不同截面形状的电磁感应加热管道流动换热性能对比研究

张耘溢1，刘 博1， 马 磊1，唐亚前1，王 涛1，张 磊2，施 渺，曾翔君

(1.国网宁夏电力有限公司检修公司，银川 750001；2.银川中节能联合电力有限公司，银川 750001；3.西安交通大学，西安 710049)

随着直流输电技术的发展和突破，换流变压器作为直流输电系统中最为重要的设备之一，其安全运行至关重要[1]。然而，大多数换流变压器在使用过程中都是由于含水量过高降低了变压器的击穿电压，导致变压器设备损坏。因此，为保证绝缘件的击穿电压合格及电气强度满足安全运行的要求，必须重点对铁心和绕组等进行干燥处理[2]。

现阶段，大多数换流变压器还是广泛采用真空热油循环干燥法对变压器进行干燥处理，最常见是采用滤油机完成变压器油的加热、干燥处理[3]。这种方法，存在着加热效率低、能量损失大的缺点。因此本文提出了电磁感应加热变压器油的方法，提高加热效率。目前，对电磁感应加热的研究有很多，但大多都是应用在金属热处理[4]、注塑机[5]等场合。在变压器油加热方面应用电磁感应加热的研究较少，例如：在油箱铁损真空干燥法中将感应线圈缠绕在油箱表面，利用电磁感应加热的原理加热油箱从而加热变压器油，达到变压器油升温的目的[6]，但是这种方法存在内部升温慢、局部高温的缺点，容易造成变压器油变质。本文提出采用电磁感应加热管道对循环油流进行加热，对比分析了圆管、椭圆直管、交叉椭圆管三种管道的加热效果。

1 感应加热数值计算模型

1.1 物理模型

电磁感应加热的原理是利用电磁感应原理使金属管壁均匀发热，从而对流过管道的循环油流进行加热。为研究不同截面形状的加热管道的加热性能，本文以圆管、椭圆直管、交叉椭圆管为研究对象，如图1所示。三种管道流通截面积相同，长度均为1 m。为保证电磁感应加热的效果，管材均为20#低碳钢，其物性如表1所示。电磁感应加热管内介质均为KI45X变压器油，其物性参数如表2所示。变压器油的黏度随温度变化很大，如图2所示[7]。

图1 管结构示意图

表1 20#钢的物性参数

表2 变压器油的物性参数

1.2 边界条件

导体在高频交变的磁场中，由于集肤效应，电流仅在导体的表面通过，而导体仅在流过电流的部位产生热量。通过电流的厚度即趋肤深度与交变电流频率和导体本身性质有关，表达式为

式中:ρ为导体的电阻率，Ω·m；f为交变电流频率，Hz；μ为导体的磁导率，H/m。

图2 变压器油运动黏度随油温的变化关系

根据钢管的材料属性和电流激励计算可知，钢管的趋肤深度小于0.2 mm，其发热层厚度远小于钢管的壁厚，可将电磁感应获得的铁损简化为恒定壁面热流密度。因此，圆管、椭圆直管和交叉椭圆管的边界条件简化为图3所示，进口速度设为1.8 m/s，出口设置为压力出口，在管外壁面设置平均热流密度，并保证热流量均为920 W。

图3 边界条件

对计算域进行网格划分，获得网格质量较好(0.65～1)，对管内侧进行边界层网格设置，采用速度与压力耦合求解器SIMPLC进行求解计算，并进行网格无关性验证，采用结果稳定的网格进行数值计算。

2 实验验证

如图4所示，为了验证数值模拟的可靠性，以直圆管为电磁感应加热管道，搭建了变压器油加热的实验平台。圆管表面缠有保温层以及感应线圈。管内介质为KI45X变压器油，变压器油通过齿轮油泵循环流动，并用齿轮流量计监测实验装置内的变压器油体积流量。变压器油从油箱上方出口流进圆管型电磁感应加热装置，被加热的变压器油再通过齿轮流量计和齿轮油泵进入油箱。利用安装在电磁感应加热装置的热电偶检测变压器油在加热管内进出口油温以及加热管外壁面温度。实验过程中，变压器油初始温度为15 ℃，实验装置的加热功率为920 W，变压器油进入加热管的流速为1.8 m/s，将变压器油循环加热至60 ℃。

图4 圆管型电磁感应加热装置

图5为圆管型电磁感应加热装置的实验数据和数值模拟的结果对比，随着入口油温的不断升高，圆管外壁面的温度也不断升高，数值模拟结果和实验数据差距产生的原因主要是被加热圆管内壁面存在锈蚀使圆管内的热阻和流动阻力增加所致，数值模拟结果和实验数据贴合，验证了数值模拟的可行性。

