CN101520248B - 空气动力加热炉和产生热能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空气动力加热炉和产生热能的方法，采用风能转换热能的原理加热。其特征包括炉体和动力装置，所述炉体内设置导流板与炉体顶壁、侧壁和后壁平行布置，在导流板与炉壁间的间隙构成上、左、右、后相通壁腔通道，并在炉体的前部与炉体内腔相通；所述动力装置包括电机、传动轴和叶轮，传动轴由冷却支撑座固定，电机由控制系统控制，通过传动轴驱动叶轮旋转。使高速空气在炉体壁腔通道和炉腔内循环流动，完成风能向热能的转换。本发明与用燃料燃烧产生热量或直接将电能转化为热量的工业炉在原理上有根本区别。实现加热与热风循环同时进行，使炉体内温度场高度均匀，省略了电热管等加热元件，减少了能量消耗，达到了节能效果。

Description

空气动力加热炉和产生热能的方法

技术领域

本发明涉及一种加热炉和产生热能的方法，具体是一种空气动力加热炉和产生热能的方法，用于固体火箭发动机生产固化和火箭发动机壳体碳化用加热炉，也可用作物体烘干、碳化或硫化加热的工业炉。

背景技术

随着我国经济的发展，对能源的需求量在不断增加，目前我国已成为能源消费大国。在电力方面我国已连续几年出现供不应求的局面，有些地区甚至出现“电荒”。为解决这一问题，一方面需增加电力设施，提高发电量；另一方面，则需要减少耗电量。而我国目前大多数企业所使用的电加热炉，加热效率低，电能消耗量大，需要发明各种新型的节能型加热设备来更新耗能大的陈旧设备，以适应节能减耗的能源政策要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有的电加热炉耗能大、热效率低的缺陷，提供一种新型的空气动力加热炉，将风能转换成热能，能大幅度降低电能的消耗，是一种性能优良的节能型加热设备。

本发明解决技术的采用的方案是：电能启动叶轮旋转鼓风并通过将风能转换成热能来对工件或者物料进行加热烘干，本发明与利用燃料燃烧产生热量或者直接将电能转化为热量的普通工业炉原理上有根本的区别，是通过空气动力炉将风能转换成热能，所述的空气动力加热炉的组成主要包括炉体和动力装置，在炉体内设置导流板，所述导流板与炉体顶壁、两侧壁和后壁平行布置，在导流板与炉壁之间的间隙构成上、左、右、后相通炉壁空腔通道，并在炉体的前部与炉体内腔相通；所述动力装置主要包括电机、传动轴和叶轮，传动轴由冷却支撑座固定，前端伸入炉体内，叶轮安装在炉内的传动轴端，形成叶轮水平悬臂结构，传动轴的另一端通过连轴器与电机输出轴直连，电机通过传动轴驱动叶轮旋转，电机的转速由控制系统控制。

本发明的空气动力加热炉在炉体的后部中心位置开轴孔，叶轮悬臂轴由此伸入炉体，将叶轮置于导流板与后壁形成的空腔内，使叶轮甩出的风力在炉内壁腔中运行。

本发明采用的叶轮由前盘、叶片、后盘及轴盘构成，其中前盘、后盘与叶片采用焊接，使叶片均匀分布在轮体的外周，前盘、后盘均为圆环形，其前盘内孔为叶轮进风孔，后盘与轴盘采用螺栓联接固定，使轴盘处于叶轮后盘内侧，连接叶轮的传动轴伸入后盘中心轨及轴盘内孔中。

所述叶轮为强前弯多叶通风机，叶片采用圆弧形，前向式布置，叶片中心角Φ＝110°-150°，进入口叶片角β_b2＝25°-35°，β_b1＝25°-38°，内外径比D₁∶D₂＝0.7-0.8，宽度比b/D₂＝0.15-0.30。

