船用重油IHS装置设计优化

刘 肖 闫 棚 刘 畅

（江苏科技大学 能源与动力学院 镇江212003）

船用重油IHS装置设计优化

刘 肖 闫 棚 刘 畅

（江苏科技大学 能源与动力学院 镇江212003）

船舶营运为节省成本，普遍使用重油作为燃料。重油因为粘度高，必须对其加热降低其粘度，才能保证燃烧质量，提高柴油机效率。该文针对船舶供油单元重油EHS电加热所存在效率低、加热慢、故障率高等缺点，设计了一种新型重油加热降粘装置。根据电磁感应加热原理（IHS），通过加热线圈对重油管道进行感应加热，降低重油粘度使之满足进机要求；在设计重油管道IHS系统结构的基础上，利用COMSOL Multiphysics多物理场分析软件进一步对管道IHS进行仿真优化，包括对加热频率、加热线圈材质和结构、输油管道材质和结构等进行优选。

重油粘度； 电加热方式；感性加热方式； COMSOL Multiphysics

引 言

针对传统船舶供油单元辅助EHS电加热所存在的效率低、加热慢、故障率高等缺点，从节能减排、保护环境的理念出发对船舶供油单元重油电加热装置进行改造与升级［1］。利用电磁感应非接触特性，对船用重油加热。其加热方式是将感应线圈环绕在输油管道上，输油管道感应产生涡流发热，再对管道中的重油进行加热［2］。本文将IHS技术引入船舶供油单元，在对重油管道电磁感应加热进行结构设计的基础上，为提高加热器的换热效率，根据COMSOL Multiphysics多物理仿真软件，对输油管道及加热线圈的结构和材质进行仿真优化。

1 IHS加热器结构设计

在石油管道加热和EHS筒体电加热模型的基础上［3］，设计了基于IHS的重油降粘结构。重油输油管道由3根船用钢管（国标DN25）并联，重油从入口流入，通过3根并联管道，从出口排出，管道外部附着一层保温棉，3根IHS线圈并联呈三角形绕置于管道外，紧贴保温棉错位排列，重油管道IHS结构设计如图1所示。

图1 管道IHS结构图

电磁感应加热器参数如表1所示，重油管道参数如表2所示。

表1 电磁感应加热器参数

表2 管道参数

在对重油管道IHS进行整体设计的基础上，进一步对管道IHS进行仿真优化，包括对加热频率、加热线圈材质与结构、输油管道材质与结构等进行优选。

2 IHS加热器的仿真及优化

现代化的感应加热电源，如品闸管、IGBT、MOSFET电源［4］，其理论电效率可高达90%，但是设计不良的感应器，其电效率可能并不理想。因此，感应器的优良设计是整个加热效果的关键［5］。针对本次研究的重油管道IHS加热器，根据其加热的特性以及重油的物理性质，可以对加热频率，加热线圈，输油管道等进行优化设计。

2.1 IHS加热频率

为验证频率15~20 kHz时，重油IHS的效果是否最理想，利用COMSOL Multiphysics软件［6］（AC/DC）模块对IHS的频率进行仿真分析。模型采用铜管加热线圈、船用输油碳钢管道，线圈属性如下页表3所示，碳钢管属性如下页表4所示。

根据计算的最佳频率范围15~20 kHz，本次仿真采用四组频率5 kHz、15 kHz、20 kHz、30 kHz，对应的感应电流分布如下页图2所示。

图2中随着电流频率的增加，管道面上产生的感应电流密度也增大，频率5 kHz时的感应电流密度为70.3 A/m2，频率15 kHz时的感应电流密度为164 A/m2。当频率从15 kHz增加到20 kHz时，管道面上的感应电流密度不再增大，同时感应产生的涡流主要集中在管道表层，深度在2~3 mm，这也符合输油管道的加热特点。当频率从20 kHz增至30 kHz时，表面的感应电流密度由160 A/m2降至145 A/m2，因此针对管道IHS，线圈电流频率在15 kHz时加热效果更好。

表3 铜管线圈材料属性

表4 碳钢管属性

图2 感应电流分布

2.2 线圈结构的仿真及优化

不同的线圈形状对IHS有不同的影响。对于铜管线圈截面的选择，主要考虑到电流的环状效应。当环形线圈通过高频率交流电流时，最大电流密度分布在线圈内侧，这种效应称为环状效应（如图3所示）［6］。环状效应使线圈感应器上的电流集中到线圈内侧，对直径小于线圈的零件外表面加热十分有利，本次管道IHS即零件外表面加热。

