，最大值出現在中心點，最小值在進出口；對于碳鋼芯，磁通密度沿軸向距離的不斷增大，呈現先急劇增大再緩慢減小，而后緩慢增加之后再急劇減小的M 型分布規律，最大值出現在距離進出口較近處關于中心對稱的兩個點，最小值出現在進出口處。

圖6 磁通密度沿軸向的變化曲線

圖6（b）所示為定位管芯上磁通密度沿軸向的分布規律，沿軸向距離的不斷增大，磁通密度的分布呈現先增大后減小的拋物線分布規律，在進出口磁通密度最小，在中心點最大，碳鋼的磁通密度略大于不銹鋼芯的磁通密度。

2.2 三種方案結構的數值模擬對比分析

圖7 所示的是三種方案的磁場分布云圖對比，可以看出方案一中的分布呈現進出口稀疏，中間密集的狀態；方案二的密集區主要在前半段，稀疏區主要在后半段，具有優化作用，即前半段傳熱效果好，需要很大的熱流密度，后半段傳熱差，需要較小的熱流密度；方案三中的分布基本呈現和方案一的類似分布，密集處為中間區域，稀疏處為進出口區域，但后半段由于變徑作用增大了傳熱面積，在吸收電磁能基本不變的情況下，減小了熱流密度，相比方案一具有改進優化作用。

圖8 所示為三種方案中換熱元件和定位管芯上的磁通密度沿軸向的變化曲線。

圖8（a）為換熱元件上磁通密度沿軸向的變化曲線，可以看出方案一和方案三的曲線趨勢基本相同，呈現M 型的分布規律，最大值出現在距離進出口較近并關于中心點對稱的兩個點，最小值出現在兩端；方案二中的磁通密度分布在前半段較大呈拋物線分布，在后半段較小分布比較平緩。

圖8（b）為定位管芯上磁通密度沿軸向的變化曲線，可以看出三種方案曲線的分布大致相同，磁通密度的分布呈現拋物線分布規律，在進出口磁通密度最小，在中心點最大；在前半段方案二的磁通密度略高于方案一和方案三，在前半段方案一、方案二、方案三的磁通密度逐漸遞減但差別不大。

3 結論

（1）對不銹鋼和碳鋼兩種定位管芯進行數值模擬計算，對計算結果對比分析得出碳鋼芯的磁場分布相比不銹鋼芯更加均勻，電磁能分布更加均勻，更符合工程換熱的要求，為優化方案。

圖8 磁通密度沿軸向的變化曲線

（2）對三種不同結構的電磁感應加熱組件進行數值模擬計算，對計算結果分析得出方案二結構的電磁能分布前多后少，更加符合工程換熱的需要，為優化方案，作為新型電磁感應加熱組件。

［1］付正博.感應加熱與節能［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［2］周超，褚曉銳.500 kV 變電站工頻電磁場數值分析［J］.貴州電力技術，2011，14（12）：4-8.

［3］吳永霞，張甲，梁旭彪，等.大型汽輪發電機端部電磁場數值分析［J］.機電工程，2012，29（3）：249-252.

［4］Wuan Y X，Zu J，et al.Large steam turbine generator end electromagnetic field numerical analysis［J］.Electromechanical Engineering，2008，29（1）：87-90.