CN103017337B - 一种高频感应流体加热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高频感应流体加热器，它包括：罐体，其具有设置在其底部的进口端的进口法兰盘以及设置在其顶部的出口端的出口法兰盘；与所述出口法兰盘密封连接的上法兰盘；与所述进口法兰盘密封连接的下法兰盘；布置在所述罐体内部的多个石墨球；设置在所述罐体内并位于所述石墨球上方的上挡板，其表面设有多个上导流孔；设置在所述罐体内并位于所述石墨球下方的下挡板，其表面设有多个下导流孔；绕置在所述罐体外缘的中部位置的感应线圈；从所述上法兰盘上方伸入所述罐体内部的多个热电偶；以及与所述感应线圈以及热电偶连接的高频感应发生器。本发明具有抗热冲击性能良好、抗腐蚀性强、加热性能稳定以及设备使用寿命长等优点。

Description

一种高频感应流体加热器

技术领域

本发明涉及一种加热器，尤其涉及一种高频感应流体加热器。

背景技术

目前，现有的流体加热器一般采用电阻丝或电阻片作为加热元件，加热元件通常分为内插式和外包式两种：内插式加热器的加热元件与流体直接接触，从而对流体进行对流传热；外包式加热器的加热元件将热量传导给容器壁，从而通过容器壁与流体进行对流传热。另外，现有的流体加热器的进出口法兰一般采用单一密封元件进行密封。

然而，上述现有流体加热器的缺点在于：

1、外包式加热器的热交换面积小、效率低，由于对容器壁直接加热，从而使得金属容器壁产生很大的热应力，因此很容易疲劳破坏，使用寿命较短。

2、内插式加热器的加热元件由金属套管包裹，与出口法兰焊接，在高温强腐蚀流体作用下，焊缝容易被腐蚀破坏而使得加热器失效。

3、由于进出口法兰一般采用单一的石墨垫片或者金属垫片进行密封，因此在对高温强腐蚀流体加热时，石墨垫片遇高温容易氧化失效，而金属垫片容易腐蚀失效；尤其在石油化工和核电行业，加热器内流体温度高腐蚀性强极易使加热器密封失效和设备热疲劳损坏。

另外，现有技术中，为了提高加热器的加热效率，一般会在加热器的金属罐体内部设置折流板，折流板的存在虽然提高了加热效率，但是同时也增大了流体阻力，因此这种加热器需要更大功率的动力支持；而且现有加热器的罐体两端还设有用于焊接固定加热棒的挡板；由于折流板和挡板均焊接在罐体上，而焊缝是结构破坏薄弱环节，因此最容易被腐蚀和产生热应力裂纹。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种适用于高温强腐蚀流体的高频感应流体加热器，以提高加热效率、改善加热性能和延长使用寿命。

本发明所述的一种高频感应流体加热器，所述加热器包括：

罐体，其具有设置在其底部的进口端的进口法兰盘以及设置在其顶部的出口端的出口法兰盘；

与所述出口法兰盘密封连接的上法兰盘；

与所述进口法兰盘密封连接的下法兰盘；

布置在所述罐体内部的多个石墨球；

设置在所述罐体内并位于所述石墨球上方的上挡板，其表面设有多个上导流孔；

设置在所述罐体内并位于所述石墨球下方的下挡板，其表面设有多个下导流孔；

绕置在所述罐体外缘的中部位置的感应线圈；

从所述上法兰盘上方伸入所述罐体内部的多个热电偶；以及

与所述感应线圈以及热电偶连接的高频感应发生器。

在上述的高频感应流体加热器中，所述出口法兰盘的顶面的中心位置设有上凸台，所述上法兰盘的底面设有与所述上凸台匹配的上凹槽、围绕该上凹槽的上沟槽以及对称布置在该上凹槽和上沟槽之间的上进气通孔和上出气通孔，其中，所述上凹槽中容置有第一石墨缠绕垫片，所述上沟槽中容置有第一金属C形密封圈，所述上进气通孔与上出气通孔分别通过上保护气通道与所述上凹槽连通。

在上述的高频感应流体加热器中，所述上保护气通道为从所述上凹槽的槽壁连通至所述上进气通孔和上出气通孔的靠近所述上凸台一端开口的倒角结构。

在上述的高频感应流体加热器中，所述进口法兰盘的底面的中心位置设有下凸台，所述下法兰盘的顶面设有与所述下凸台匹配的下凹槽、围绕该下凹槽的下沟槽以及对称布置在该下凹槽和下沟槽之间的下进气通孔和下出气通孔，其中，所述下凹槽中容置有第二石墨缠绕垫片，所述下沟槽中容置有第二金属C形密封圈，所述下进气通孔与下出气通孔分别通过下保护气通道与所述下凹槽连通。

