CN101262718A - 电流集肤效应加热元件 - Google Patents

Abstract

一种电流集肤效应加热元件，由发热管、绝缘电线等构成，利用电工原理“集肤效应”和电磁原理“邻近效应”的原理，充分分析“铜损”和“铁损”产生焦耳热关系，确定了材质，及在发热管内壁电流通道的规律。保证了一旦出现危险的措施，提高发热规律及效率，结构简单，用途广泛。

Description

电流集肤效应加热元件

技术领域：

本发明专利是一种在碳钢管内穿有耐高温绝缘电线的加热元件，尤其同时采用集肤效应和邻近效应原理。

背景技术：

专利ZL03220373X于2004年4月21日公告了“集肤效应伴热元件”文献，其提出了绝缘电线绝缘层采用氟塑料，提高绝缘耐温和导线表面镀锡或镀镍方案，但是其存在以下重要问题需解决：

1、绝缘电线与发热管如何电气连接？发热原理不清楚，发热材料不明确，是导线发热还是发热管发热？

2、发热管内壁多少厚度能通过电流？与那些因素有关？发热管表面是否带电？有无危险？

发明内容：

本发明专利的目的有：

1、分析电气回路及发热原理，用什么发热材料作绝缘电线和发热管；

2、找到发热管内壁电流集肤规律，设计和确定发热管内壁电流通道的安全厚度；保证表面产生的漏电流、漏电压不会出现危险；

本发明专利是这样实现的：为了使电流集肤效应加热元件的发热管外表面安全不带电，电流仅在发热内表面流过，可在发热管中穿一根绝缘电线，其尾端与发热管尾端通过连接点可靠相连接，绝缘电线的首端和发热管首端分别接交流电源的相线和零线，施以交流电压交流，电流通过绝缘电线的线芯和发热管形成串联电回路。

由于绝缘电线线芯材质是铜，属非磁性材料，导磁率u＝1；发热管材质是碳钢，属强磁性材料，导磁率u》1，在绝缘导线穿在发热管中形成串联电回路，于是：

绝缘电线阻抗Z₁＝r-j·X_L；

发热管阻抗Z₂＝R+j·X_C；

串联回路的阻抗 $Z=Z_1+Z_2=(r+R)+j(X_L+X_C)=(r+R)+j(\mathrm{\ωL}-\frac{1}{\mathrm{\ωC}})\·\·\·\left(1\right)$

则该串联带回路的交流电流I为

$\stackrel{\·}{I}=\frac{\stackrel{\·}{U}}{Z}=\frac{\stackrel{\·}{U}}{(r+R)+j(L_L+L{C}_C)}\·\·\·\left(2\right)$

(1)、(2)式中：r为绝缘电线的电阻(Ω)；

X_L为电流集肤效应加热元件的容抗(Ω)；

Z₁为绝缘电线的阻抗(Ω)；

R为发热管的平均交流电阻(Ω)；

X_c为电流集肤效应加热元件的感抗(Ω)；

Z₂为发热管的阻抗(Ω)；

Z为电流集肤效应加热元件的阻抗(Ω)；

为交流电压(V)；

为交流电流(A)；

C为绝缘电线线芯表面与发热管内孔表面之间电介质的电容(F)；

L为电流集肤效应加热元件的电感(H)；

下面对(1)式r、R、X_L、X_c分别述叙：

根据基尔霍夫第二定律串联电路可知

$\stackrel{\·}{U}={\stackrel{\·}{U}}_L+{\stackrel{\·}{U}}_C\·\·\·\left(3\right)$

式中：

为交流电源的相线在绝缘电线首端对尾端的电压；

为交流电源的在发热管尾端对首端零线的电压。

由 $\stackrel{\·}{U}=\stackrel{\·}{I}(r+R)+j\stackrel{\·}{I}(X_L+\mathrm{Xc})\·\·\·\left(4\right)$

由交流电流I在通过串联回路这两个部分，其功率为p₁₂。

a.绝缘导线的电阻r上产生焦耳热P₁＝I²r；

b.发热管的电阻R上产生焦耳热P₂＝I²R；(R是个变量与电流、磁场有关)

所以p₁₂＝P₁+P₂＝I²(r+R)…………………………………………(5)

为了表示(1)和(4)式实部产生焦耳热程度的有功部分，用功率因数

表示： $\mathrm{Cos\α}=\frac{r+R}{\sqrt{{(r+R)}^2+{(X_L-X_C)}^2}}\·\·\·\left(6\right)$

也可以理解为交流电流在串联电路中利用铜损和铁损原理产生焦耳热来进行分析；

1、铜损部分 $(P_1={\stackrel{\·}{I}}^{2}r)$

铜损部分指绝缘电线线芯材质为电缆纯铜，电阻率一般普通指电阻率0.01792Ω.mm²/m(20℃)下，电阻温度系数α为0.0038/℃，根据电磁学推算纯铜单根圆铜导线直径为约20mm左右，在工频电流不会产生集肤效应和邻近效应。因此绝缘电线应采用多股电缆纯铜绞成成其线芯。绝缘电线的电阻r与电阻温度系数α及其温度有关：

r＝r_20℃[1+α(T-20)]……………………………………………………(7)

