熔盐电磁感应加热系统的热性能分析

储能科学与技术

f

Energy Storage Science and Technology

Vol.8 No.2

Mar. 2019

研究开发1

熔盐电磁感应加热系统的热性能分析

张永乐，张晓明，吴玉庭，鹿院卫，马重芳

(北京工业大学环境与能源工程学院，传热强化与过程节能教育部重点实验室及传热与能源利用北京市重点实验室，

北京 100124)

摘要：将电磁感应加热技术应用到低谷电加热熔盐储热供暖领域，搭建熔盐电磁感应加热实验系统，以感应 加热器为研究对象，探究熔盐以及线圈冷却水在不同熔盐流速和线圈电流工况下的温度变化规律，计算加热效率和冷 却水热损失率。结果表明：电磁感应加热器可以快速加热熔盐，熔盐温升主要集中在开始加热80〜240s之间，温升 速率在100 s时最大；改变线圈电流或熔盐流速，可以产生不同终温的熔盐，流速0.177 m/s时，熔盐在不同电流下 出口温度分别为201.452 °C、203.891 °C、207.599 °C、212.975 °C和221.454 °C;熔盐流速一定，熔盐和线圈冷却 水吸热量随线圈电流的增加而升高；线圈电流不变，熔盐吸热量随流速的增加而升高、线圈冷却水吸热量随流速增加 而降低；熔盐流速0.296 m/s、线圈电流600 A时，熔盐加热效率为69.28%，线圈冷却水热损失率为16.45%。关键词：熔盐储热供暖；电磁感应加热；线圈电流；流速；热效率 doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0236

中图分类号：TM 121 文献标志码：A 文章编号：2095-4239 (2019) 02-319-07

Analysis of thermal performance of electromagnetic induction based

molten salt heating system

ZHANG Yongle, ZHANGXiaoming, WU Yuting, LU Yuanwei, MA Chongfang

(MOE Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation, Beijing Key Laboratory of Heat Transfer and Energy

Conversion, College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Abstract: This paper concerns the application of the electromagnetic induction heating technology in

heating molten salt in a heat storage system. An experimental system was set up for electromagnetic induction heating of molten salt and temperature variation of molten salt and coil cooling water under different molten salt velocity and coil current conditions were investigated. The results showed that the electromagnetic induction heater can heat the molten salt quickly. The temperature rise of molten salt occurred mainly in the first 80—240 s after starting the heating process, and the temperature rising rate reached maximum at 〜100s. A change in the coil current or molten salt velocity can produce molten salts with different final temperatures. When the velocity was 0.177m/s, the outlet temperature of molten salt at different currents was 201.45 °C, 203.89 °C? 207.60 °C? 212.98 °C and 221.45 °C. When the velocity of molten salt was constant, the heat absorption of molten salt and coil cooling water increased with increasing coil current. When the coil current was constant, the heat absorption of molten salt increased with increasing velocity, while the heat absorption of cooling water decreased. When the velocity of molten salt was 0.296 m/s and the current of coil was 600 A, the heating efficiency of molten salt was 69.28% and the corresponding heat loss of the cooling water was 16.45%.Key words: molten salt heat storage and heating; electromagnetic induction heating; coil current; velocity;

thermal efficiency

太阳能作为可再生能源之一，因为来源广泛且

不会增加环境负荷而成为未来能源结构中的重要

组成部分，利用太阳能进行日常生活供暖是一种成本低廉、洁净、安全的选择[1]。考虑到太阳辐射受 日夜交替变化的影响以及太阳能与低谷电在时间 上的互补性，可以将谷电利用电加热的方法以热能 形式储存在储热介质中用于建筑的供暖[2_3]，这样 不仅解决了太阳能不稳定性和谷电周期性的弊端，

收稿日期：2018-12-06;修改稿日期：2019-01-03。基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFB0903603)。

第一作者：张永乐（1993—），男，硕士研究生，主要研究方向为熔盐

电磁感应加热技术的开发与利用，E-mail: zhangyongle0121@163.com;