本发明的空气动力加热炉，其顶壁、侧壁与导流板形成的间隙截面积与炉腔截面积的比值范围为：1∶5-1∶15。

本发明采用空气动力加热炉产生热能的方法：用电机带动叶轮旋转，将空气从叶轮中心吸入沿叶轮切向甩出，经过后壁和后导流板形成的腔体，顶壁、两侧壁与另一导流板的间隙形成的通道，瞬间进入炉体的内炉腔，实现风能向热能的转换。

本发明将风能转换成热能通过两个途径：一个途径是高速空气炉内壁与导流板形成的通道中运行与各壁和导流板摩擦生热；另一个途径是高速空气从炉内壁与导流板的间隙通道进入炉体的内炉腔的瞬间发生流速、压力的变化形成机械能向热能转化。

本发明通过调节叶轮的转速实现炉内温度调节，并能将炉内温度控制在±1℃以内。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

1)空气动力炉的加热原理是采用风能转换，热能的产生于基于叶轮、炉壁与空气摩擦发热和空气流动流速、压力变化所致，由于空气的循环流动，在炉内的加热与热风循环是同时进行的，有利于实现炉体内温度场的高度均匀性，同时可省略电热管等加热元件，减少保持温场均匀性的部件，大大减少了局部高温点、炉体热容和炉体热桥，从而减少了能量消耗，达到了节能效果。

2)本发明是一种新型高效的加热炉，与利用燃料燃烧产生热量或者直接将电能转化为热能的普通工业炉在原理上有着根本的区别。其加热效率高(较外电加热鼓风炉节能30～50％)，维护简单，炉内温度场均匀，±1℃以内。该产品进入市场取代目前的外电加热鼓风炉，将大大降低电能的消耗，符合当前节能减排的要趋势，对我国的经济建设有着长远意义。

附图说明

图1为本发明的空气动力加热炉整体结构图；

图2空气动力加热炉炉体结构主视图

图3空气动力加热炉炉体结构俯视图

图4空气动力加热炉动力装置组成图

图5叶轮结构主视图

图6叶轮结构俯视图

具体实施方式

下面结合上述附图，对本发明的实施进行详细说明。

如图1所示，本发明的总体结构包括炉体1和动力装置2。炉体1为长方体结构。

如图2和图3所示，炉体1的组成包括：炉体两侧壁9和10、顶壁3、导流板4、后壁5、后导流板6、炉门8、底座11等。侧壁9和10、顶壁3、后壁5、底座8均为框架结构，其外板与框架的连接采用焊接和螺纹联接方式，内板采用焊接方式与框架固定，炉壁之间连接采用螺纹连接。在炉体内侧壁9和10，顶壁3上焊接固定连接架，固定连接架采用拉杆多点结构，用以减轻导流板的总体质量。导流板4平行固定在连接架上与顶壁3、侧壁9和10之间构成缝隙通道。后导流板6和后壁5平行固定，形成后导流板与后壁之间的通道，至此导流板与炉壁间的间隙构成上、左、右、后相通壁腔通道，并在炉体的前部与炉体内腔相通。导流板4和后导流板6为分块钢板，用螺钉固定在联接架上，并将钢板平接缝处焊接固定，棱角处用圆弧件过渡联接，形成整体结构。炉壁采用双金属层内添保温材料结构，内壁为1-3mm的不锈钢板，还可在辅助一层低热容、高热阻、耐风蚀耐热保温材料，本发明采用硅酸铝板材作保温材料。炉门设计为双扇中间开，每扇门为整体焊接框架内填保温材料并加盖板，炉门与炉体间采用橡胶密封，炉门的关闭采用手动方式关闭后采用插销方式锁紧。上壁靠炉门处开安全泄压口。做炉体强安全泄压之用。炉体底板上安装导轨，方便工件进入。炉体内左、上、右侧炉壁各做多个测温点，探头伸入导流罩。另设一活动测温点。用于测试特殊点温度。