在上述的高频感应流体加热器中，所述下保护气通道为从所述下凹槽的槽壁连通至所述下进气通孔和下出气通孔的靠近所述下凸台一端开口的倒角结构。

在上述的高频感应流体加热器中，所述加热器还包括位于所述出口法兰盘下方并与所述上法兰盘固定连接的支撑板，该支撑板的表面上设有用于容置所述罐体的中心通孔。

在上述的高频感应流体加热器中，所述加热器包括位于所述进口法兰盘上方并与所述下法兰盘固定连接的一对相互卡合的法兰板，该对法兰板的表面上设有用于容置所述罐体的法兰通孔，每个所述法兰板的外缘开设有一与该法兰板的法兰通孔连通的U形开口，且所述法兰板的一表面上设有一配合凸台，每个所述法兰板的配合凸台与另一个法兰板的U形开口卡合连接。

在上述的高频感应流体加热器中，所述罐体包括由上至下依次连通的直筒段、锥形段和圆管过渡段，所述石墨球设置在所述直筒段中，所述下挡板设置在所述锥形段中并与该锥形段的内壁形状配合，所述圆管过渡段容置在所述法兰板的法兰通孔中。

在上述的高频感应流体加热器中，所述热电偶的外缘套设有热电偶密封装置。

在上述的高频感应流体加热器中，所述上挡板通过多个连接杆与所述上法兰盘固定连接。

在上述的高频感应流体加热器中，所述上挡板的顶面均布有用于定位所述连接杆的沉孔。

在上述的高频感应流体加热器中，所述上挡板的边缘均布有用于容置所述热电偶的定位口。

在上述的高频感应流体加热器中，所述上法兰盘的顶面上连接有一接管，且该接管与所述上法兰盘的法兰通孔连通。

在上述的高频感应流体加热器中，所述下法兰盘的底面上通过一变径段与外围的管道连接，且该外围的管道与所述下法兰盘的法兰通孔连通。

在上述的高频感应流体加热器中，所述罐体为碳化硅材料制成的罐体，所述上挡板为高温镍基合金材料制成的上挡板，所述下挡板为碳化硅材料制成的下挡板。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明通过感应线圈使高频感应发生器透过碳化硅材料制成的罐体直接加热石墨球，并由石墨球与流体进行热交换，从而完成对流体的加热，并通过热电偶保证对加热温度的精确控制；同时，本发明还通过带有石墨缠绕垫片和金属C形密封圈的上、下法兰盘对罐体的进出口进行双重密封，并且通过设置保护气通道，从而可以通过对保护气通道进行吹扫以对保护气通道内空气进行排除，进而防止石墨缠绕垫片被空气中的水分和氧气氧化。综上，本发明具有抗热冲击性能良好、抗腐蚀性强、加热性能稳定以及设备使用寿命长等优点。

附图说明

图1是本发明一种高频感应流体加热器的结构示意图；

图2是图1中A处的放大视图；

图3是本发明中上法兰盘的结构剖视图；

图4是图3中B处的放大视图；

图5是本发明中上法兰盘的结构正视图；

图6是本发明中支撑板的结构剖视图；

图7是本发明中支撑板的结构正视图；

图8是本发明中上挡板的结构剖视图；

图9是本发明中上挡板的结构正视图；

图10是本发明中罐体的结构剖视图；

图11是本发明中下挡板的结构剖视图；

图12是本发明中下挡板的结构正视图；

图13是本发明中法兰板的结构剖视图；

图14是本发明中法兰板的结构正视图；

图15是本发明中一对法兰板的连接示意图；

图16是本发明中下法兰盘的结构剖视图；

图17是本发明中下法兰盘的结构正视图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

请参阅图1至图17，本发明，即，一种高频感应流体加热器，包括：

罐体1，其包括由上至下依次连通的直筒段101、锥形段102（在本实施例中，锥形段102的斜度为60°）和圆管过渡段103，并具有设置在直筒段101顶部的出口端的出口法兰盘11以及设置在圆管过渡段103底部的进口端的进口法兰盘12，其中，出口法兰盘11的顶面112的中心位置设有上凸台111，进口法兰盘12的底面122的中心位置设有下凸台121；

与出口法兰盘11密封连接的上法兰盘2，该上法兰盘2的底面设有与上凸台111匹配的C形的上凹槽21、围绕该上凹槽21的上沟槽22以及对称布置在该上凹槽21和上沟槽22之间的上进气通孔23和上出气通孔24，其中，上凹槽21中容置有第一石墨缠绕垫片25，上沟槽22中容置有第一金属C形密封圈26，上进气通孔23与上出气通孔24分别通过上保护气通道27与上凹槽21连通；