式中r_20℃为20℃下电阻(Ω)

2.铁损部分 $p_2={\stackrel{\·}{I}}^{2}R$

2.1由于发热管的材质是碳钢，属于强磁质，交流阻抗要比直流电阻明显要比直流电阻大得多。对于指定规格的碳钢管来说工频电源下交流阻抗也比直流电阻明显要大。直流电阻在一定条件是一定的，而交流阻抗是个变量，其V-A特性是非线性，而且涉及磁场的影响，由于直接计算确定“R”比较复杂，可以采用实验并结合近似计算方法确定“R”。

2.2由于绝缘电线穿在发热管孔中很近，且形成串联电流回路，在发热管内壁产生明显的“邻近效应”，在磁感应“邻近效应”作用下，发热管电流通道由全部环形截面改变成靠沿内壁流动，外壁设有电流，电流密度从内壁向外壁极限方向按指数规律变化，简之，发热管外壁出现了“绝缘性”。其发热管内壁电流通道的“趋肤厚度”可按公知的下式计算：

$\mathrm{\δ}=5030\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\μ}}_m\·f}}\·\·\·\left(8\right)$

式中S为趋肤厚度(cm)；

ρ为发热管碳钢管的电阻率(Ω.cm)；

μ_m为发热管碳钢管的最大相对导磁率；

f为电源频率(Hz)。

由于是在发热管内壁电流度服从指数规律衰减，发热管表面设有电流通过，确保对人身安全，应取为发热管的厚度是其趋肤厚度的三倍以上。因此，电流集肤效应加热元件应充分考虑一旦出现发热管表面漏电引起不安全的问题，必须严格设置接地保护措施！

2.3关于计算“R”

2.3.1首先根据绝缘电线线芯的截面及直径、长度，绝缘电线工作电压的绝缘层的厚度。再确定发热管外径、厚度、穿线空隙及长度，并选择导磁率较高，经济的相应绝缘电线的规格。

2.3.2第1.2条已确定的绝缘电线穿在发热管中两者尾端相连接，两者首端分别接相线和零线，输入工频电源，调节电压作出V-A特性曲线，并多次重复进行。为了求出“R”，利用“安培环路定律”：

H*G＝N*I    ………………………………………………(9)

式中H为磁场强度(A/m)；

G为发热管的长度(m)；

N为匝数1；

2.3.3根据安培环路定律可以求出磁场强度H“磁化曲线”并根据找出相对导磁率μ_m。为了保证发热管厚度表面设有漏电流，取三倍趋肤厚度作为设计参数。

2.3.4根据电磁学公知的趋肤厚度公式 $\mathrm{\δ}=5030\·\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\μ}}_m\·f}}$ 可以求出发热管内壁导电层的平均电阻率ρ。

2.3.5最后求出发热管内壁电阻： $R=\mathrm{\ρ}\·\frac{L}{\mathrm{\ρ}\·\mathrm{\πD}\·\mathrm{\δ}}\·\·\·\left(10\right)$

3.关于(1)式虚部的分析：

关于容抗的电容的计算：

式中：

ε_绝为绝缘电线的绝缘材料的相对介电常数

ε_空为绝缘电线与发热管之间的空气相对介电常数

b为发热管的内径m

a为绝缘电线的线芯外径m

关于感抗的电感的计算：

式中：μ_绝为绝缘电线的绝缘材料的磁导率

μ_空为绝缘电线与发热管之间的空气相对磁导率

因此，根据电流集肤电流加热元件的结构推算容抗 $\mathrm{Xc}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_C}$

和感抗X_L＝ω_L，从而求出阻抗Z＝(R+R)+j(X_L-X_C)；

(1)式虚部中感抗X_L和容抗Xc是由三个方面引起的：

3.1磁滞损耗P_h：由于发热管的磁感应变化滞后于绝缘导线的交流电流产生的磁场所需的损耗。其有两部分组成，呈容性：

a发热管材质中的磁畴引成势能，是储能和放能以磁场能量返回绝缘电线电路。

b发热管材质中磁畴为克服摩擦而产生一部分热量，相对耗能微小。

3.2涡流损耗Pe：由于穿在发热管内的绝缘电线磁通量变化必然诱发内部感应电动势，在发热管内壁材质内的电阻产生焦耳热，会提高发热效率。另一方面涡电流的产生和增加必定反射馈返影响绝缘导线的交流电流I的增加。