为验证设计的可行性，以期达到最佳优化结果，采用COMSOL Multiphysics软件的（AC/DC）模块对本次研究设计（如IHS螺旋线圈、输油管道等）进行仿真分析。IHS螺旋铜管线圈材料属性参见表3，船用碳钢管材料属性参见表4。选取截面积相等的圆形线圈和矩形线圈，对比两种线圈在工件上的感应电流密度分布。根据2.1节所述，本次重油管道IHS加热器的最佳工作频率为15 kHz，所以采用电流频率15 kHz对截面积相等的圆形线圈和矩形线圈进行仿真，所获得的二维、三维仿真结果参见图4、图5。

图3 线圈环状效应

图4 圆形线圈感应电流（2D/3D）

图5 矩形线圈感应电流（2D/3D）

图4 、图5为电流频率15 kHz时，圆形线圈和矩形线圈在碳钢管上的感应电流分布图。从图中可以看出：在线圈截面积和电流频率均相同的情况下，矩形线圈的感应密度为217 A/m2，圆形线圈的感应电流密度163 A/m2，所以矩形线圈电磁感应效果更好，管道上感应产生的电流更密集。因此，若为管道IHS，采用矩形线圈加热效果更好，有利于提高电热效率并节能省电。

2.3 线圈材质的仿真及优化

传统的IHS线圈由铜管或铜板绕制成，其材料是工业常用纯铜，又称为紫铜，含铜量 99.7%。铜属于顺磁性材料，其相对磁导率为 1，相当于真空的磁导率，电阻率较小，所以用于IHS加热线圈可以增强电磁感应效果。但是对于铝管以及不锈钢管作为感应加热线圈，在IHS领域尚未被采用，所以本章节尝试用COMSOL Multiphysics软件对铜管、铝管以及不锈钢管作为加热线圈进行仿真分析，探讨不同材质线圈对电磁感应效果的影响。铜管、铝管以及不锈钢管加热线圈的二维、三维仿真结果分别如图6 —图8所示。

图6 铜管矩形线圈感应电流（2D/3D）

图7 铝管矩形线圈感应电流（2D/3D）

图8 不锈钢管矩形线圈感应电流（2D/3D）

从图中可以看出：当电流频率同为15 kHz时，铜管线圈的感应电流密度最大，表面感应电流密度为217 A/m2，铝管线圈的感应电流密度略小于铜管，其表面感应电流密度为206 A/m2，不锈钢管线圈的感应电流密度最小，其表面感应电流密度为135 A/m2，所以感应加热线圈的最好材质应为铜材料。

2.4 重油管道结构的仿真及优化

若采用重油管道IHS，电能由感应线圈转换成管道发热，管道再将热量传递给重油，因此管道结构的设计必然影响热效率。针对管道IHS的特点，在管道结构上进行优化，尝试采用重油IHS双管道结构，外部为感应加热线圈，中间为输油管道，管道外裹一层保温棉。这里采用双管结构，对管道结构进行如此改进，且管道之间由加强筋连接（参见图9），根据COMSOL Multiphysics的仿真结果参见图10。

图9 重油IHS双管道结构

图10 双管道感应电流

图10 为双管道结构在线圈内感应电流分布图，四组电流频率分别为100 Hz、1 kHz、10 kHz、20 kHz，从图中可见：随着频率提高，内层管道被外层管道屏蔽，只在外层管道上产生感应电流，所以双层管道设计不够理想。由仿真结果得出管道感应加热时，只在外层管道产生感应电流，热量集中产生在外层管道，采用双管道结构设计达不到加强IHS的效果，为使热效率更高，可将管道内壁加工成螺旋槽结构，便可显著增加传热面积。燃油在油泵的作用下，顺着螺旋槽流经管道，提高热效率的同时，也可有效防止燃油特别是重油在高温下产生积碳。

本次管道设计中管道内壁采用“金属旋流式”结构（见图11）。将管道内壁加工成螺旋槽结构的结构设计，大大增加传热面积，且管壁自身因电磁感应涡流产生的热量更大程度被重油吸收，故热惯性小。

图11 螺旋槽管道

图11 中的管道内壁螺旋槽结构，可有效减少重油在管壁内表面产生积碳，从而解决了EHS电加热过程中电发热元件直接插在重油中加热时，电发热元件表面会因高温产生结焦，直至电加热元件被烧毁的弊端。其次，重油在流经管道的过程中，在管壁螺旋槽中形成自转，由于螺旋槽的搅拌作用，进一步提高换热效率，重油也可以更均匀地被加热。因此重油管道内壁采用螺旋槽结构，不仅可使重油更高效快速地达到雾化所需的加热温度，并且有效防止重油在管道内壁碳化产生积碳，延长管道使用寿命。

