CN102252304A - 一种全自动蓄热式电加热锅炉及其换热工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全自动蓄热式电加热锅炉及其换热工艺，所述电加热锅炉包括储热单元，电加热单元，温度传感器单元，时间自动控制单元，中央电脑控制单元，电源输入单元，电子流量控制单元，热交换单元，能够充分利用低价电时段来降低使用成本，满足耐高温氧化，使用寿命长，储热能量高、设备体积小，智能自动化的条件。

Description

一种全自动蓄热式电加热锅炉及其换热工艺

技术领域

本发明涉及热工设备领域，特别是涉及一种能够全自动智能控制电热转换，长久存储热能的蓄热式电加热锅炉。

背景技术

作为电加热型热工设备，以往的技术概念是使用电能，对某种被可加热材料进行电热转换，而后直接将热能再次转换，比如对某种液体介质、或者某种气体介质、亦或是某种固体介质进行热交换后，直接输入至所需热工系统中。

它的技术特点是电热转换后的热能，必须是在加热与使用热能的同时进行。如果是较大功率的电热设备，会产生很大的电负荷，可能会造成所工作区域的大幅供电系统压降，甚至会产生一系列相关的严重问题。

另外，我国目前在大部分地区，尤其是经济发达地区，施行了峰谷电费大额差价的政策。就是在早上7点钟至晚上11点钟时段，实行高位电价，大约在0.8元～1.2元/kwh(有的地区甚至更高)。而在晚上11点钟至早上7点钟时段，实行低位电价，大体在0.2元～0.3元/kwh(有的地区甚至更低，比如北京低于0.2元/kwh)。如此大的差价，就是为了鼓励用电单位，尽可能的在用电低峰时段使用电能，这样既可以大幅降低我国大部分地区的电力负荷(有的地区甚至已达到不堪的程度)，又能大幅提高我国电力使用的效率。同时，又能间接达到降低热电厂整体废气排放指数。(因为夜间热电厂的锅炉与发电机不能停止，必须照常运行，又因为夜间用电负荷的大幅减低，所以很多的电能被无功损耗掉了，在这同时，废气的排放却依然继续。这就相对提高了废气排放指数)。

由此，一项技术设想产生了，即：电热能量转换后，先将热能存储于由某种蓄热物质制作的热存储设备中，待需要使用时，随用随取。

我国有些地方作了一些有益的尝试，比如在用电低峰时段，将水通过电加热后存储于水罐中，待用电高峰时停止电加热，并可随时使用热水。但是我们知道，在常压下水的加热温度是有限的，不会超过100℃。所以只能在有限的范围区间使用，比如生活用水等。这就不能满足大部分工矿企业的生产性热能指标的需求，这是用水做蓄热介质最大的技术局限。而且为了增加热能的储量，水罐往往需要制作得很大，同时为了节能，又需要对水罐进行高质量的保温处理，这样既占用了较大的空间，又造成了资金的大量投入。因此，这样的尝试是目前的一种无奈之举，而且在技术上是落后的。

因此，就需要研制更加先进、更加高效的新型蓄热设备，来满足国家对环保、节能、清洁、高效的要求与满足众多用户的需求。

那么要突破以上所述技术上的瓶颈，需要解决哪些问题呢？

蓄热介质：蓄热介质在物化属性上要求必须是耐高温，尽可能高的比热值，尽可能高的热传导率，耐高温氧化，使用寿命长。这样，就能达到高能量的蓄热、尽可能小的设备体积，并能满足使用上诸多苛刻的工艺要求；

保温材料：设备中的蓄热介质要达到尽可能的高温加热值，才能达到高效蓄热目标，这对保温材料提出了极高的要求。

因为要达到最低的热损失及最高的热效率，只有很好地解决这一显要的矛盾，才可以达到高效能、低损耗、最经济、高性价比的目标。因此，保温材料在物化属性上，除了也要耐高温及高温氧化、使用寿命长，还要有较高的机械强度、硬度、低脆化性、较高韧性外，其他指数正好要与蓄热介质相反；

智能控制：以上目标到达后，就是使用上的精确、节能、可控性强、操作简便、完全自动化，而且要求在取用储存热量上，达到较宽的取值区间。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种全自动蓄热式电加热锅炉，包括储热单元，电加热单元，温度传感器单元，时间自动控制单元，中央电脑控制单元，电源输入单元，电子流量控制单元，热交换单元。

储热单元采用的蓄热材料选用我国自产的氧化镁矿粉，该氧化镁矿粉中氧化镁的含量在92％以上，根据不同换热工艺的要求，选用不同的模具将氧化镁矿粉制成各种形状的砖坯，经1450℃高温焙烧定后，作为蓄热介质，其密度为2.9-3，工作温度可达到1200℃；

