_电磁感应高温空气加热特性试验研究

第29卷第20期中国电机 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学报Vol.29No.20Jul.15,2009302009年7月15日ProceedingsoftheCSEE©2009Chin.Soc.forElec.Eng.文章编号：0258-8013(2009)20-0030-05中图分类号：TK263文献标志码：A学科分类号：470⋅20电磁感应高温空气加热特性试验研究孙佰仲，刘洪鹏，刘秀，王擎，李少华(东北电力大学能源与机械工程学院，吉林省吉林市132012)ExperimentalInvestigationonElectromagneticInductionHeatingCharacteristicsforHighTemperatureAirSUNBai-zhong,LIUHong-peng,LIUXiu,WANGQing,LIShao-hua(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,JilinProvince,China)ABSTRACT:Basedonelectromagneticinductionheatingtechnology,anewtypeofhightemperatureairheaterwasmanufactured.Thecoldairwasheatedbytheinductionheatingwork-piecesinsidetheheater.Theexperimentresearchofthetemperaturerisingcharacteristicsofairwerecarriedoutindifferentconditionincludingdifferentheatingpower,airflowrate,andinitialtemperatureofheatingwork-pieces.Theresultsshowthattheelectromagneticinductionheatercanproducehightemperatureairwhichfinaltemperaturecouldbeabove900℃rapidlyandconveniently.Hightemperatureairofdifferentfinaltemperaturesalsocanbeobtainedwithchangingoftheelectricalsourceoutputpowerortheairflowratesinsideoftheairheater.KEYWORDS:electromagneticinduction;hightemperatureair;temperaturerisingcharacteristics;heatingwork-pieces摘要：将电磁感应加热技术应用到空气加热领域，研制新型高温空气加热装置。在电磁感应磁场中依靠加热装置内部感应加热件所产生的感应热对空气进行加热。在高温空气加热试验装置上，进行加热功率、空气流量、加热件初始温度对空气加热特性的影响规律的试验研究。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明：电磁感应高温空气加热装置能够快速方便地产生高温空气，空气终温可达900℃以上；通过改变电源功率或进入加热装置的空气流量，可以产生不同终温的高温空气。关键词：电磁感应；高温空气；升温特性；加热件0引言高温空气在航空航天领域、化工行业、电力及暖通等方面都有广泛的应用[1-2]。目前常见的空气加热装置多为传统的电阻加热，其最大的缺点是反复升温易导致电阻丝脆断，降低加热器使用寿命[3-4]。基金项目：中国电机工程学会电力青年科技创新项目；东北电力大学研究生创新基金项目。曹小玲等人研制了一种高温空气发生器，采用高温空气燃烧技术通过燃料燃烧获得高温烟气，高温烟气加热蓄热体，并通过高温蓄热体加热常温空气，使之成为高温空气。试验结果表明，这种高温空气加热器可以将空气加热到1000℃以上，但它只适用于存在高温燃烧的特定条件下[5]。因此，有必要开发出一种新型高效且适用范围广的高温空气加热器。电磁感应加热具有加热效率高、加热速度快、易于实现机械化及自动化等优点[6-8]，因此，这项技术已经在许多行业中得到应用[9-15]。在感应加热电源的应用中，淬火、焊管、焊接等工艺都 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 高频率大功率的电源[16].近些年感应加热电源频率由中频阶段发展到了超音频和高频阶段，完全能够满足相关工艺所要求的高频率和大功率[17]。在常规的电磁感应加热炉中，利用感应热对金属进行热处理，不同金属会呈现出不同的升温特性，加热范围从几百到一千多摄氏度[18]。本文研制一种新型的空气加热器，加热空气的热源为接收感应加热而升温的金属导体。将这些金属导体制成具有一定形状的感应加热件，当感应加热件在电磁感应的作用下升温发热时，就会将热量传递给流过的冷空气，从而产生高温空气。本文在加热器上进行试验研究，以探求该加热方式获取高温空气的能力以及各种因素对空气加热特性的影响。1高温空气加热试验系统高温空气加热试验系统如图1所示，它由5个部分组成：1）电源系统。由可控硅中频电源、感应电容和感应线圈组成，其作用是通过缠绕在感应加热件DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2009.20.016第20期孙佰仲等：电磁感应高温空气加热特性试验研究31数据采集系统电源系统冷却水系统水系统冷却水出口图1高温空气加热试验系统Fig.1Heatingtestsystemforhightemperatureair周围的线圈，使感应加热件内形成涡流，从而使感应加热件升温蓄热。