本发明的炉体的顶壁3、侧壁9和10与导流板4之间的间隙通道的截面积与炉腔截面积的比值范围设计为：1∶5至1∶15，当比值小于1∶15时，间隙内压力较大，必然会增加导流板4板厚，侧壁9和10的壁厚，从而增加了辅助加热质量，不利于节能；另外间隙内压力过大，也会降低能量输入效率。当比值大于1∶5时，间隙内压力较小，同样会降低能量输入效率，影响加热炉加热效率。本实施例将比值设计为1∶8，可以在叶轮转速为3000转/分，炉内温度达600℃。

如图4所示，本发明的动力装置2主要由电机13、传动轴14和叶轮15组成。电机13为变频电机。传动轴14由冷却支撑座固定，前端伸入炉体1内，叶轮15安装在炉内的传动轴端，形成叶轮水平悬臂结构，传动轴14的另一端通过连轴器与电机13输出轴直连，电机与冷却支撑通过底座固定在安装平台上。电机13通过传动轴14驱动叶轮15旋转，电机的转速由控制系统控制。

再如图1所示，在炉体1的后部中心位置开设轴孔，叶轮悬臂轴由此伸入炉体1内，将叶轮15置于导流板6与后壁5形成的空腔内，使叶轮甩出的风力在炉内壁腔中运行。所述叶轮15的结构由前盘、叶片、后盘及轴盘构成，其中前盘、后盘与叶片采用焊接，使叶片均匀分布在轮体的外周，前盘、后盘均为圆环形，其前盘内孔为叶轮进风孔，后盘与轴盘采用螺栓联接固定，使轴盘处于叶轮后盘内侧，连接叶轮的传动轴14伸入后盘中心轨及轴盘内孔中。轴与轴孔间填充超高温专用盘根密封，或采用迷宫方式密封。

如图5和图6所示，本发明采用强前弯多叶通风机叶轮，其叶片是前向式，叶片进出口宽度相同且相对宽度大，叶片入口相对直径大，具有压力系数高，流量系数大、噪音较低、通风效率低(～60％)的特点。叶片中心角Φ为110°-150°，进入口叶片角β_b2为25°-35°，β_b1＝25°-38°，内外径比D₁∶D₂＝0.7-0.8，宽度比b/D₂＝0.15-0.30。本实施例的进入口叶片角β_b2、β_b1均设计成30°，宽度比b/D₂为0.15。

采用本发明的空气动力加热炉产生热能的方法：关好炉门后，启动控制系统控制电机13按程序转速转动，从而带动叶轮15旋转，带动空气在后壁5和后导流板6形成的腔体及顶壁3、侧壁9和10与导流板4的间隙形成的通道中高速流动，瞬间进入炉体1的内炉腔，实现由风能、机械能向热能的转换。其中，能量的转换通过两个途径实现：一个途径是高速空气炉内壁与导流板形成的通道中运行与各壁和导流板摩擦，将风能转换成热能；另一个途径是高速空气从炉内壁与导流板的间隙通道进入炉体1的内炉腔瞬间发生流速、压力的变化，将动能转化成热能。其转换方式气体流动过程中，压力和流速的变化产生机械能向热能的转变，基于的原理是基于能量守恒定理的能量方程：

$\stackrel{\•}{m}[(h_2+\frac{v_2^2}{2}+{\mathrm{gz}}_2)-(h_1+\frac{v_1^2}{2}+{\mathrm{gz}}_1)]=\stackrel{\•}{Q}$

h——表示单位质量流体的热量

V——表示气体流速

下标1、2——表示不同的进口截面

gz——表示重力势能

从微观上说就是原来定向平行移动的气体，因通道的变化产生了大大小小的旋涡(涡流)原来的有序流动变成了杂乱无章的分子流动，既动能变成了热能。

本发明采用变频电机，对炉腔内进行加热。可以通过控制电机的转速控制炉腔内温度。在升温过程，将电机在额定功率内功率调高，使节叶轮15转速达3000转/分，从而调节升温速率；保温过程为控制叶轮15转速(400-500转/分)，调节输入功率与损失能量的动态平衡，使炉腔内温度热平衡，实现精确控制炉内温度，温度控制可达到恒定在±1℃以内。降温过程可采用自然降温，即叶轮15停转。