电加热介质和热交换单元中的换热导热介质选用瑞典“KANTAL”公司生产的抗高温氧化金属合金材料，电加热介质的合金主要金属成分为铁，铬，铝，铌，锰，换热导热介质的合金主要金属成分为铬，镍，钛等，它们可在1200℃的电加热高温下长期连续工作，可靠性强，使用寿命明显长于同类的其他材料。

取热介质选用水或高温空气，水循环动能的自动泵水单元采用全屏蔽高校耐热水泵提供，高温空气的循环动能采用耐热离心风机提供，热交换单元可选用蒸汽一水热交换器或高温气体一水热交换器。

其中，三相电源输入单元一端连接供电系统，另一端为储热单元和中央控制单元等提供电能；电加热单元连接储热单元，进行加热或补热；电磁阀连接储热单元。

中央控制单元又包括数显输入控制电路板，集成电路中央处理器，数字信号输出控制电路组，触摸显示屏等，中央电脑控制单元的一端连接外界负载传感装置和时间自动控制单元，接收来自外界负载系统装置和时间自动控制单元的信号，并根据这两个信号，通过低压电控单元控制电磁阀A-D的开关，频率以及电加热单元A-D的启动或停止；

中央电脑控制单元通过低压电控单元还连接到电子流量控制单元；

供水系统，软化水生成单元，电子流量控制单元，自动泵水单元依次连接，自动泵水单元另一端连接电磁阀；

储热单元连接至热交换单元，将所需热能输出至负载系统。

各节点处均设置温度传感器，将即时模拟量和数字量状态信号，传输至中央电脑控制单元，由预先编制好的控制程序进行解读处理，并输出指令控制设备进行全自动工作运行。

本发明还提供一种全自动蓄热式电加热锅炉的换热方法，

用户预先人工输入加热的开始时间，结束时间以及储热温度，所述中央电脑控制单元按照预先的输入，自动接通电加热单元的电源对储热单元进行加热或补热。当蓄热池温度达到预设值，或到达加热结束时间，自动断电停止加热。加热时段可设置连续亦可设置任意分段进行。为确保设备安全，以温度值为优先值，如果预设的加热时间未到，但储热单元的蓄热温度已经达到，电加热单元就会自动停止加热。

如果用户预先设定了在加热蓄热时段，负载需要有部分热能输出(如：系统需要低温恒温运行，或冬季防止管路结冰，需间隔时段短时定时输出少量热能)时，储热单元的温度下降，此时如果还在加热蓄热时段内，电加热单元会自动接通电源进行补热加热，温降的区间亦可预先设定。

所述电加热锅炉的换热工艺流程主要分为二级次，当需要取用热量时，第一次换热由电加热锅炉内的循环取热介质，在高温储热单元中进行高温换热(也称取热)。储热单元的热量交换到取热介质中；第二次换热是在所述电加热锅炉的热交换单元中进行，高温取热介质与换热导热介质进行热能输出换热，即热能量输出。

所述电加热锅炉按照用户预先人工输入的负载回路温差数值、环境温度控制值与工作运行时间，自动开始热能输出。为达到负载系统的温度恒定，热能量输出的量，是根据负载回路和室内空气温度传感器所传回的信号，经中央电脑控制单元接收和解读处理后，自动调节取热介质流量控制部分的电磁阀，或离心风机变频器的导通角来实现自动控制的。

本发明的突出特点是，很好的利用了国家的峰谷电价差政策，在电价最低的时段对设备加热蓄热，而在电价高端时段停止加热用电，在使用存储的热能时，与其它直热式电能热工设备毫无二致。由于使用的是国家提供的低价电能，就可以大幅降低用户的使用成本与操作成本(无人自动化运行)。

现有的大部分电热设备，所使用的加热、隔热材质，与我们研发的材质，在隔热保温性能上存在很大的差距。尤其是热端面达到700℃以上时，差距就更加悬殊了。

按目前国家出台的峰谷电价计算，我们设备的使用及操作费用，只是现有技术生产的设备的25％左右甚至更低。

在可靠性与使用寿命方面，我们的设备使用寿命至少不低于10年，而现有技术生产的设备目前远远达不到这个指标。这会给用户造成由于设备更换，而增加的很大的一笔费用。

以目前技术生产的同类设备，一般热效率只能达到85-90％，我们研发的设备热效率可以达到95％，这又是一个很大的差值。

目前国内很多的企业，由于不断的增产扩产，原有的供电系统，无论是线路功率，还是变压器，已不能满足扩产后的用电负荷，尤其是瞬时负荷。这就不得不交替使用大功率的用电设备。而电热设备一般都是大负荷设备，这就给企业生产带来了无法解决的矛盾。