2）感应加热器。感应加热器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 成圆筒型，长度为1.9m，内径为90.5mm。感应加热件置于感应加热器内，接收电磁感应的作用成为蓄热器，同时，作为换热器将热量传递给空气。基于不同金属在电磁感应下的升温情况，感应加热件采用了一种特质铬铌铝耐高温合金材料，该材料可耐1500℃以上高温，且导磁性和导热性良好，有利于蓄热和传热。感应加热器的结构如图2所示。374251681—冷空气入口；2—感应加热件；3—线圈；4—炉衬；5—高温空气出口；6—冷空气温度测点；7—感应加热件温度测点；8—高温空气温度测点。图2感应加热器结构示意图Fig.2Diagrammaticsketchofthestructureforinductionheater3）水冷系统。对电源、电容及感应线圈进行冷却，保证系统安全稳定运行。4）风系统。由送风机来的常温空气经涡街流量计后进入感应加热器进行加热。5）数据采集系统。本试验系统中，数据测量和采集的对象为：加热器入口风量、加热件温度和加热器进出口空气温度。对加热器入口风量的测量是通过HYWJ-ZN型智能涡街流量计实现的，加热件温度测量采用抗干扰能力强的S型热电偶，进出口空气温度采用K型热电偶测量。数据采集器使用HP34970ADATAACQUISITION/SWITCHUNIT，数据记录仪器使用台式电脑，内带有Benchlinkdatalogger应用程序软件，与采集器配合共同完成测量，实时记录数据。2试验结果及分析2.1空气流量对加热件温升速率的影响图3给出了电源功率80kW工况下，不通风时加热件温升曲线和温升速率曲线。由图可见，经过17min加热，加热件温度由室温升到900℃以上，最大温升速率为136℃/min，平均温升速率为52℃/min。在试验中，考虑到加热件寿命，开始加热时用小功率20kW预热，3min后将电源功率调到80kW加热。由温升速率曲线可以看出，此时的温升速率发生突变，这是因为电源功率升高后，流过加热件的电流增大，单位体积的热功率增加，加热件的温度相应升高。温升曲线温升速率018481226101614t/min0900800700600500400300200100温度/℃014012010080604020温升速率/(℃/min)图3加热件温升曲线Fig.3Temperatureraisingcurveoftheheatingworkpiece金属加热件在感应电磁场中加热时，加热件的相对导磁率μr对其升温特性有决定性的影响。相对导磁率μr，是指某种物质相对于真空的导磁率[19]，μr的定义式为μr=μ/μ0(1)式中：μ为该种物质的导磁率；μ0为真空的导磁率，在大多数情况下真空的导磁率近似等于空气的导磁率。金属的相对导磁率随着温度的升高而降低，当金属的温度达到一定值时，其相对导磁率μr会降到1，这个温度即居里温度。当金属在居里温度以下的温度范围内加热时，升温速度很快，但当金属处于居里温度以上的温度加热时，其升温速度就会急剧降低[20]。结合图3温升速率结果表明，当加热件达到450℃左右时，加热件的温升速率急剧下降，升温变得缓慢，这说明该加热件的居里温度为450℃左右。图4为功率80kW时，不同流量对加热件温升速率的影响。在加热过程中，加热件受到交变磁场作用，产生的涡流使其自身升温，并且把热量通过对流、辐射等方式传给空气，加热件自身也得到冷却。由图可见，随着流量的增大，加热件的温升速率减小。当流量为34m3/h( 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 状态)时，加热件的32中国电机工程学报第29卷34m3/h015105t/min014012010080604020温升速率/(℃/min)27m3/h18m3/h图4不同流量对加热件温升速率的影响Fig.4Influenceofdifferentflowrateonthetemperaturerisingrateoftheheatingworkpiece最大温升速率为117℃/min，流量为27m3/h时，最大温升速率为124℃/min，流量为18m3/h时，最大温升速率增加到132℃/min。2.2空气流量对出口空气温度的影响图5为电源输出功率80kW时，空气流量对加热器出口空气温度的影响。由图可见，相同功率下，随着流量的增加，空气携带热量增多，出口温度也相应升高。在空气流量分别为18、27、34和39m3/h时，加热件温升结果如图6所示。随空气流量增大，加热件温度相应降低。这是因为在同一功率下，加热件产生热量一定，风量小时，热量不能及时带走，空气吸收的热量相对较少，空气出口温度低，加热件上的剩余热量大，加热件的温度就高。当增大风量时，空气的吸热量增大，同时空气带走的热量也多，出口空气温度也就相应的升高，加热件的温度就低。因此，在一定功率下，相应地增大空气流量，不但可以带出更多的热量，而且也可以冷却加热件，延长加热件的使用寿命。图7为功率80kW时，出口空气温升速率随流量的变化曲线图。由图可见，在同一功率下，随着空气流量增大，加热器出口空气的温升速率的最大值也增大。流量分别为18、27、34和39m3/h时，相应的最大温升速率分别为47、49、51和54℃/min。