联系人：吴玉庭，教授，主要研究方向为高温传热蓄热、高效热功转

换，E-mail: wuyutingl970@126.com。

320储能科学与技术2019年第8卷

而且可以减少环境污染问题。由于熔融盐具有较高 的使用温度、高热稳定性、高比热容、高对流传热 系数、低黏度、低饱和蒸气压、低价格这些“四高 三低”的优势[4_6]，目前为大规模储热系统中储热 介质的主要发展方向之一。采用适宜的熔融盐作为 储热介质，可以有效提升储热系统的整体性能。太 阳能与低谷电加热熔盐联合供暖系统如图1所示。

图1太阳能+低谷电加热熔盐联合供暖示意图

Fig.l

Schematic diagram for combined heating between

solar energy and low load of power

利用低谷电加热熔盐并以热能形式进行储存 的过程中，电加热器性能的优劣对谷电的转化效率 起到了决定性的因素。因此，对加热技术的研究在 谷电利用方面尤为重要。加热技术的发展主要考虑 以下几方面的问题[7_8]:①节约能量，降低环境污 染，尽可能提局加热速度和加热效率；②加热过 程易实现自动控制；③操作、使用、维修方便， 安全可靠。

目前常见的熔盐加热方式多为传统的电阻加 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[94()]。电磁感应加热速度快、 温度易于控制，避免了电阻丝加热温度高易导致高 温老化烧断的缺点，从而越来越受到人们的重 视[11_14]。电磁感应加热技术现已大量应用到金属热 处理以及焊接等生产工艺中，近些年感应加热电源 频率更是由中频阶段发展到了高频和超音频阶段， 完全能够满足感应加热所要求的高频率和大功率 [15]。将电磁感应加热应用于熔盐储热供暖系统中， 不仅可以弥补太阳能间歇性的缺点，实现热量大规 模的储存，还可以起到“削峰填谷”的作用，维护电 网的用电安全。

将电磁感应加热技术应用到熔盐储热供暖领

域，搭建加热功率为30 kW (功率可调）的熔盐电 磁感应加热实验系统并在感应加热器上进行试验

研究，以探求该加热方式对高温熔盐的加热能力以 及各种因素对高温熔盐加热特性的影响。

1

熔盐电磁感应加热器工作机理与

结构参数

电磁感应加热器以感应加热的方式将电能转 化为热能，图2为加热器结构的物理模型，从内到 外依次为金属管道、保温绝缘材料、感应线圈。加 热器表面缠有线圈，金属管道两端分别为高温熔盐 进口与出口。当线圈中通有交变电流时线圈周围便 会产生交变磁场，处于交变磁场中的金属管道就会 产生感应电动势以及感应电流，感应电流进而产生 焦耳热，使金属管道自身被加热。由于大多数金属 的电阻率很小，因此较小的感应电动势往往可以在 金属内部激起强大的感应电流。

