CN104110838A - 一种高温高压气体的套筒式电加热装置 - Google Patents

Abstract

一种高温高压气体的套筒式电加热装置，涉及一种电加热气体装置，同轴异径金属套筒和中心陶瓷螺旋杆组成的加热芯体。加热芯体作为电阻电热体放热，同时也构成气体被加热时流经的通道。内筒的数量、每个内筒的壁厚、材质都可变化以适应加热功率、加热终温的不同，每个内筒的内外两面都可选择镀或涂上一层低发射率的材料以降低内筒壁面之间的相互辐射换热。加热芯体的外层放热功率小，内筒壁温低。本发明有效地降低了外壳壁温、电阻电热体壁温，节约了贵金属材料消耗，降低了制造成本，而且设备使用寿命和热效率都有所提高，特别适用于气体压力大、温升高的场合。

Description

一种高温高压气体的套筒式电加热装置

技术领域

本发明涉及一种电加热气体装置，特别是涉及一种高温高压气体的套筒式电加热装置。

背景技术

气体加热尤其是空气加热技术广泛应用于助燃、干燥、加热以及取暖和保温等生产工艺乃至生活的各个场合。用电能加热气体由于高效、清洁、温控便利等应有的十分广泛。

目前，国内一般气体加热技术采用的方案有以下几种：                                                用裸露的电热元件与气体进行对流换热，气体直接冲刷电热元件。这种方法存在的问题是：当加热空气等氧化性气体时，电热元件表面温度高，在气体中长期加热，造成氧化皮脱落，对气体的清洁度有影响。电热元件外加不锈钢保护套管，气体直接冲刷不锈钢保护套管，不直接冲刷电热元件，避免了气体对电热元件的氧化。但这种方法也带来另外的问题：电热元件外面的保护套管影响了电热元件的散热，当加热气体温度高时，电热元件本身温度过高。电热元件高温时机械强度低，易变形倒塌，电热体材料加热后合金晶粒涨大，脆性增加，经不起冲击和弯曲，因而难以维修。带翅片的保护套管，电热元件外套无缝钢管，为增加散热面积外缠绕铝翅片，并用绝缘好的氧化镁作填充剂，典型的设备如天津暖风机厂、哈尔滨空调厂以及沈阳空调厂生产的DRML/W系列电热空气幕和NF0.2ZD暖风机等。该方案部分缓解了方案2的问题，但当加热气体温度高时，效果不明显。

查阅国内专利200720010647.8、200720010647.8、200820036770.1、200620078133.1等典型空气电加热器，其加热机理相同，主要是在结构形式上的变化。以上设备的共有的问题是：电热体寿命短，氧化皮脱落问题，热效率低，设备结构大，电热体材料费用高。

东南大学郭宏伟、葛仕福等开展的新型电加热器研究，采用的也是裸露式电热元件方法的一种, 它改善了炉丝的散热条件，降低了炉丝表面温度，延长了炉丝使用寿命, 提高了热效率, 也降低了制造成本，但空气加热温度最高只可以达到600℃。

 浙江大学热能所聂欣、周俊虎、岑可法等认为：常见的空气加热器多为使用电阻丝等电热导体制成的电加热器，其一般最高加热温度不超过700℃，且由于电阻丝多次反复升温后脆性加大，容易断裂，故而可靠性较差。

国外专利US2008021731A1 介绍了一种新的气体加热技术，瞬间可将气体从常温加热至800多度，加热空气量大，热效率高，电热体寿命高。其特征是电加热管既是电阻电热体，又作为空气流通的通道，故又称为通道式空气加热器（through flow electric heater for fluids such as air）。

最近几年与US2008021731A1专利相近的通道式空气加热器产品引进到国内，与国内高温高压气体电加热器相比，其热效率高、寿命长、工作的可靠性高。其工作原理是：多根薄壁金属圆管并排布置，其特征是：管子直径很小，长度很长。这些金属圆管既是电阻电热体，又作为气体流通的通道，多个金属圆管两端电气上串联或并联联接，接成符合加热功率要求的电热电阻，被加热气体从多个金属圆管内并联流过吸收电热体放热而被加热。

该装置的优点是：结构紧凑；温升快，瞬间可从常温加热至800多度；加热气体量大，热效率高。但也存在以下不足和缺陷： 

为了防止电加热管受热变形，要求电热管壁厚度不能过薄，长度不能过长；而另一方面为了保证电热体足够大的阻值，电加热管必须有尽可能地长，厚度尽可能地薄，这是该装置存在的问题之一。