3.3剩余损耗Pc：由于对发热管磁化状态引起磁性滞后效应引起延迟状态的损耗，呈容性。

因此，根据上述分析了发热原理，确定了材质，发热管内壁电流通道的规律，保证一旦出现危险的措施。现总结见下表：

综上分析：电流集肤效应电热元件采用了电磁“集肤效应”和“邻近效应”原理，导线电线的线芯材质是由多股单根铜导线绞成，发热管材质是碳钢，在发热管中穿一根绝缘电线，其尾端与发热管尾端通过连接点可靠相连接，绝缘电线的首端和发热管首端分别接工频电源的相线和零线形成串联回路，其产生热量有三个方面：

1.工频电流在绝缘电线线芯的电阻的焦耳热；

2.交流电流在发热管内受“邻近效应”影响并且按“集肤效应”从内壁向表面方向服从指数规律衰减的焦耳热。

3.由于绝缘电线的交流电流引起载发热管中的磁通量诱发电动势，涡电流在碳钢内的电阻上产生的焦耳热，及克服磁磨擦的热量。

发热管表面没有电流通过，能保证人体完全并须可靠接地保护。由于建立电路回路阻抗表达式及计算公式，对于绝缘电线和发热管的阻抗展开了各个部分的分析，找到了产生发热的规律和原理，并解决保证了发热管不会带电的安全措施。

现将上述得到分析总结列表如下：

附图说明

图1为本发明专利绝缘电线截面图；

图2为本发明专利电气原理示意图；

图3为本发明专利直流电阻测量图；

图4为本发明专利交流电阻测量图；

图5为本发明专利串联阻抗测量兼电气原理图；

具体实施方式

1.首先用多根电缆纯铜单线绞成“绝缘电线线芯3”，再编织一层玻璃纤维“应力补偿层4”，包覆在其上面，再分别包覆高温塑料或高温橡胶作为“绝缘电线绝缘层5”和“绝缘电线耐磨层6”的“应力补偿层4”的上面，最后制成“绝缘电线1”。见图1。

“应力补偿层4”用于缓冲长距离温度变化引起线膨胀差导致“绝缘电线线芯3”与“绝缘电线绝缘层5”的应力开裂。“绝缘电线耐磨层6”用于工程穿管的免磨损。

2.将“绝缘电线1”穿在普通碳钢“发热管2”内孔中，长度与“发热管2”相同，“绝缘电线1”的尾端与“发热管2”的尾端通过尾端连接点7可靠相连接，保证可靠连接，“绝缘电线1”的首端和“发热管2”的首端分别接到工频电源的相线和零相，施以工频电压，电流通过“绝缘电线1”的“绝缘电线线芯3”和“发热管2”形成串联电回路，见图2。

3.为了证明在相同的“发热管2”在工频电压下的阻抗比直流电阻显著更大，可以按接成图3和图4并按图5作出V-A曲线图，确定工作点的依据。4.根据安培环路定律，可以求出磁场强度 $H=\frac{N\·I}{L}$ (韦伯/米)，并在公知的普通碳钢B-H磁化曲线得到相应磁感应B，得磁感应值求出导磁率μ_m。

5.图5为本发明专利串联阻抗测量兼电气原理图，“发热管内壁导电层8”是设计的主参数，要预先确定。为了保证“发热管2”的表面设有漏电流，即“发热管2”的壁厚应为“发热管导电层8”的壁厚的三倍以上。为了确保安全在“发热管2”表面接上“保护接地10”。

6.由于集肤效应，在发热管内壁导电层的平均电阻按电磁学公知的趋肤厚度公式 $\mathrm{\δ}=5030\·\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\μ}}_m\·f}}$ 求出ρ值，然后按(10)式求出“R”。

7.计算发热功率：

a.绝缘电线产生焦耳热P₁＝I²r(W)

b.发热管2产生焦耳热P₂＝I²R(W)

c.发热功率：

d.功率因数 $\mathrm{Cos\α}=\frac{r+R}{\sqrt{{(r+R)}^2+{(X_L-X_C)}^2}}$

Claims (5)

1.一种电流集肤效应加热元件，由发热管2、绝缘电线1、应力补偿层4、绝缘电线绝缘层5、绝缘电线耐磨层6、尾端连接点7组成，发热管2的材质是碳钢，绝缘电线线芯3由多根铜导线绞成，应力补偿层4、绝缘电线绝缘层5和绝缘电线耐磨层6分别依次包覆在绝缘电线线芯3的上面，构成绝缘电线1，在发热管2中穿一根绝缘电线1，其尾端与发热管1尾端通过连接点7可靠相连接，绝缘电线线芯3和发热管2前端分别接到工频电源的相线和零线，并在发热管表面接上接地保护10，形成串联电气回路，其特征是绝缘线1。

2.根据权利要求1所述的电流集肤效应加热元件，其特征是：尾端连接点7。

3.根据权利要求1所述的电流集肤效应加热元件，其特征是：应力补偿层4。

4.根据权利要求1所述的电流集肤效应加热元件，其特征是：绝缘电线耐磨层。

5.根据权利要求1所述的电流集肤效应加热元件，其特征是：发热管的壁厚为发热管导电层的厚度的三倍以上。

Images