与进口法兰盘12密封连接的下法兰盘3，该下法兰盘3的顶面设有与下凸台121匹配的C形的下凹槽31、围绕该下凹槽31的下沟槽32以及对称布置在该下凹槽31和下沟槽32之间的下进气通孔33和下出气通孔34，其中，下凹槽31中容置有第二石墨缠绕垫片35，下沟槽32中容置有第二金属C形密封圈36，下进气通孔33与下出气通孔34分别通过下保护气通道37与下凹槽31连通；

布置在罐体1的直筒段101内部的多个石墨球4；

设置在罐体1的直筒段101内并位于石墨球4上方的上挡板5，其表面设有多个上导流孔51，且上挡板5通过多个连接杆（图中未示）与上法兰盘2焊接连接，具体来说，上挡板5的顶面均布有用于定位连接杆的沉孔52（在本实施例中，沉孔52的数量为3个）；

设置在罐体1的锥形段102内并位于石墨球4下方的下挡板6，其表面设有多个下导流孔61，以使流体均匀地流入罐体1的直筒段101，且下挡板6为与锥形段102的内壁形状配合的锥台（在本实施例中，下挡板6的斜度也为60°）；

绕置在罐体1外缘的中部位置的感应线圈7；

从上法兰盘2上方伸入罐体1内部的多个热电偶8，具体来说，热电偶8伸入均布在上挡板5的边缘的定位口53（上挡板5的边缘与罐体1的内壁之间存在2-8mm的间隙），每个热电偶8的外缘套设有采用碳化硅材料制成的热电偶密封装置81，该热电偶密封装置81与上法兰盘2焊接连接；

与感应线圈7以及热电偶8连接的高频感应发生器9；

位于出口法兰盘11下方并与上法兰盘2固定连接的支撑板13，即出口法兰盘11夹设在上法兰盘2与支撑板13之间，该支撑板13的表面上设有用于容置罐体1的直筒段101的中心通孔131；以及

位于进口法兰盘11上方并与下法兰盘3固定连接的一对相互卡合的法兰板14，即进口法兰盘11夹设在下法兰盘3与法兰板14之间，该对法兰板14的表面上设有用于容置罐体1的圆管过渡段103的法兰通孔，每个法兰板14的外缘开设有一与该法兰板14的法兰通孔连通的U形开口141，且法兰板14的一表面上设有一配合凸台142，每个法兰板14的配合凸台142与另一个法兰板14的U形开口141卡合连接（在本实施例中，配合凸台142的高度为5-15mm）。

在本发明中，上、下法兰盘2、3、上挡板5、支撑板13和法兰板14均采用高温镍基合金材料制成；罐体1和下挡板6均采用碳化硅材料制成，由于罐体1的碳化硅材料不会被感应加热，所以高频感应发生器9通过感应线圈7的涡流效应透过罐体1直接加热石墨球4，使石墨球4与流体进行热交换，从而完成对流体的加热；同时由于下挡板6的材料与罐体1具有相同的热力学性能，因此，下挡板6不会由于热膨胀而在接触处对罐体1产生挤压应力。

在本发明中，罐体1的出口法兰盘11和进口法兰盘12分别采用第一、第二石墨缠绕垫片25、35和第一、第二金属C形密封圈26、36进行双重密封，具体来说，抗腐蚀的第一、第二石墨缠绕垫片25、35构成第一道密封，第一、第二金属C形密封圈26、36的表面镀有10～25μm的镍，因此同样具有很好的抗腐蚀性能，从而可以在第一道密封失效后短期内作为第二道密封使用；同时，本发明通过设置上、下保护气通道27、37，并对其进行吹扫以排出其中的空气，从而防止氧化介质接触第一、第二石墨缠绕垫片25、35，以保证第一、第二石墨缠绕垫片25、35的密封性能和使用寿命。

在本实施例中，上保护气通道27为从上凹槽21的槽壁连通至上进气通孔23和上出气通孔24的靠近上凸台111一端开口的倒角结构；该上法兰盘2的顶面上连接有一长度大于300mm的接管28，且该接管28与上法兰盘2的法兰通孔连通；下保护气通道37为从下凹槽31的槽壁连通至下进气通孔33和下出气通孔34的靠近下凸台121一端开口的倒角结构；下法兰盘3的底面上通过一斜率为1:5的变径段38与外围的管道（图中未示）焊接连接，且该外围的管道与下法兰盘3的法兰通孔连通。