气体只在电加热管内做纵向冲刷，管外无气体横向冲刷，传热效果差，电加热管壁温高，容易变形甚至烧损，这是该装置存在的问题之二。

外筒壁温度过高，如果加热高压气体，外筒壁既承受高压又承受高温，外筒必须采用高牌号耐热厚壁结构，大大增加了制造成本，这是该装置存在的问题之三。

为了改进上述问题，本发明人于2009年3月27日向中国专利局申请了“一种空气电加热装置 - ZL200920148713.7”专利，其主要特征是气体在内外两侧与电加热管换热。该发明部分解决了国外通道式空气加热器的问题，但仍然存在下述问题：

当加热高温气体时，外筒壁温仍然很高；电加热管内气流纵向冲刷，传热系数低，壁温仍然很高，尤其是加热高温气体时，电加热管容易受热变形；被加热气体在多根并联布置的电加热管流通时，流量偏差大，而流量偏小的电加热管很容易造成管壁超温，损坏设备。电加热管对外筒壁高温辐射严重，尤其当加热气体温度高、气体压力高时，外筒同时承受高温、高压。

通道式空气加热器共有的问题是：气体一次性从并排布置的加热通道流过；流量偏差大；中心布置的通道与外侧布置的通道温度几乎相等，对外筒壁工作不利，热效率也低；气体入口端与出口端设备温差大。也就是说：设备沿长度方向温差大，从内向外温差小，这是该设备最大的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温高压气体的套筒式电加热装置，该装置高压气体从外壳到中心内筒在气体进口端和出口端反复折返流过电阻电热体，使得结构更加紧凑，改善外筒壁、电加热管的使用环境，降低外筒壁、电加热管制造成本,并进一步提高热效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 

一种高温高压气体的套筒式电加热装置，所述装置包括外壳、加热芯体、进口固定板、出口固定板、进口绝缘封板、出口绝缘封板、进出口连接管，其中加热芯体包括：内筒、陶瓷螺旋杆和陶瓷固定环，外壳内表面选择镀或涂上一层高反射率保护层或者内壁上贴敷一层保温材料，再加一层保护层；内筒上下两端分别有8个突出的上下安装插条；安装插条分别插入两端进出口绝缘封板上内筒安装孔内，进出口绝缘封板又分别与进出口固定连接，这样加热芯体就与外壳连接成一体；加热芯体作为电阻电热体放热，同时也构成气体被加热时流经的通道；加热芯体由多个同轴异径金属套筒和中心陶瓷螺旋杆零件组成，套筒由内向外被称为内筒，内筒的数量n、每个内筒的壁厚、材质都可变化以适应加热功率、加热终温的不同，每个内筒的内外两面都选择镀或涂上一层低发射率的材料以降低内筒壁面之间的相互辐射换热。

所述的一种高温高压气体的套筒式电加热装置，所述内筒上设置的陶瓷固定环；为防止套筒高温变形，与相邻内筒相连或空气通道的改变，在每个内筒中间位置设陶瓷固定环，每个内筒内所设陶瓷固定环数量可根据套筒长度而定。

所述的一种高温高压气体的套筒式电加热装置，所述内筒之间电气连接采用串联连接方式；内筒之间于出口绝缘封板的外侧用连接导线搭接，内筒之间于入口绝缘封板的外侧用连接导线搭接。

所述的一种高温高压气体的套筒式电加热装置，所述装置冷空气由进口连接管进入，先进入外壳与最外层内筒形成的空间向下流动，流至尽头再折返回来沿内筒之间形成的空间向上流动。空气再依次经过内筒之间形成的空间往复折返流动，最后进入最内层的内筒，沿中心陶瓷螺旋杆导流方向做螺旋式流动，冷空气流经每个折返流程与内筒表面对流换热，吸收加热芯体放热，最后变成高温空气，再由出口连接管流出。

所述的一种高温高压气体的套筒式电加热装置，所述气体加热过程中，最后一个行程，气体在陶瓷螺旋杆的导流作用下，沿中心内筒的壁面旋转前进。

本发明的优点与效果是：

①本发明高压气体从外壳到中心内筒在气体进口端和出口端反复折返流过电阻电热体，中心内筒温度高，可选择高牌号耐热合金电热体材质，而外层可选择一般电热体材质，节省高温贵金属材料。②本发明高压气体串联流过每个电阻电热体，避免了现有技术气体在多个电加热管内并联流动，存在较大的流量偏差，进而造成管壁温度严重偏差，一些电加热管超温烧损等问题。③本发明加热芯体外层温度低，中心高，从气体进口到出口长度方向温度均匀，电阻电热体双面与气体对流换热，而这些恰恰有利于热效率的和电热体寿命的提高。本发明外壳壁温低，外壳只承受压力，不承受高温，解决了现有技术要求壳体既承受高温又承受高压的技术难点。

