集肤效应电伴热系统的计算分析与设计软件开发

摘要

伴热系统应用于防冻、保温及罐体加热等工业的各个领域。其中集肤效应电伴热由于其安装维护方便、安全可靠、节能环保及伴热寿命长等优点，应用越来越广泛。目前国内外对于集肤效应电伴热系统的相关研究相对较少，在实际的工程应用中许多问题正不断浮现，对集肤效应的阻抗及发热机理缺乏足够的理论分析，因此本论文对集肤效应电伴热的理论和应用的研究具有重要的意义。
　　本文首先阐述了课题研究的相关背景及意义，在查阅国内外相关文献的基础上，简要介绍了目前集肤效应电伴热系统的应用和研究现状，并提出了目前工程应用中所存在的问题，最后确定了本课题的研究内容。
　　文章的第二部分简要介绍了集肤效应电伴热的系统组成，分析了集肤效应电伴热的发热组成，确定了文章的主要结构。通过求解Maxwell方程组，得出了集肤深度的计算公式。并采用Ansoft电磁场仿真软件对伴热系统进行建模，仿真分析了伴热系统中的集肤效应现象和邻近效应现象。
　　第三部分对集肤效应伴热系统的阻抗进行了分析，基于扩散方程分别推导出了伴热电缆和伴热钢管的阻抗计算公式，并结合实际的项目计算了相应的燃油管线的阻抗值，描绘了其随频率变化的曲线，分析了温度对阻抗的影响。
　　文章的第四部分采用计算矢量磁势的方法，理论推导出了伴热钢管中的涡流电流密度的分布函数，并对计算结果进行MATLAB仿真分析，吻合了前述集肤效应和邻近效应现象对电流分布的影响，验证了其准确性。其次，对伴热钢管中的磁滞效应损耗的机理及计算进行了研究，通过选用相应的计算模型，采用有限元的方法计算伴热管中的磁滞效应生热，并采用Ansoft进行仿真分析。
　　第五章在计算管道的散热量和对流系数的基础上，以北方一条石油输送管线为例，采用Ansys对管线进行了单根伴热管和双根伴热管的热学仿真。
　　文章最后在基于上述理论分析的基础上，完成了对集肤效应电伴热系统一套设计软件的开发，并介绍了集肤伴热在实际工程当中的一些应用。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 研究意义

1．2 集肤效应电伴热的国内外研究现状及进展

1．3 课题研究内容

1．4 本章小结

第2章 集肤效应电伴热系统及原理

2．1 集肤效应电伴热系统组成

2．2 集肤效应电伴热的发热组成

2．3 集肤效应电伴热系统原理

2．3．1 集肤效应和邻近效应

2．3．2 集肤深度的理论推导

2．4 集肤效应及邻近效应仿真

2．4．1 集肤效应仿真

2．4．2 考虑邻近效应的仿真

2．5 本章小结

第3章 集肤效应电伴热系统的电缆阻抗及损耗分析

3．1 阻抗分析的意义

3．2 伴热电缆概述

3．3 电缆阻抗的计算

3．4 本章小结

第4章 伴热管中涡流和磁滞效应损耗生热

4．1 集肤效应伴热管中的涡流效应

4．2 伴热管涡流模型及计算

4．2．1 伴热管中涡流的描述

4．2．2 伴热管中涡流损耗的计算

4．3 集肤效应伴热管中的磁滞效应

4．4 磁滞效应计算模型

4．5 磁滞效应有限元仿真

4．6 本章小结

第5章 集肤效应电伴热系统热学有限元仿真

5．1 散热量计算

5．2 对流系数计算

5．3 伴热系统热学有限元仿真

5．3．1 单根伴热管仿真

5．3．2 双根伴热管仿真

5．4 本章小结

第6章 集肤效应电伴热系统设计软件的编写和现场应用

6．1 集肤效应电伴热系统设计软件的编写

6．1．1 软件的设计思路

6．1．2 软件的功能简介

6．2 集肤效应电伴热系统的现场应用

6．3 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 论文总结

7．2 工作展望

参考文献