在本实施例中，上法兰盘2的上凹槽21以及下法兰盘3的下凹槽31的深度均为2～3mm；第一、第二石墨缠绕垫片25、35内嵌有金属内环；上法兰盘2的表面开设有用于插入热电偶密封装置81的热电偶接孔29，该热电偶接孔29与上挡板5的定位口53对齐，以用于热电偶8的径向定位，且上法兰盘2的表面沿边缘圆周均布有多个第一螺栓孔20；支撑板13的表面开设有与第一螺栓孔20对齐的第二螺栓孔132，以用于通过螺栓与上法兰盘2固定连接，且其表面的边角处均布有4个固定螺栓通孔133，以用于使本加热器与外围的支撑台架（图中未示）固定连接；下法兰盘3的表面沿边缘圆周均布有多个第三螺栓孔39；法兰板14的表面开设有与第三螺栓孔39对齐的第四螺栓孔143，以用于通过螺栓与下法兰盘3固定连接。

在本实施例中，出口法兰盘11的上凸台111以及进口法兰盘12的下凸台121的高度均为1～3mm，上、下凸台111、121分别与上、下凹槽21、31配合中间放置的第一、第二石墨缠绕垫片25、35形成凹凸面密封，从而可以防止石墨缠绕垫片受力被挤出凹槽，并且更容易压紧；与第一金属C形密封圈26接触的出口法兰盘11顶面112以及与第二金属C形密封圈36接触的进口法兰盘12底面122的粗糙度均为Ra0.8～Ra1.6，从而可以保证与金属C形密封圈接触变形后产生均匀致密的密封面。

在本实施例中，热电偶8的数量为6个，其中1个热电偶8为高频感应发生器9提供功率控制信号，以保证加热温度精确控制，1个热电偶8在罐体1的中部作为超温报警温度监测点，2个热电偶8监测罐体1进口处流体的温度，2个热电偶8监测罐体1出口处流体的温度。

本发明的安装过程如下：

将罐体1的进口朝下插入支撑板13的中心通孔131中；

将下挡板6水平放置在罐体1的圆锥段102处；

在下挡板6上堆积20层石墨球4，每层堆积19个石墨球4；

将第一石墨缠绕垫片25放置在罐体1的出口法兰盘11上凸台111上；

将第一金属C形密封圈26放置在罐体1的顶面112上；

将上挡板5通过连接杆与上法兰盘2焊接连接后，将上法兰盘2放置于罐体1的出口法兰盘11上，使上法兰盘2的第一螺栓孔20与支撑板13的第二螺栓孔132轴对齐；

调整第一石墨缠绕垫片25和第一金属C形密封圈26的位置，使第一石墨缠绕垫片25位于上法兰盘2的上凹槽21内，第一金属C形密封圈26位于上法兰盘2的上沟槽22内；

通过螺栓连接上法兰盘3和支撑板13，并将螺栓紧固到使上法兰盘2和罐体1的顶面112之间不存在间隙；

通过上进气通孔23向在罐体1的顶面112与上法兰盘2之间形成的上保护气通道27中吹入惰性气体，以从上出气通孔24排出上保护气通道27内的空气，使第一石墨缠绕垫片25处于非氧化环境下，以保证其使用性能；

将热电偶8通过热电偶密封装置81和上挡板5的定位口53插入罐体1内石墨球4的缝隙中；

将感应线圈7套在罐体1外缘的中间位置，并与高频感应发生器9连接；

将两个法兰板14成对交叉放置于罐体1的进口法兰盘12的上方；

将第二石墨缠绕垫片35放置在下法兰盘3的下凹槽31内；

将第二金属C形密封圈36放置在下法兰盘3的下沟槽32内；

使下法兰盘3的第三螺栓孔39与法兰板14的第四螺栓孔143轴对齐；

将放置有第二石墨缠绕垫片35和第二金属C形密封圈36的下法兰盘3通过螺栓与法兰板14连接；

此时通过下进气通孔33向在罐体1的底面122与下法兰盘3之间形成的下保护气通道37中吹入惰性气体，以从下出气通孔34排出下保护气通道37内的空气，使第二石墨缠绕垫片35处于非氧化环境下；

至此，开启高频感应发生器9即可开始流体的加热过程。

综上所述，本发明具有结构紧凑、双重密封效果好、抗热冲击性能良好、抗腐蚀性强等优点，可适用于对强腐蚀流体加热至最高700℃，而不会与流体发生化学反应，并且加热性能稳定，设备使用寿命长。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (15)