总之，本发明有效地降低了外壳壁温、电阻电热体壁温，节约了贵金属材料消耗，降低了制造成本，而且设备使用寿命和热效率都有所提高，特别适用于气体压力大、温升高的场合。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的A－A剖视图；

图3为图1的B－B剖视图；

图4为图1的C－C剖视图；；

图5为陶瓷固定环与内筒装配图；

图6为入口固定板结构图；

图7为入口绝缘封板结构图；

图8为内筒结构展开图；

图9为出口绝缘封板结构图；

图10为出口固定板结构图。

    图中：1－进口连接管，2－进口固定板，3－进口绝缘封板，4－内筒，5－陶瓷螺旋杆，6－外壳，7－保温材料，8－保护层，9－出口连接管，10－出口固定板，11－出口绝缘封板，12－陶瓷固定环，13－电源接线，14－连接导线，15－封板固定孔，16－内筒安装孔，17－上安装插条，18－螺栓孔，19－下安装插条。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例，对本发明作进一步详述。

本发明提供的气体电加热装置如图1-10所示，该装置包括外壳6、加热芯体、进口固定板2、出口固定板10、进口绝缘封板3、出口绝缘封板11、进出口连接管1、9等几部分组成，其中加热芯体包括：内筒4、陶瓷螺旋杆5和陶瓷固定环12等零件。

外壳6为一密封壳体，承受加热气体与外界之间的压差。外壳的材质、壁厚可根据气体的压力大小不同选择不同的材质和壁厚参数。根据加热功率、气体加热终温大小不一，外壳内表面还可选择镀或涂上一层高反射率保护层或者内壁上贴敷一层保温材料，再加一层保护层。

加热芯体为本发明的核心部件，它的作用是作为电阻电热体放热，同时也构成气体被加热时流经的通道。加热芯体由多个同轴异径金属套筒和中心陶瓷螺旋杆5等零件组成，套筒由内向外被称为内筒4-1、4-2、……4-n，内筒的数量n(本图所示为6个）、每个内筒的壁厚、材质都可变化以适应加热功率、加热终温的不同，每个内筒的内外两面都可选择镀或涂上一层低发射率的材料以降低内筒壁面之间的相互辐射换热。

内筒的展开如图8所示，为一矩形金属薄板，上下两端分别为8个突出的安装插条17、19。上下安装插条分别插入两端进出口绝缘封板上内筒安装孔16内，进出口绝缘封板又分别与进出口固定连接，这样加热芯体就与外壳连接成一体。

为防止套筒高温变形，与相邻内筒相连或空气通道的改变，在每个内筒中间位置设陶瓷固定环12，内筒与陶瓷固定环的装配如图5所示。每个内筒内所设陶瓷固定环数量可根据套筒长度而定。

内筒之间电气连接采用串联连接方式。接线方式如图3、4所示，内筒4-1和内筒4-2、内筒4-3和内筒4-4、内筒4-5和内筒4-6于出口绝缘封板11的外侧用连接导线14搭接，内筒4-2和内筒4-3、内筒4-4和内筒4-5于入口绝缘封板3的外侧用连接导线14搭接。

加热芯体的电热原理如下：电源（交流或直流）一极通过电源接线13将电流导入内筒4-1，电流流过电阻电热体内筒4-1，放出热量，经由出口绝缘封板的外侧连接导线14将电流导入到内筒4-2，电流流过电阻电热体内筒4-2，再次放出热量，再经由入口绝缘封板的外侧连接导线14将电流导入到内筒4-3。如此往复，电流依次流经电阻电热体内筒4-1、4-2、……4-n，从加热芯体最外层内筒4-n流出，通过电源接线13将电流导入电源另一极。内筒4-1、4-2、……4-n在电气接线上被视为n个不同的电阻。同样的材质，相同的长度和壁厚，内筒从外向内电阻与直径成反比，电阻增大；同样，电热功率也与直径成反比增大。换句话说，加热芯体的中心放热功率大，内筒壁温高；加热芯体的外层放热功率小，内筒壁温低。如果考虑不同样的材质，壁厚，这样的变化将更大，而这恰恰是最有利的情况。