图2感应加热器物理模型

Fig.2 Physical model of induction heater

电磁感应加热器的结构参数如表1所示。

表1

电磁感应加热器结构参数

Table 1

Structure parameters of electromagnetic

induction heater

名称

参数值

金属加热管长/mm3000加热管直径/mm45加热管壁厚/mm2.5保温绝缘层厚度/mm

10线圈内径/mm65线圈长度/mm3100线圈螺距（中心距）/mm

35线圈匝数90线圈铜管内径/mm10线圈铜管壁厚/mm

2

2实验系统及数据处理

图3为熔盐电磁感应加热试验系统图，主要由

第2期张永乐等：熔盐电磁感应加热系统的热性能分析321

5个部分组成。①电源系统。感应电源输出功率 可以调节，最大输出功率为45 kW。由感应电源箱 和补偿电容箱组成，其作用是将三相工频交流电转 变成中高频交流电并将其输送到感应线圈上。② 电磁感应加热器。由感应线圈、保绝缘层以及金属 管道组成，其作用是将感应线圈上的电能完成“电 -磁-电-热”过程的转化，并将热量传递给金属管道 内部流动的熔盐。金属管道置于感应线圈内，接收 电磁感应的作用成为蓄热器，同时又作为换热器将 热量传递给熔盐。考虑到熔盐具有腐蚀性，金属管 道的材料选为低电阻率和高热导率的不锈钢，可以 在交变磁场中产生较强的感应电流，从而产生较强 的焦耳热并快速传递到内部流动的熔盐中。线圈通 有交流电时会受到电磁感应中“集肤效应”的影响， 导致电荷集中于线圈表面，因此线圈材料选择为导 电能力较强的空心紫铜管，并在铜管内部通有冷却 水及时给线圈冷却降温。感应加热器的结构如图4 所示。③高温熔盐罐。罐体材料为304不锈钢， 熔盐罐直径1.2

m，

由底部圆柱筒体和顶盖组成。

底部圆柱筒体垂直高度为lm，壁面厚度6 mm。其 作用是将熔盐从固态融化为液态，并对高温熔盐进 行储存。④换热器。实验系统采用管壳式换热器，

材料为304不锈钢，热媒为熔盐，冷媒为水，额定

(b)电磁感应加热试验系统实物图

图3熔盐电磁感应加热试验系统

Fig.3 Electromagnetic induction heating test system for

molten salt换热功率25 kW。熔盐经电磁感应加热器加热升温 后流入换热器与水换热，换热降温后的熔盐流回到 高温熔盐罐中继续参与下一轮循环实验。⑤冷却 系统。冷却系统1的作用是对换热器中与熔盐换热 后的水冷却降温以及给高温熔盐罐中的熔盐泵冷

却降温；冷却系统2的作用是给感应电源箱、补 偿电容箱以及感应线圈进行冷却，保证系统安全运行。

(a)感应加热器结构示意图

(b)感应加热器实物图

1 一焙盐入口； 2—焙盐入口测温点；3—线圈冷却通道；4一感应线圈; 5—隔热层；6—隔热层温度测点；7—溶盐出口测温点；8—溶盐入口

混合室孔板；9一溶盐出口混合室孔板；10—溶盐出口

图4电磁感应加热器

Fig.4 Electromagnetic induction heater

本实验系统的测试对象为感应加热器，通过改 变加热器入口熔盐流速和感应线圈电流大小，测量 不同条件下熔盐和线圈冷却水的出口温度，计算得 到不同工况下熔盐和冷却水的吸热量以及热效率。 熔盐被加热的过程中所吸收的热量忍为

ps = cs.qms.Ats

(1)

式中，&为熔盐比热容；qms为熔盐质量流量;

A匕为熔盐进出口温升。

冷却水流经感应线圈后吸热量Pw为

式中，Q为冷却水比热容；^^为冷却水质量 流量；A(w为冷却水进出口温升。

熔盐加热效率Z7S以及线圈冷却水热损失率Z7W 分别为

”S:= 5_xioo%

(3)

= ^xl00°/〇

Pt

(4)

式中，S为感应电源输出功率。

3实验结果及分析

为计算熔盐热效率和线圈冷却水热损失率，需 对感应电源的输出功率八进行测量，实验测得感应

322储能科学与技术2019年第8卷

电源的输出功率与感应线圈电流的对应关系如图5 所示，线圈电流为200 A、300 A、400 A、500 A、 600 A时所对应的感应电源的输出功率分别为4.32

kW、6.95 kW、12.65 kW、19.53 kW、28.24 kW。

由图可见，感应线圈的电流随着电源的输出功率增 大而增加。

Fig.5 Output power curve of induction power supply

3.1熔盐流速对熔盐出口温度的影响

图6为熔盐进口温度200 °C、线圈电流400 A 时，熔盐出口温度在不同流速下随加热时间变化的 曲线。由图可见，熔盐出口温度呈现出先增加后维 持稳定的趋势，温升主要集中在开始加热后80〜 240 s之间；在通有相同线圈电流情况下，随着熔 盐流速的增加，熔盐的出口温度降低。达到稳态时，