040201030t/min0900800700600500400300200100温度/℃18m3/h27m3/h34m3/h39m3/h图5不同流量对出口空气温度的影响Fig.5Influenceofdifferentflowrateontheoutletairtemperature040201030t/min012001000800600400200温度/℃18m3/h27m3/h34m3/h39m3/h图6不同流量对加热件温度的影响Fig.6Influenceofdifferentflowrateontheheatingworkpiecetemperature39m3/h0402010t/min0605040302010温升速率/(℃/min)27m3/h18m3/h3034m3/h图7不同流量对出口空气温升速率的影响Fig.7Influenceofdifferentflowrateontheoutletairtemperaturerisingrate2.3电源输出功率对出口空气温度的影响空气流量不变，通过改变中频电源输出功率，研究加热器出口空气温度变化的规律。图8为流量34m3/h下，功率分别为20、40、60和80kW时加热器出口空气温升曲线。由图8可知，在流量一定的情况下，加热器出口空气温度随着电源输出功率的增大而升高。这是因为功率增大后，加热件上的热量增加，相同流量的空气得到的热量也会增加，空气出口温度就升高。图9为流量34m3/h，功率分别为20、40、60和80kW时加热器出口空气温升速率随时间的变化曲线图。由图可见，在流量不变的情况下，随着功率的增加，出口空气的温升速率也增加。功率分别为20、40、60和80kW时，相应的最大温升速率050201040t/min0900600300温度/℃3020kW40kW60kW80kW图8不同功率对出口空气温度的影响Fig.8Influenceofdifferentpowerontheoutletairtemperature第20期孙佰仲等：电磁感应高温空气加热特性试验研究33050201040t/min05030103020kW60kW80kW40kW4020温升速率/(℃/min)图9不同功率对出口空气温升速率的影响Fig.9Influenceofdifferentpowerontheoutletairtemperaturerisingrate分别为16、34、49和51℃/min。2.4不同加热件壁温下空气的升温特性为了提高出口空气加热速度，可以考虑先把加热件加热到一定温度后再通风。图10给出了功率为80kW、流量为110m3/h时，在加热件初始温度分别为700和850℃时开始通风的情况下，加热器出口空气的温升曲线。由图可见，把加热件分别加热到700和850℃后开始通风，出口空气温度瞬间发生突变。而且，开始通风时的壁面温度越高，达到最终热平衡温度所需的时间也就越短。040201030t/min0900600300温度/℃700℃850℃图10不同壁温下通风时出口空气升温曲线Fig.10Temperature-risingcurveofoutletairindifferentwalltemperature3结论本文建立电磁感应高温空气加热装置并进行温升特性试验，得到如下主要结论：1）随着空气流量增大，感应加热件的温升速率降低，有利于增加空气的吸热量，同时提高感应加热件的使用寿命。2）在电源输出功率不变情况下，随冷空气流量增加，达到相同的出口空气温度所需的时间减少，出口空气温升速率增大；在冷空气流量不变的情况下，增加电源输出功率，出口空气温升速率增大，所能达到最终平衡温度相应升高。3）通入冷空气时，加热件初始温度越高，出口空气温升速率就越大，达到最终平衡温度所需的时间变短。参考文献[1]杨子鸣，王伯林，沈平，等．微波空气加热技术在化工催化剂活化中的应用[J]．电力需求侧管理，2007，9(4)：37-38．YangZiming，WangBolin，ShenPing，etal．Utilityofmicrowaveairheatingofcatalystactivationinchemicalindustry[J]．PowerDemandSlideManagement，2007，9(4)：37-38(inChinese)．[2]李文蛟，李玲．一种新型空气加热器的研究[J]．热能动力工程，2001，16(5)：475-480．LiWenjiao，LiLing．Astudyofanewtypeofairheater[J]．JournalofEngineeringforThemalEnergyandPower，2001，16(5)：475-480(inChinese)．[3]NajiM，Al-NimrMA．Thermalbehaviorofaporouselectricheater[J]．AppliedThermalEngineering，2002，22(8)：449-457．[4]宋岩．空气电加热器结构原理及性能分析[J]．南通航运职业技术学院学报，2004，3(2)：18-21．SongYan．Structuredesignandperformanceanalysisonelectricaifheater[J]．JournalofNantongVocational&TechnicalShippingCollege，2004，3(2)：18-21(inChinese)．[5]曹小玲，蒋绍坚，吴创之，等．高温空气发生器热态实验研究[J]．中国电机工程学报，2005，25(2)：109-113．CaoXiaoling，JiangShaojian，WuChuangzhi，etal．Hot-stateexperimentresearchofhightemperatureairgenerator[J]．ProceedingsoftheCSEE，2005，25(2)：109-113(inChinese)．[6]俞勇祥．感应加热技术的应用与发展[J]．今日科技，1999(9)：4-5．YuYongxiang．Applicationanddevelopmentofinductionheatingtechnology[J]．