CN1056928A - 流体加热设备 - Google Patents

Abstract

一种电源频率电力流体加热器，包括一个无铁芯 变压器和一个导电的套筒，准备加热的流体流过该套 筒。无铁芯变压器包括：一个与套筒互相电绝缘，但 至少部分地缠绕该套筒的一次绕组；一个与一次绕组 有磁通链接的二次绕组，二次绕组与一次绕组互相电 绝缘，但是与套筒有电连接，使套筒同时受电阻加热 和受涡流加热。

Description

本发明涉及一种对流体（即液体或气体）加热的设备，特别涉及一种不需使用外露加热元件或明火而能够以高效对连续的流体流加热的设备。

本发明的设备特别适用于商业或工业规模的水加热，本文所叙述的也专对这方面的应用。但是，应当理解这种设备并不仅限于这种应用，而是也可以用于加热各种各样的流体。

目前，商业和工业规模的水加热一般都使用批量加热法，也就是装在贮液箱内的水由电热元件或煤气燃烧器予以加热，然后留在贮液箱内以备应用。这种方法有若干缺点，贮液箱体积庞大，如果为了避免输送管道的热损耗，贮液箱必须安置在靠近使用的地方;如果热水的使用率很低，则大量的能量就被不必要地消耗在保持大容量的水在高温状态上;或者如果水的使用率很高，则从贮液箱中供应水就显得不适合。为克服这些缺点，数种不同设计的“通流”。热水器已经应市，但是所有这些到目前为止的设计都只能以比较低的流率供应热水，而且安置费用很高。

因此，本发明的一个目的就是提供一种通流（即连续的）流体加热器，这种加热器的制造和安装费比较低，并且能够有效地以较高的流率工作。

在大部分的的商业和住宅房屋中通用的是电网电力。如果这种电网电力（即频率为50-60Hz的交流源）能被应用而无需对其电源的种类或其频率加以变更，则将大大地减少安装和操作电流体加热器的费用。因此本发明的又一个目的就是提供一种能利用电网电力的流体加热设备。

以前有过许多建议想利用一个变压器来对流体，特别是水，予以加热。

例如，在美国专利第1，458，634号（1923年授于Aluin  Waage）中公开了一种装置，它具有一个共同的铁芯，其上卷绕有一次和二次线圈。二次线圈是短路的，因而在二次线圈中的感应电压引起一个电流从二次线圈流过并对其加热。这个二次线圈是管状的，准备加热的水被安排从中流过。一次线圈也可以是管状的。

像这种普通类型的加热器在美国专利第4，602，140号和第4，791，262号中也有记载。

这种设计的一种变型公开在美国专利第1，656，518号中，其中，准备加热的流体流经一个起短路二次线圈作用的箱形容器。

另一种变型公开在美国专利第2，181，274号中，其中准备加热的流体流经变压器的铁芯;一次和二次线圈同心地围绕着铁芯，而二次线圈实际上是一个单圈的短路线匝。

又一种变型公开在美国专利第1，671，839，其中的一次和二次线圈以及共同的铁芯都可以是空心的，而准备加热的流体经过铁芯（随意地）也经过一次和二次线圈循环。二次线圈是短路的。

然而，在所有的上面提到的装置中，变压器都有一个铁芯。

在电气工程操作规程中一个确定已久的原则是，对于电源频率装置，只有在使用了变压器铁芯之后才能获得有效的磁链。无铁芯变压器虽然早已为人们所知并且已应用了许多年，但只能被用于高频率的用途中（典型的是50kHz，也就是高出于电源频率一千倍），因为在高频率应用中，可以没有铁芯而获得有效的磁链。

然而，本发明的设计却具有意想不到和令人惊奇的优点，那就是虽然本发明的装置是无铁芯的，但它却能在电源频率下以非常高的效率工作。

无铁芯变压器比有铁芯变压器具有很多优点：首先，由于不需要制造或装配铁芯，可节省很多成本。其次，无铁芯变压器通常展现出一种近直线型的磁化曲线，而与此对比，有铁芯变压器展现的是平稳的磁化曲线。近直线型磁化曲线意味着变压器可以有效地在一个很大的电压范围内工作，因而是更加容易控制的，也就是说，可能使电压在很大范围内予以变化而不受曲线平稳段的影响。另一个优点是无铁芯变压器更容易冷却，这是因为这里已没有铁芯来作为冷却流体的障碍;因此，变压器的效率就有了改善。