流速为0.067 m/s和0.296 m/s时熔盐的出口温度分 别为218.226 °C和205.323 °C。这是因为熔盐流速 增大后单位时间内流过加热器的熔盐量增多，熔盐 与加热器换热时间减少，熔盐出口温度降低。

图6不同流速对熔盐出口温度的影响

Fig.6 Effect of different velocity on exit temperature of

molten salt

图7为熔盐进口温度200°C、线圈电流400 A

时，熔盐出口温升速率在不同熔盐流速下随加热时 间变化的曲线。由图可见，熔盐出口温升速率随加 热时间的变化先增大后减小，熔盐的温升速率在

100 s时达到最大值，然后逐渐减小至0 °C/min附 近，熔盐温升趋势减缓，出口温度维持在稳定值附 近；线圈电流一定时，熔盐温升速率随熔盐流速的 增加而降低；流速为0.067 m/s、0.107 m/s、 0.177 m/s、0.241 m/s、0.296 m/s 时，相应的熔盐最 大温升速率分别为9.36 °C/min、4.98 °C/min、 4.108 °C/min、3.59 °C/min、2.904 oC/min。

I

IUIp.m/Mf

银t

頰

0 80 160 240 320 400 480 560 640

t/s图7

不同流速对熔盐出口温升速率的影响

Fig.7 Effect of different velocity on exit rate of

temperature rising of molten salt

3.2线圈电流对熔盐出口温度的影响

图8为熔盐进口温度200 °C、流速0.177 m/s 时，熔盐出口温度在不同线圈电流的情况下随加热 时间变化的曲线。由图可知，流速一定时，提高线 圈电流，达到相同的出口熔盐温度所需的时间减 少；熔盐所能达到最终平衡温度升高，加热达到稳

态后，线圈电流为200 A、300 A、400 A、500 A、 600 A时所对应的熔盐出口温度分别为201.452 。(：、203.891 〇C、207.599 〇C、212.975 〇C和 221.454 °C。这是因为线圈电流增大后空间中的磁场强度和 加热器上的感应电流增强，加热器产生的焦耳热增 多，熔盐吸收的热量上升，出口温度升高。

图9为熔盐进口温度200 °C、流速0.177 m/s 时，熔盐出口温升速率在不同线圈电流情况下随加 热时间变化的曲线。由图可见，熔盐出口温升速率 随加热时间的变化先增大后减小至〇 °C/min附近， 表明此时加热系统达到稳态；在流速不变的情况 下，出口处熔盐温升速率随线圈电流的增加而增 大，线圈电流分别为200 A、300 A、400 A、500 A、 600 A时，相应的出口处熔盐最大温升速率分别

第2期 张永乐等：熔盐电磁感应加热系统的热性能分析 323

为 1.758 °C/min、2.598 °C/min、4.563 °C/min、 7.156 °C/min 和 8.751 °C/min。

230 225

220

卜5

210

205

200

0

80 160 240 320 400 480 560 640

t/s图8

不同线圈电流对熔盐出口温度的影响

Fig.8 Effect of different coil currents on exit temperature

of molten salt

10

I

lsm.

/修p

觸太頰

0 80 160 240 320 400 480 560 640

t/s图9不同电流对熔盐出口温升速率的影响

Fig.9 Effect of different coil currents on exit rate of

temperature rising of molten salt

3.3线圈电流对线圈冷却水出口温度的影响

由于加热器温度较高，且感应线圈通电后自身 会发热，因此为了避免感应线圈温度过高，需对感 应线圈内部通水冷却。图10为线圈冷却水流量 0.205 kg/s、进口温度26 °C、熔盐流速为0.177 m/s 时，冷却水出口温度在不同线圈电流情况下随加热 时间变化的曲线。由图可知，开启加热器之前冷却 水出口温度已增加至27.5 °C左右，这是因为流动 的线圈冷却水在开启加热器之前会吸收熔盐传递 给加热器的部分热量，出口温度升高；相同熔盐流 速情况下，冷却水出口温度随着线圈电流的增大而 升高，熔盐流速为0.177 m/s时，线圈电流分别200

