基于多物理场的电加热装置加热丝结构研究_陈雷.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 1 期Vol 42 No12023 年 1 月Jan 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 01 020基于多物理场的电加热装置加热丝结构研究陈雷，徐涛，付启桐，邢作霞，张鹏，徐健(沈阳工业大学 电气工程学院，沈阳 110870)摘要:采用电-磁-热多场耦合的方法对电加热元件进行研究，提出一种新的 U 型管状电加热元件。利用数值模拟的方法分析了磁场、电场以及温度场对电热元件的影响，对比了管状和柱状两种加热元件的磁通密度、电场强度和温度分布特点，计算了元件的电磁力、表面负荷，并根据已有柱状加热元件结构和装置对数值模拟结果进行验证进而推断新结构的可行性。研究表明，在相同工况下，管状结构加热元件能够有效减小热量积累，相较柱状加热元件温度能降低 25%，同时能减小37%表面负荷，有效提高元件的使用寿命，综合性能良好。关键词:固体电制热装置;多物理场耦合;电热元件;加热丝设计中图分类号:TK 37文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)01 0099 06esearch on Heating Wire Structure of Electric HeatingDevice Based on Multi physics FieldCHEN Lei，XU Tao，FU Qitong，XING Zuoxia，ZHANG Peng，XU Jian(School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)Abstract:The electric heating element is theoretically deduced by the method of electro-magnetic-thermal multi-fieldcoupling，and a new structure of electric heating element is proposed The influence of magnetic field，electric field andtemperature field on the electric heating element is analyzed by numerical simulation，the magnetic density，electric fieldand temperature distribution characteristics of the two heating elements are compared，and the electromagnetic force andsurface load of the element are calculated The heating element structure and device are verified by numerical simulationresults to infer the feasibility of the new structure The research shows that under the same working conditions，thetubular heating element can effectively reduce the heat accumulation，reduce the temperature of the cylindrical heatingelement by 25%，reduce the surface load by 37%，improve the service life of the element It has good comprehensiveperformanceKey words:solid electric heating device;multi-physics coupling;electric heating element;heating wire design收稿日期:2022-03-05基金项目:辽宁省兴辽英才计划项目(XLYC2008005)作者简介:陈雷(1971 )，男，辽宁开原人，学士，工程师，主要研究方向为新能源发电技术及固体储能技术。Tel:13478195409;E-mail:1605738958 qq com0引言随着清洁能源在全球的迅速发展，风电光伏装机容量激增，能源应用结构逐步发生改变，风电机组并网运行一直给电网安全稳定的运行带来了巨大挑战，容易造成电压波动和闪变、电能质量下降等问题，风电并网消纳难成为当前必须解决的问题1-2。采用大容量固体电加热装置是当前解决新能源消纳行之有效的方法，该装置既能参与火电机组灵活性改造进行热电解耦，提高电网调峰空间，又能进行风电消纳、绿色低碳供暖。另外，该装置能够减少温室及有害气体产生，完全能对燃煤锅炉等供暖设备取而代之，缓解日益严重的空气污染问题3-7。第 42 卷电加热元件是大容量固体电加热装置的关键部件8。由于其在高温高压条件下易发生形变、短路、击穿以及熔断等问题，对整个装置能否安全稳定运行有着至关重要的影响。因此，电加热元件材料选择、结构设计以及排布方式显得十分重要。国内外关于固体电制热元件的研究内容比较少，文献 9-10 中分析了电加热热元件在不同温度条件和不同比表面积的情况下元件的耐热特性以及内部氧化特性。文献 11中分析了电加热元件向储热体传热时，传热速率受储热结构的限制的影响。文献 12 中分析了电加热元件丝型选择与计算以及加热丝排布结构对整个蓄热装置的电磁特性的影响。