图5 数值模拟结果与实验结果对比

3 结果与讨论

3.1 换热性能与阻力特性

对三种加热管道内的传热和流动性能进行了分析，并以努塞尔数Nu、阻力系数f作为评价指标，其中努塞尔数Nu越大，表示管内换热性能越好；阻力系数f越小表示管内流动阻力越小，其表达式分别为

式中：h表示表面换热系数，W/(m2·K)；D为特征长度，m；L为管长度，m；k表示流体导热系数，W/(m·K)；Δp表示压降损失，Pa；ρ为空气密度，kg/m3；um为管内流速，m/s。

如图6所示，随着入口油温的不断增加，圆管、椭圆直管和交叉椭圆管三种管型的电磁感应加热装置的管内换热努塞尔数Nu均不断减小；椭圆直管的换热性能略差于圆管内的换热性能，其努塞尔数Nu比较接近；交叉椭圆管的换热性能相比于圆管有较大的提升，在相同工况下，交叉椭圆管内的努塞尔数Nu始终比圆管内的努塞尔数Nu提升了20%左右，说明交叉椭圆管的强化传热效果稳定；入口油温的增加使努塞尔数Nu迅速减小，入口油温每升高5℃，努塞尔数Nu平均降低了8%左右。

图6 管内努塞尔数Nu对比

如图7所示，随着入口油温的不断增加，圆管、椭圆直管和交叉椭圆管三种管型的电磁感应加热装置管内流动阻力系数f基本保持不变，椭圆直管的阻力系数f略大于圆管内变压器油的流动阻力系数f；由于交叉椭圆管管内截面周期性变化，增大了管内流动的流动阻力，因此交叉椭圆管内的阻力系数f始终比圆管和椭圆直管内的阻力系数f增加20%左右。

图7 管内阻力系数f对比

3.2 流场和温度场分布

图8为入口油温30 ℃的圆管、椭圆直管和交叉椭圆管在1/2管长位置的流场和温度场分布情况，通过流场分布可以看出，由于交叉椭圆管内变压器油随着椭圆截面的交叉变化而产生剧烈的二次流，二次流在惯性和黏性的作用下发展为纵向涡，纵向涡的产生改善了管内流动换热的场协同性，而圆管和椭圆直管内均没有纵向涡的产生；相比于圆管和椭圆直管而言，多变的流道截面改善了交叉椭圆管内变压器油的温度分布，截面温度等值线分布情况揭示了纵向涡促进了管内表面附近被加热的变压器油向远离管内表面方向运动，改善了管内的换热情况，而圆管和椭圆直管内的温度等值线分布呈现着变压器油温度从管内表面向中心的逐渐递减的规律。

图8 管内流场和温度场分布情况

3.3 场协同效应

场协同数Fc[8]是用来定量描述和比较不同对流传热情况下的速度场和热流场协同的程度，场协同数越大，其速度场与热流场的配合越好，在流速和流体热物性不变的条件下，其换热强度越大。其场协同数Fc可以表达为

式中：Re为雷诺数；Pr为普朗特数，均为无量纲数。

为了方便对比不同油温下3种管型的管内速度场和热流场的协同性，将入口油温30 ℃时圆管内场协同设为Fc0，将其他情况下的场协同数与Fc0的比值作为指标，结果如图9所示。交叉椭圆管内由于存在纵向涡改善了管内流动换热的场协同效应；3种管型的场协同数均随着入口油温的升高而降低，管内场协同效应变差。

4 结 语

本文为了分析圆管、椭圆直管、交叉椭圆管作为电磁感应加热管道时变压器油的加热性能，对比分析了不同入口油温时三种管道的努塞尔数Nu和阻力系数f，并对三种管道的流场和温度场分布情况进行了分析，得到如下结论：

图9 场协同数对比

(1)随着入口油温的升高，三种管道的努塞尔数Nu不断减小。交叉椭圆管的努塞尔数Nu始终高于椭圆直管和圆管，其换热性能最好。

(2)由于变压器油的运动黏度在30～60 ℃变化幅度小，三种结构管道的阻力系数f随入口油温的上升而保持基本不变。交叉椭圆管内的阻力系数f最大，相比于圆管和椭圆直管增加了20%。

(3)在交叉椭圆管内，随着管内椭圆截面的交叉变换流体产生强烈的二次流，二次流在粘性和惯性的作用下发展为纵向涡，改善了管内对流换热的场协同性，变压器油加热更加均匀。交叉椭圆管在电磁感应加热变压器油中，强化了管内换热，在换流变压器热油循环干燥过程中可以施加更大的加热功率，节约时间成本。