我们的设备恰好是在用电的最低峰时段使用电力，这就很好地解决了以上所述的尖锐矛盾，使企业可以减少对电力供给系统增容扩容，所需投入很大的一块资金，给企业降低了不小的资金压力。同时，又给电力电网供给系统降低了压力。我国目前有不少地区，是靠拉闸限电来缓解电力供应紧张这种无奈而尴尬局面的。

附图说明

图1为全自动蓄热式电加热锅炉的工作方块图。

具体实施方式

如图1所示的一种全自动蓄热式电加热锅炉，包括储热单元A，储热单元B，储热单元C，储热单元D，电加热单元A，电加热单元B，电加热单元C，电加热单元D，温度传感器单元，中央电脑控制单元，时间自动控制单元，三相电源输入单元，电子流量控制单元，热交换单元。

储热单元采用的蓄热材料选用我国自产的氧化镁矿粉，该氧化镁矿粉中氧化镁的含量在92％以上，根据不同换热工艺的要求，选用不同的模具将氧化镁矿粉制成各种形状的砖坯，经1450℃高温焙烧定后，作为蓄热介质，其密度为2.9-3，工作温度可达到1200℃；

电加热介质和热交换单元中的换热导热介质选用瑞典“KANTAL”公司生产的抗高温氧化金属合金材料，电加热介质的合金主要金属成分为铁，铬，铝，铌，锰，换热导热介质的合金主要金属成分为铬，镍，钛等，它们可在1200℃的电加热高温下长期连续工作，可靠性强，使用寿命明显长于同类的其他材料。

取热介质选用水，自动泵水单元采用全屏蔽高校耐热水泵以提供水循环动能，热交换单元可选用蒸汽-水热交换器；

其中，三相电源输入单元一端连接供电系统，另一端为储热单元和中央控制单元等提供电能；

电加热单元A，电加热单元B，电加热单元C，电加热单元D分别连接储热单元A，储热单元B，储热单元C，储热单元D，进行加热或补热；

电磁阀A，电磁阀B，电磁阀C，电磁阀D分别连接储热单元A，储热单元B，储热单元C，储热单元D；

中央控制单元又包括数显输入控制电路板，集成电路中央处理器，数字信号输出控制电路组，触摸显示屏等，其一端连接外界负载传感装置和时间自动控制单元，接收来自外界负载系统装置和时间自动控制单元的信号，并根据这两个信号，通过低压电控单元控制电磁阀A-D的开关，频率以及电加热单元A-D的启动或停止；

中央电脑控制单元通过低压电控单元还连接到电子流量控制单元；

供水系统，软化水生成单元，电子流量控制单元，自动泵水单元依次连接，自动泵水单元另一端分别连接电磁阀A-D；

储热单元A-D均连接至蒸汽-水热交换器，将所需热能输出至负载系统，对水精确控制注入量，取热后水被高温汽化自然产生的体积膨胀能量作为输出动能或通过蒸汽加压设备输出。

各节点处均设置温度传感器，将即时模拟量和数字量状态信号，传输至中央电脑控制单元，由预先编制好的控制程序进行解读处理，并输出指令控制设备进行全自动工作运行。

在另一个实施例中，取热介质可选用高温空气，相应地，其循环动能采用耐热离心风机，热交换单元采用高温气体-水热交换器。

所述全自动蓄热式电加热锅炉的具体工作过程如下：

用户预先人工输入加热的开始时间，结束时间以及储热温度，所述中央电脑控制单元按照预先的输入(例如用户可以将储热的运行时间设置为夜间)，自动接通电加热单元的电源对储热单元A-D进行加热或补热。当蓄热池温度达到预设值，或到达加热结束时间，自动断电停止加热。加热时段可设置连续亦可设置任意分段进行。为确保设备安全，以温度值为优先值，如果预设的加热时间未到，但储热单元的蓄热温度已经达到，电加热单元就会自动停止加热。

如果用户预先设定了在加热蓄热时段，负载需要有部分热能输出(如：系统需要低温恒温运行，或冬季防止管路结冰，需间隔时段短时定时输出少量热能)时，储热单元的温度下降，此时如果还在加热蓄热时段内，电加热单元会自动接通电源进行补热加热，温降的区间亦可预先设定。

所述电加热锅炉的换热工艺流程主要分为二级次，当需要取用热量时，第一次换热由电加热锅炉内的循环取热介质，如循环水或空气，在高温储热单元中进行高温换热(也称取热)。储热单元的热量交换到取热介质水中；第二次换热是在所述电加热锅炉的热交换单元中进行，高温汽化后的水与换热导热介质进行热能输出换热，即热能量输出。

所述电加热锅炉按照用户预先人工输入的负载回路温差数值、环境温度控制值与工作运行时间，自动开始热能输出。为达到负载系统的温度恒定，热能量输出的量，是根据负载回路和室内空气温度传感器所传回的信号，经中央电脑控制单元接收和解读处理后，自动调节取热介质流量控制部分的电磁阀，或离心风机变频器的导通角来实现自动控制的。