A、300 A、400 A、500 A、600 A所对应的冷却水

出 口温度分别为 28.227 °C、28.936 °C、30.415 °C、 32.621 °C和 34.538 °C。

Fig. 10 Effects of different coil currents on exit

temperature of cooling water

3.4线圈电流对吸热量和加热效率的影响

图11为不同熔盐流速工况下熔盐吸热量和线 圈冷却水吸热量随线圈电流的变化关系，由图可 知，熔盐流速一定时，熔盐的吸热量及和线圈冷 却水的吸热量&

都随着线圈电流的增加而升高。

这是因为线圈电流增大后空间中的磁场强度和加 热器上的感应电流增强，感应加热器的焦耳热量增 多，熔盐吸热量也随即增加；线圈电流的增加使线 圈自身的发热量增多，线圈内部流动的冷却水从而 吸收的热量升高。

线圈电流一定时，熔盐流速从0.067 m/s增加 至0.241 m/s过程中，加热器产生的热量不变，由 于熔盐流速的增加使得换热能力增强，熔盐的吸热 量增加，加热器上剩余的热量减少，线圈冷却水所 吸收的热量从而减少。

图12为不同线圈电流时加热效率％和线圈冷 却水热损率失〜随熔盐流速变化的曲线。由图可 知，相同熔盐流速下，熔盐加热效率7S随线圈电流 的增加而上升，线圈冷却水热损失率〜随线圈电 流的增加而降低，熔盐流速为0.296 m/s时，线圈

200 300 400 500 600

I/A

(a) v=0.067 m/s

324储能科学与技术2019年第8卷

200 300 400

500 600

I/A

200 300 400

500 600

I/A

200

300

400

500 600

I/A

(d) v=0.241 m/s

图11不同线圈电流对吸热量的影响

Fig.ll Effects of different coil currents on heat absorption

电流从200 A增加至600 A过程中％从30.98%上 升至69.28%，〜从37.88%下降至16.45%;相同 线圈电流情况下，加热效率％随熔盐流速的增加而 上升，线圈冷却水热损失率7W随熔盐流速的增加 而降低，电流为600 A时，熔盐流速从0.067 m/s 增加至0.296 m/s的过程中％从48.56%上升至 69.28%，〜从34.16%下降至16.45%。因此，可以 通过增加感应线圈电流或者熔盐流速，来实现提高 加热效率、减少冷却水热损失率。

(a)加热效率

(b)冷却水热损失率

图12不同线圈电流对加热效率和冷却水热损失率的影响

Fig. 12 Effects of different coil currents on heating

efficiency and heating loss of cooling water

4结 论

本文将电磁感应加热技术应用到熔盐储热领 域并搭建了熔盐电磁感应加热实验系统，进行了熔 盐温升特性实验，得出了以下结论。

(1) 线圈电流不变，熔盐流速增加，熔盐所能

达到的最终平衡温度和温升速率都降低；熔盐流速 一定，线圈电流增加，达到相同的熔盐出口温度所 需的时间减少，最终平衡温度和熔盐温升速率都升 高；加热到100 s时，熔盐温升速率达到最大值， 加热速度最快；100 s后温升速率逐渐减小至0 °C /min附近，加热速度减慢，熔盐出口温度维持在稳 定值附近。

(2)

熔盐流速一定时，线圈冷却水出口温度随

着线圈电流的增大而升高，熔盐流速为0.177 m/s 时，线圈电流从200 A增加至600 A所对应的冷却 水出口温度从28.227 °C增加到34.538 °C。

(3)

熔盐流速一定时，熔盐和线圈冷却水吸热

量都随着线圈电流的增加而升高；线圈电流一定 时，熔盐的吸热量随流速的增加而升高、线圈冷却

第2期张永乐等：熔盐电磁感应加热系统的热性能分析325

水的吸热量随流速的增加而降低。

(4)增加线圈电流或者熔盐流速，可提高恪盐 加热效率，降低线圈冷却水热损率。

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