文献 13中研究了混凝土显热储能系统，通过实验分析了装置电热性能，从而对蓄热单元结构进行优化设计，减少了换热管道数量。在固体电加热元件在运行时，需要控制元件的加热温度、传热速率以及加热时长。文献 14中研究了螺旋形加热丝和带状 U 型加热丝的磁密分布和不同电压等级下带状 U 型加热丝磁密分布规律。本文采用数值模拟的方法，设计了 U 型柱状加热丝和 U 型管状加热丝，比较管状和柱状两种加热元件的电场和磁场密度、电流密度、电场强度、温度分布以及表面负荷。通过对比发现，相同条件下 U 管状型加热丝散热更快温度更低，有效降低了在运行时元件发生熔断情况。为工程实际中加热元件的选型提供了更多的选择。1加热元件参数设计由于铁铬铝合金在高温应用领域十分广泛，具有氧化性好、电阻率高、价格低廉、热膨胀系数低、机械性能良好等优势15-16，本文所选用的加热丝为铁铬铝合金，型号为 0Cr25Al5。设计了两种电热元件的形状结构，一种为 U 型柱状加热丝，另一种为 U 型管状加热丝(21%真空度)，如图 1 所示。其中，O 为波高;H 为高度;W 为宽度;MN 为横截线。(a)管状加热丝(b)柱状加热丝图 1U 型加热元件示意1 1结构参数设计固体电加热装置中加热元件平铺在蓄热体加热孔中，整个装置内的加热元件呈对称分布，因此在分析加热丝工况时，只需分析相邻一对加热丝的电磁热特性即可。文中设置加热丝的 O、H 以及 W 分别为 30、300、125 mm，管状加热丝内径 3 mm，外径 5 mm;柱状加热丝半径 4 mm。利用 Comsol 软件，通过有限元分析法将一对相邻加热丝进行数值模拟，加热丝物性参数如下:密度 7 100 kgm3，比热容 460 J/(kgK)，最高使用温度 1 400 K，导热系数 13 2 W/(mK)，发射率 0 6，相对磁导率 2 58，相对介电常数 1 000 585，电阻率温度系数 3 8 104K1，电阻率(20)1 42m。1 2实际表面负荷电加热元件的表面负荷设计时要按照实际表面负荷进行设计，在相同工作条件下，选用较大的表面负荷则意味着使用较少的合金材料，但元件的表面温度就会增高，元件寿命缩短，严重者元件会被烧毁。其计算式为Wr=P10dL Wi(1)式中:Wr为电加热元件实际表面负荷，W/cm2;Wi为理想表面负荷，W/cm2;P 为加热功率，W;d 为线材直径，mm;L 为线材总长度，m。2电热元件多场建模分析固体电加热装置通过其他附属设备与电网直接相连。通常该设备连接在 35、66、110 kV 电压等级中，电加热元件所施加的是三相交流电，会在加热元件上产生电磁力，从而使装置受力发生形变，通电线圈受电磁力引发的位移形变量如表 1 所示。表 1不同时间、温度下电热丝形变量t/h形变量/m700 900 0711014 51413016 02114517 52815518 53515819 54216020 54916221 35616521 06316721 37016821 52 1磁场建模电加热元件在通入交流电后产生磁场。由图 2 可知，单位电流元对于空间任意一点 P 处的磁密大小，是由导线中各电流元在此点的磁通密度大小矢量之和。根据毕奥-萨伐尔定理，加热丝轴线磁通密度为:001第 1 期陈雷，等:基于多物理场的电加热装置加热丝结构研究图 2导线电流元磁场计算结构示意dB=04Idlr2sin2(2)B=lcos dB=04Ir2sin2cos ldl(3)式中:sin =r2+r槡2，cos =2+r槡2B 为磁通密度;I 为电热元件中的电流;0为真空磁导率;l 为电流元长度;r 为电流元距离点 P 的距离;为点 P 投影到电流元的距离。根据安培定律，导线会受到磁安培力的影响，其大小为Fl=lIdl B(r)=lIdl B(4)B(r)=04lIdl (r r)r r3(5)式中，Fl为电流元所受电磁力。在 Comsol 仿真软件中磁场边界条件设置如下:(1)矢量磁势 A在加热元件以外的空气域中逐渐呈衰减趋势，距离加热元件无限远处矢量磁势大小为 0，在设置空气域边界条件为AS0=0(6)(2)沿加热元件轴向空气截面处设置成磁绝缘边界，表示为n AS1、S2=0(7)式中:S0为装置无限远处;S1和 S2分别为磁绝缘边界;n 为边界的法向量。2 2电场建模由于大容量固体电加热储热装置通入工频 50 Hz交流电，电压随时间的变化速度比较缓慢，电加热元件间距远小于电磁波的波长，因此可以认为任意时刻电场的分布是稳定的。可以按照分析静电场的原则和方法来分析电热元件中所受到的电场状况。通过求解电荷在空间连续分布的区域中的电位得到蓄热装置整体电场强度12。电加热元件在空间中产生的电场根据麦克斯韦方程得到:D=，B=0 E=B/t H=J+D/t(8)有关介质方程可表示为:D=E，B=H，J=E(9)则电热元件所受电磁力可表示为F=E+JB(10)式中:为哈密算子;D 为电位移矢量;为电荷密度;E 为电场强度;t 为时间;H 为磁场强度;J 为电流密度;为材料介电常数;为材料的磁导率;为电导率。通过求解矢量磁势 A后，可以求得电热元件各处的电流密度与单位电磁体积损耗密度分别为:J=1 A(11)Qv=1J2(12)式中，Qv是单位电磁体积损耗密度。电加热元件金属导体部分的电导率和温度之间满足以下关系:=201+(T 20)(13)式中:20为 20 时的电导率;为电导率随温度变化的温度系数;T 为加热元件当前温度。2 3温度场建模在蓄热装置中加热丝内置在蓄热单元体内，纯电阻式发热，通过产生焦耳热，以热辐射和热传导方式将蓄热单元加热，此过程遵循能量守恒定律。(shs)t=(sTs)+Q(14)式中:s为电加热丝的密度;hs为电加热丝的焓;s为电热丝的导热系数;Q 为内热源。电加热元件在通电时产生的焦耳热为Q=I21t(15)式中，1为电加热元件的阻值。电加热元件对外界环境中辐射能量 =0S(T41 T42)(16)式中:0为电热元件表面发射率，无量纲;T1为电热元件表面热