2.5 重油管道材质的仿真及优化

针对重油管道IHS的特点，对重油管道加热段材料可以进行优选。考虑管道需承受耐高温高压的特点，从铜管、碳钢管两种材质的管道中进行选择，根据COMSOL Multiphysics仿真结果对两种材质管道的感应加热效果进行对比分析。铜管材料属性见表5，碳钢管材料属性见表6。

根据COMSOL Multiphysics对两种材质重油管道的感应加热效果进行仿真，设置矩形线圈电流频率为15 kHz，铜管、碳钢管两种材质的重油管道的感应加热仿真结果分别参见下页图12、图13。

表5 铜管材料属性

表6 碳钢管材料属性

从图中可见：当线圈电流频率15 kHz时，铜管道和碳钢管感应的电流密度分别为2 310 A/m2和1 880 A/m2，铜管道的电磁感应电流密度要高于碳钢管，但是由于碳钢管的电导率为4.032e6［S/m］，铜管的电导率为5.998e7［S/m］，所以碳钢管的电阻率要远大于铜管。管道涡流发热的功率表达式［7］：

式中：λ为管道材料的电阻系数，Ω·m；f为交变电流的频率，Hz；Bm为工作时管道中最大的磁感应强度，T；V为所用管道材料的体积，m3。

图12 铜管感应电流

图13 碳钢管感应电流

由式（1）可知，涡流功率与管道的电阻系数、电流频率的平方成正比，由于本次IHS频率采用固定频率15 kHz，所以涡流发热功率主要受电阻率影响，碳钢管的电阻率要远大于铜管。综合考虑，采用碳钢管作为加热段管道。

3 结 论

利用COMSOL Multiphysics多物理场分析软件对管道IHS设计进行仿真优化。针对重油管道IHS加热器设计，在IHS频率，IHS线圈结构、材质以及输油管道的结构、材质等方面进行仿真分析，对重油IHS装置进行优化选型，提高加热器热转换效率。根据仿真分析，本次重油IHS加热器的频率最佳值为15 kHz，感应线圈应选空心铜管，线圈应选用矩形线圈。重油管道使用船用碳钢管，管道结构采用双管道并不能改善加热效率，但可将管壁加工成螺旋状，可显著增加传热面积。燃油在油泵的

作用下，顺着螺旋槽流经管道，可有效防止重油在高温下产生积碳；但是，将管壁加工成螺旋状需要考虑增加成本、管路阻力等问题。

［1］ 余威.船用高速柴油机燃用重油性能研究［D］.武汉：武汉理工大学，2011.

［2］ 孙克刚，马征宾，苗群福. GDJR系列管道电磁感应加热设备［J］.石油科技论坛，2014（2）：68-72.

［3］ 远洋船舶供油单元辅助电加热装置［J］.交通节能与环保，2016（1）：15-19.

［4］ 倪伟.电加热与导热油加热的沥青高温储罐节能效果分析［J］.中国高新技术企业，2015（8）：94-96.

［5］ HAN Yi，WEN Huaiyu，YU Enlin. Study on electromagnetic heating process of heavy-duty sprockets with circular coils and profile coils［J］. Applied Thermal Engineering.2016，100：861-868.

［6］ 戴本尧.基于电磁感应加热的注塑机料筒材料分析研究［J］.轻工科技，2012（11）：16-17.

［7］ 王浩西.永磁涡流发热影响因素的二维电磁场有限元分析［D］.西北大学，2010.

Optimization design of induction heating system for marine heavy oil

LIU Xiao YAN Peng LIU Chang
(School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003, China)

The heavy oil is widely used as fuel in ship operations to save costs. Because of the high viscosity of the heavy oil, it is necessary to heat the heavy oil to reduce its viscosity, in order to ensure the combustion quality and to improve the efficiency of diesel engines. A new device for viscosity reduction by heating the heavy oil is designed in this paper aiming at the disadvantages of low efficiency, slow heating and high failure rate of the heavy oil electrical heating system(EHS) in the ship oil supply unit. According to the principle of electromagnetic induction heating, induction heating by heating coil is used to heat the heavy oil pipeline, in order to reduce the viscosity of the heavy oil to meet the requirements of entering the engine. The induction heating system(IHS) of the heavy oil pipeline is simulated and optimized by using the multi-physics analysis software COMSOL based on the structural design of the pipeline IHS,such as the optimization of heating frequency, heating coil material and structure, and oil pipeline material and structure.

heavy oil viscosity; electrical heating system(EHS); induction heating system(IHS); COMSOL Multiphysics

U664.81+2

A

1001-9855（2017）06-0050-08

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.06.050

2017-04-26；

2017-05-12

刘 肖（1990-），男，硕士。研究方向：轮机设备与系统设计。

闫 棚（1991-），男，硕士。研究方向：轮机设备与系统的研究。

刘 畅（1992-），男，硕士。研究方向：轮机设备与系统的研究。