被加热气体吸热原理如图1所示，冷空气由进口连接管1进入，先进入外壳与最外层内筒4-6形成的空间向下流动，流至尽头再折返回来沿内筒4-6与内筒4-5形成的空间向上流动。空气再依次经过内筒4-5与内筒4-4、内筒4-4与内筒4-3、内筒4-3与内筒4-2、内筒4-2与内筒4-1形成的空间往复折返流动，最后进入最内层的内筒4-1，沿中心陶瓷螺旋杆导流方向做螺旋式流动，冷空气流经每个折返流程与内筒表面对流换热，吸收加热芯体放热，最后变成高温空气，再由出口连接管9流出。

气体加热过程中，在套筒的外层前几个折返流程由于气体的温度低，放热功率也低，有效地保证了外壳温度低，外壳内表面还可选择镀或涂上一层高反射率保护层或者内壁上贴敷一层保温材料，再加一层保护层也是同样的目的。这样做的好处：一是热效率高，二是避免外壳同时承受高温和高压。

气体加热过程中，在套筒的外层前几个折返流程由于气体的温度低，放热功率也低，很好地实现了：外层内筒温度低，中心内筒温度高，每个内筒的内外两面都可选择镀或涂上一层低发射率的材料以降低内筒壁面之间的相互辐射换热，也是同样的目的。这样做的好处是：电阻电热体内筒可根据不同的温度选择不同的材质。中心内筒温度高，放热功率大，可选择高牌号耐热合金电热体材质，而外层可选择一般电热体材质。

气体加热过程中，最后一个行程，气体在陶瓷螺旋杆的导流作用下，沿中心内筒的壁面旋转前进，强化了气流对壁面的冲刷，增强了气流与壁面的换热，可有效降低中心内筒的壁温。

Claims (5)

1.一种高温高压气体的套筒式电加热装置，其特征在于，所述装置包括外壳(6)、加热芯体、进口固定板(2)、出口固定板(10)、进口绝缘封板(3)、出口绝缘封板(11)、进出口连接管，其中加热芯体包括：内筒(4)、陶瓷螺旋杆(5)和陶瓷固定环(12)，外壳内表面选择镀或涂上一层高反射率保护层或者内壁上贴敷一层保温材料，再加一层保护层；内筒上下两端分别有8个突出的上下安装插条；安装插条分别插入两端进出口绝缘封板上内筒安装孔(16)内，进出口绝缘封板又分别与进出口固定连接，这样加热芯体就与外壳连接成一体；加热芯体作为电阻电热体放热，同时也构成气体被加热时流经的通道；加热芯体由多个同轴异径金属套筒和中心陶瓷螺旋杆(5)零件组成，套筒由内向外被称为内筒(4-1)、(4-2)、……(4-n)，内筒的数量n、每个内筒的壁厚、材质都可变化以适应加热功率、加热终温的不同，每个内筒的内外两面都选择镀或涂上一层低发射率的材料以降低内筒壁面之间的相互辐射换热。

2.根据权利要求1所述的一种高温高压气体的套筒式电加热装置，其特征在于，所述内筒上设置的陶瓷固定环(12)；为防止套筒高温变形，与相邻内筒相连或空气通道的改变，在每个内筒中间位置设陶瓷固定环(12)，每个内筒内所设陶瓷固定环数量可根据套筒长度而定。

3.根据权利要求1所述的一种高温高压气体的套筒式电加热装置，其特征在于，所述内筒之间电气连接采用串联连接方式；内筒(4-1)和内筒(4-2)、内筒(4-3)和内筒(4-4)、内筒(4-5)和内筒(4-6)于出口绝缘封板(11)的外侧用连接导线(14)搭接，内筒(4-2)和内筒(4-3)、内筒(4-4)和内筒(4-5)于入口绝缘封板(3)的外侧用连接导线(14)搭接。

4.根据权利要求1所述的一种高温高压气体的套筒式电加热装置，其特征在于，所述装置冷空气由进口连接管(1)进入，先进入外壳与最外层内筒(4-6)形成的空间向下流动，流至尽头再折返回来沿内筒(4-6)与内筒(4-5)形成的空间向上流动,空气再依次经过内筒(4-5)与内筒(4-4)、内筒(4-4)与内筒(4-3)、内筒(4-3)与内筒(4-2)、内筒(4-2)与内筒(4-1)形成的空间往复折返流动，最后进入最内层的内筒(4-1)，沿中心陶瓷螺旋杆导流方向做螺旋式流动，冷空气流经每个折返流程与内筒表面对流换热，吸收加热芯体放热，最后变成高温空气，再由出口连接管(9)流出。

5.根据权利要求1所述的一种高温高压气体的套筒式电加热装置，其特征在于，所述气体加热过程中，最后一个行程，气体在陶瓷螺旋杆的导流作用下，沿中心内筒的壁面旋转前进。