上述自动运行的操作由智能控制系统进行控制：

一周工作运行时间及工作时间分段的预设和控制，可在机组电控面板上由数显装置人工操作；

精确控制所述电加热锅炉的通电加热时间及分段工作时间，可根据用户的实际需要在机组电控面板上由数显装置人工设定；

精确设定和控制所述电加热锅炉的加热储热温度，可在机组电控面板上由数显装置人工设定；

精确设定和控制所述电加热锅炉向负载系统输出的温度及热量，可根据用户的实际需要在机组电控面板上由数显装置人工设定；

可根据负载系统的负荷变量恒定输出温度和热量及自动停止输出可由程序自动控制调节运行；

可根据负载系统所消耗所述电加热锅炉存储的热能自动进行差值电热补充，可由程序自动控制调节运行；

精确控制一次高温取热介质的注入量(循环水或循环空气)，第一次高温取热的介质水注入量是由控制电磁阀的开启时间及频率完成的，第二次高温取热的介质循环空气是由控制无极变频耐热离心风机完成的。

以上所述各项控制程序的完成，均由安装在设备及负载系统的各个控制点上的传感器，将即时模拟量和数字量状态信号，传输至中央集成电路输入模块，由预先编制好的控制程序进行解读处理，并输出指令控制设备进行全自动工作运行。

Claims (11)

1.一种全自动蓄热式电加热锅炉，包括储热单元，电加热单元，温度传感器单元，中央电脑控制单元，时间自动控制单元，三相电源输入单元，电子流量控制单元和热交换单元，其特征在于，

三相电源输入单元一端连接供电系统，另一端为储热单元和中央控制单元等提供电能；

电加热单元，电磁阀分别连接储热单元；

中央电脑控制单元包括数显输入控制电路板，集成电路中央处理器，数字信号输出控制电路组，触摸显示屏，其一端连接外界负载传感装置和时间自动控制单元，通过低压电控单元控制电磁阀和电加热单元；

中央电脑控制单元通过低压电控单元还连接到电子流量控制单元；

供水系统，软化水生成单元，电子流量控制单元，自动泵水单元依次连接，自动泵水单元另一端连接到电磁阀；

储热单元连接至热交换单元，将所需热能输出至负载系统；

各节点处均设置温度传感器，将即时模拟量和数字量状态信号，传输至中央电脑控制单元，由预先编制好的控制程序进行解读处理，并输出指令控制设备进行全自动工作运行。

2.如权利要求1所述的电加热锅炉，其特征在于，所述储热单元为氧化镁的含量在92％以上的氧化镁矿粉，制成各种形状的砖坯，经1450℃高温焙烧后，作为蓄热介质。

3.如权利要求2所述的电加热锅炉，其特征在于，电加热介质为主要 金属成分为铁，铬，铝，铌，锰的抗高温氧化金属合金材料。

4.如权利要求1-3任一所述的电加热锅炉，其特征在于，储热单元，电加热单元和电磁阀分别为4个。

5.如权利要求4所述的电加热锅炉，其特征在于，所述电加热锅炉的取热介质为水。

6.如权利要求5所述的电加热锅炉，其特征在于，提供水循环动能的自动泵水单元为全屏蔽高校耐热水泵。

7.如权利要求6所述的电加热锅炉，其特征在于，所述热交换单元为蒸汽-水热交换器。

8.如权利要求4所述的电加热锅炉，其特征在于，所述电加热锅炉的取热介质选用高温空气代替水。

9.如权利要求8所述的电加热锅炉，其特征在于，高温空气的循环动能采用耐热离心风机，热交换单元采用高温气体-水热交换器。

10.一种使用如权利要求1-9所述的电加热锅炉的方法，其特征在于，

所述中央电脑控制单元按照用户预先人工输入加热的开始时间，结束时间以及储热温度，自动接通电加热单元的电源对储热单元进行加热或补热，当储热单元温度达到预设值，或加热结束时间，自动断电停止加热；

取用热量时，第一次换热由电加热锅炉内的循环取热介质，在高温储热单元中进行高温换热，热能量交换到取热介质中；

第二次换热是在所述电加热锅炉的热交换单元中进行，高温汽的取热介质与换热导热介质进行热能输出换热，即热能量输出； 

所述电加热锅炉按照用户预先人工输入的负载回路温差数值、环境温度控制值与工作运行时间，自动开始热能量输出。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，热能量的输出量根据负载回路和室内空气温度传感器所传回的信号，经中央电脑控制单元接收和解读处理后，自动调节取热介质流量控制部分的电磁阀，或离心风机变频器的导通角来实现自动控制的。 

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