Claims (9)

1.一种空气动力加热炉，其特征包括炉体(1)和动力装置(2)，所述炉体(1)内设置导流板，导流板由前导流板(4)和后导流板(6)组成，所述前导流板(4)与炉体顶壁(3)、左侧壁(9)和右侧壁(10)平行布置，后导流板(6)和后壁(5)平行布置，导流板与炉壁间的间隙构成上、左、右、后相通的壁腔通道，并在炉体的前部与炉体内腔相通；所述动力装置(2)主要包括电机(13)、传动轴(14)和叶轮(15)，传动轴(14)由冷却支撑座固定，前端伸入炉体(1)内，叶轮(15)安装在炉内的传动轴端，形成叶轮水平悬臂结构，传动轴(14)的另一端通过连轴器与电机(13)输出轴直连，电机(13)由控制系统控制，通过传动轴(14)驱动叶轮(15)旋转，使高速空气在炉体壁腔通道和炉体内腔内循环流动，并通过两个途径实现风能向热能转换：一个途径是高速气流在炉内壁与导流板形成的壁腔通道中运行，与各壁、导流板摩擦将风能转换成热能；另一个途径是高速气流从炉内壁与导流板形成的壁腔通道进入炉体(1)的内腔瞬间发生流速、压力的变化完成机械能向热能转化。

2.根据权利要求1所述的空气动力加热炉，其特征在于：在炉体(1)的后部中心位置开轴孔，叶轮悬臂传动轴由此伸入炉体，将叶轮(15)置于后导流板(6)与后壁(5)形成的空腔内，使叶轮甩出的风力在炉体壁腔通道中流动。

3.根据权利要求1或2所述的空气动力加热炉，其特征在于：所述叶轮(15)由前盘、叶片、后盘及轴盘构成，其中前盘、后盘与叶片采用焊接，使叶片均匀分布在轮体的外周，前盘、后盘均为圆环形，其前盘内孔为叶轮进风孔，后盘与轴盘采用螺栓联接固定，使轴盘处于叶轮后盘内侧，连接叶轮的传动轴(14)伸入后盘中心轨及轴盘内孔中。

4.根据权利要求3所述的空气动力加热炉，其特征在于：所述叶轮(15)为强前弯多叶通风机，叶片采用圆弧形，前向式布置，叶片中心角Φ＝110°-150°，叶片出口角β_b2＝25°-35°，叶片进口角β_b1＝25°-38°，内外径比D₁∶D₂＝0.7-0.8，宽度比b/D₂＝0.15-0.30，b为叶片厚度。

5.根据权利要求1所述的空气动力加热炉，其特征在于：顶壁(3)、左侧壁(9)和右侧壁(10)与前导流板(4)形成的间隙截面积与炉腔截面积的比值范围为：1∶5-1∶15。

6.根据权利要求1所述的空气动力加热炉，其特征在于：所述顶壁(3)、左侧壁(9)和右侧壁(10)与前导流板(4)采用拉杆多点连接，以减少前导流板(4)的总体质量。

7.根据权利要求1所述的空气动力加热炉，其特征在于：所述左侧壁(9)和右侧壁(10)的内壁材料为不锈钢板或低热容、高热阻、耐风蚀和耐热保温材料。

8.采用权利要求1所述的空气动力加热炉产生热能的方法，其特征是：启动控制系统控制电机(13)按程序转速转动，带动叶轮(15)旋转，带动空气在后壁(5)和后导流板(6)形成的壁腔通道，顶壁(3)、左侧壁(9)和右侧壁(10)与前导流板(4)形成的壁腔通道中高速流动，瞬间进入炉体(1)的内腔，实现风能向热能的转换。

9.根据权利要求8所述的空气动力加热炉产生热能的方法，其特征是：通过调节叶轮(15)的转速调节炉内温度，并将炉内温度控制在±1℃以内。

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