1.一种高频感应流体加热器，其特征在于，所述加热器包括：

罐体，其具有设置在其底部的进口端的进口法兰盘以及设置在其顶部的出口端的出口法兰盘；

与所述出口法兰盘密封连接的上法兰盘；

与所述进口法兰盘密封连接的下法兰盘；

布置在所述罐体内部的多个石墨球；

设置在所述罐体内并位于所述石墨球上方的上挡板，其表面设有多个上导流孔；

设置在所述罐体内并位于所述石墨球下方的下挡板，其表面设有多个下导流孔；

绕置在所述罐体外缘的中部位置的感应线圈；

从所述上法兰盘上方伸入所述罐体内部的多个热电偶；以及

与所述感应线圈以及热电偶连接的高频感应发生器。

2.根据权利要求1所述的高频感应流体加热器，其特征在于，所述出口法兰盘的顶面的中心位置设有上凸台，所述上法兰盘的底面设有与所述上凸台匹配的上凹槽、围绕该上凹槽的上沟槽以及对称布置在该上凹槽和上沟槽之间的上进气通孔和上出气通孔，其中，所述上凹槽中容置有第一石墨缠绕垫片，所述上沟槽中容置有第一金属C形密封圈，所述上进气通孔与上出气通孔分别通过上保护气通道与所述上凹槽连通。

3.根据权利要求2所述的高频感应流体加热器，其特征在于，所述上保护气通道为从所述上凹槽的槽壁连通至所述上进气通孔和上出气通孔的靠近所述上凸台一端开口的倒角结构。

4.根据权利要求1所述的高频感应流体加热器，其特征在于，所述进口法兰盘的底面的中心位置设有下凸台，所述下法兰盘的顶面设有与所述下凸台匹配的下凹槽、围绕该下凹槽的下沟槽以及对称布置在该下凹槽和下沟槽之间的下进气通孔和下出气通孔，其中，所述下凹槽中容置有第二石墨缠绕垫片，所述下沟槽中容置有第二金属C形密封圈，所述下进气通孔与下出气通孔分别通过下保护气通道与所述下凹槽连通。

5.根据权利要求4所述的高频感应流体加热器，其特征在于，所述下保护气通道为从所述下凹槽的槽壁连通至所述下进气通孔和下出气通孔的靠近所述下凸台一端开口的倒角结构。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的高频感应流体加热器，其特征在于，所述加热器还包括位于所述出口法兰盘下方并与所述上法兰盘固定连接的支撑板，该支撑板的表面上设有用于容置所述罐体的中心通孔。

7.根据权利要求1-5中任意一项所述的高频感应流体加热器，其特征在于，所述加热器包括位于所述进口法兰盘上方并与所述下法兰盘固定连接的一对相互卡合的法兰板，该对法兰板的表面上设有用于容置所述罐体的法兰通孔，每个所述法兰板的外缘开设有一与该法兰板的法兰通孔连通的U形开口，且所述法兰板的一表面上设有一配合凸台，每个所述法兰板的配合凸台与另一个法兰板的U形开口卡合连接。

8.根据权利要求7所述的高频感应流体加热器，其特征在于，所述罐体包括由上至下依次连通的直筒段、锥形段和圆管过渡段，所述石墨球设置在所述直筒段中，所述下挡板设置在所述锥形段中并与该锥形段的内壁形状配合，所述圆管过渡段容置在所述法兰板的法兰通孔中。

9.根据权利要求1-5、8中任意一项所述的高频感应流体加热器，其特征在于，所述热电偶的外缘套设有热电偶密封装置。

10.根据权利要求1-5、8中任意一项所述的高频感应流体加热器，其特征在于，所述上挡板通过多个连接杆与所述上法兰盘固定连接。

11.根据权利要求10所述的高频感应流体加热器，其特征在于，所述上挡板的顶面均布有用于定位所述连接杆的沉孔。

12.根据权利要求1-5、8、11中任意一项所述的高频感应流体加热器，其特征在于，所述上挡板的边缘均布有用于容置所述热电偶的定位口。

13.根据权利要求1-5、8、11中任意一项所述的高频感应流体加热器，其特征在于，所述上法兰盘的顶面上连接有一接管，且该接管与所述上法兰盘的法兰通孔连通。

14.根据权利要求1-5、8、11中任意一项所述的高频感应流体加热器，其特征在于，所述下法兰盘的底面上通过一变径段与外围的管道连接，且该外围的管道与所述下法兰盘的法兰通孔连通。

15.根据权利要求1-5、8、11中任意一项所述的高频感应流体加热器，其特征在于，所述罐体为碳化硅材料制成的罐体，所述上挡板为高温镍基合金材料制成的上挡板，所述下挡板为碳化硅材料制成的下挡板。