TodayScienceandTechnology，1999(9)：4-5(inChinese)．[7]俞勇祥，李胜川，赵荣祥．现代锻造与电感应加热炉——智能化电感应加热成套系统[J]．锻压技术，2000(6)：37-39．YuYongxiang，LiShengchuan，ZhaoRongxiang．Modernforgingandelectronicinductionheatingfurnace-intelligentelectronicinductionheatingintegratedsystem[J]．Forging&StampingTechnology，2000(6)：37-39(inChinese)．[8]吴清平，靖树君，王伟竹．感应加热炉的研制[J]．煤矿机械，2000(8)：42-44．WuQingping，JingShujun，WangWeizhu．Developmentofinduction-heatedfurnace[J]．CoalMineMachinery，2000(8)：42-44(inChinese)．[9]TanimitsuM，QiWubo，YoshimuraS，etal．Arecycletechniquewithdismantlableadhedionusingelectromagneticinductionheating[J]．ProceedingsoftheFirstAsiaInternationalSymposiumonMechatronics(AISM2004)，2004：247-252．[10]赵清林，邬伟扬，张纯江．感应加热在液体加热中的应用[J]．燕山大学学报，2002，26(2)：173-175．ZhaoQinglin，WuWeiyang，ZhangChunjiang．Applicationofinductionheatingforfluidheating[J]．JournalofYanshanUniversity，2002，26(2)：173-175(inChinese)．[11]杜锦才，王晓平．电磁感应加热技术在包装工程中的应用[J]．包装工程，2005(5)：21-23．DuJincai，WangXiaoping．Applicationsofelectromagneticinductionheatingtechnologyinpackagingengineering[J]．PackagingEngineering，2005(5)：21-23(inChinese)．34中国电机工程学报第29卷[12]刘志儒．金属感应热处理[M]．北京：机械工业出版社，1987：22-25．[13]罗学刚，陶杨．植物秸秆电磁感应辅助加热挤压膨化技术研究[J]．纤维素科学与技术，2005，13(3)：7-13．LuoXuegang，TaoYang．Researchesonexpandedandextrusivetechnologyusingelectromagneticinductionheatplantstraw[J]．JournalofCelluloseScienceandTechnology，2005，13(3)：7-13(inChinese)．[14]王光才．电磁感应加热技术在塑料加工工业的应用[J]．电力需求侧管理，2007，9(6)：44-45．WangGuangcai．Applicationofelectromagnetisminduceheatingtechnologyinplasticmachiningindustry[J]．PowerDemandSlideManagement，2007，9(6)：44-45(inChinese)．[15]郝建庚，李文超，孔德南．热轧无缝钢管生产中直通式电磁感应加热炉的工艺设计及应用[J]．钢管，2005，34(1)：27-30．HaoJiangeng，LiWenchao，KongDenan．Technologicaleesignandapplicationofcontinuouspassingelectromagneticinductionheatingfurnaceforhot-rolledseamlesssteeltubeproduction[J]．SteelPipe，2005，34(1)：27-30(inChinese)．[16]潘天明．现代感应加热装置[M]．北京：冶金工业出版社，1996：4-6．[17]蔡慧，赵荣祥，陈辉明，等．倍频式IGBT高频感应加热电源的研究[J]．中国电机工程学报，2006，26(2)：154-158．CaiHui，ZhaoRongxiang，ChenHuiming，etal．Studyonmultiple-frequencyIGBThighfrequencypowersupplyforinductionheating[J]．ProceedingsoftheCSEE，2006，26(2)：154-158(inChinese)．[18]沈庆通，梁文林．现代感应热处理技术[M]．北京：机械工业出版社，2008：8-9．[19]李云凯．金属材料学[M]．北京：北京理工大学出版社，2006：50-51．[20]西安电炉研究所．感应加热技术应用及其设备设计经验[M]．北京：机械工业出版社，1974：80-82．收稿日期：2008-11-17。作者简介：孙佰仲(1973—)，男，黑龙江五常市人，博士，副教授，主要从事油页岩资源的开发和利用、中小型工业锅炉的改造以及生物质能源方面的研究工作，sunbaizhong@126.com；王擎(1964—)，男，博士，教授，研究方向为油页岩综合利用技术及大型循环流化床燃烧及污染物控制等，本文通讯联系作者，rszx@mail.nedu.edu.cn。孙佰仲(责任编辑王庆霞)