所有上面提到的这些装置的另一特点是流体基本上只靠一种单一的方法予以加热，也就是靠短路的二次线圈的热传导进行加热。二次线圈通常是用低电阻材料制成的，因为这对于有效电力传输是必要的。但是，低电阻材料对于电阻加热元件却不是理想的材料，对于这种加热元件最好还是用高电阻材料制造。

美国专利第4，471，191号公开了一种流体加热器，它主要包括有一个无铁芯变压器;一个一次线圈围绕着一个容器，容器的内部由数个金属圆筒体分割成几部分，形成若干通道，准备加热的流体就从这些通道中流过。金属环或螺旋形状的二次线圈位于容器的内部，与圆筒体相间隔开。

在使用中，一次线圈在二次线圈或多个二次线圈内感应出一个电压，二次线圈被短路因而由感应电流在其中产生热。金属圆筒体也被感应加热，从二次线圈或多个二次线圈和从圆筒体来的热对流经容器的流体进行加热。

但是，在这种设计中能量被浪费掉了：第一，一次线圈是在容器的外面，因而对流体的加热起不了什么作用。第二，二次线圈和金属圆筒体的同心安排意味着在一次和二次线圈之间的磁链并不太理想，因而发生磁通量漏失，降低了装置的效率。第三，二次线圈或数个二次线圈被短路，面不是被连接到一个由二次电压电阻加热的负荷上;这方面的缺点已在前面叙述过了。

因此本发明的又一个目的就是提供一种流体加热装置，它至少能够克服上面所述的第三种缺点，并且能够在电源频率下以高效率工作。

本发明提供一种电源频率电力流体加热器，它包括一个无铁芯变压器和一个导电的套筒，使用时准备加热的流体流经这个套筒，所述的无铁芯变压器包括：一个由导电材料制成的一次绕组，被安排成至少部分地缠绕在所述套筒上，但是与套筒相互电绝缘;一个由导电材料制成的二次绕组，其相对一次绕组的设置，使得在使用时，由一个在所述一次绕组中流动的交流电流所产生的磁链耦合所述二次绕组，并在其内感应出一个电压;所述二次绕组与所述一次绕组相互电绝缘，但是与套筒有电的连接，从而在使用时，在所述二次绕组内感应出的所述电压产生一个流经所述套筒的电流，该电流对所述套筒进行电阻加热，所述套筒还被所述一次绕组内流动的所述交流电流在其中感应的涡流加热。

最好是所述套筒、一次绕组和二次绕组都是同轴的，一次绕组紧挨着套筒，而二次绕组环绕在一次绕组的外面。但是，也有可能将一次绕组环绕在二次绕组的外面。

也可以使用多重二次绕组，两个或全部绕组经串联或并联的方式与套筒电连接。

二次绕组可以是管状的（例如是一根螺旋管或一个双壁套筒），二次绕组连接在套筒上，使准备加热的流体在流经套筒之前或之后流过二次绕组。这种流体流动的模式有助于对二次绕组的冷却，同样也有助于对流体的加热。为了同样的目的，一次绕组也可以是管状的，但业已发现它并不是太理想，因为会遇到实际上的设计困难。

仅作为举例，下面将根据本发明的一个较佳实施例参照附图作详细的描述。其中：

图1是本发明设备的局部纵向剖视图。

参看图1，设备2包括一个双层壁的套筒3，在套筒的外围缠绕着一次绕组4;二次绕组5缠绕在一次绕组4的外面。

套筒3由金属制成，最好这种金属具有较高的电阻。

这里必须着重指出的是该套筒并不起一个变压器铁芯的作用，因此无需用铁磁金属制成。然而，如果该套筒用铁磁金属制成还是有利的，因为由于改进了该设备的磁化强度，它也改进了设备的功率因数。一种适宜的制造套筒的材料是熟铁，它能满足所有上面所提的条件。

套筒具有一个外壁6和一个内壁7，两壁之间是一个圆筒形的通道8，当该设备使用时，流体就是从这个通道中流过的。通道8的一端由一个流体密封的连接件9连接到一个盘旋管的内部，该盘旋管构成二次绕组5，通道8的另外一端连接到一个出口管10上。

内壁7内的空间12里面充满空气;这个空间内可以安置一个金属的铁芯，但是这个铁芯的使用并没有发现对本设备的性能有多大的改变。

另一种设计是，如果准备被该设备加热的流体是一种热的良导体，或者是所要求的加热速率很低，则套筒可以单层壁的。套筒里的流体是由加热壁的热传导作用而被加热的，因此只有与壁相接触的那层流体才是直接被加热的，流体的其余部分靠流体内的热传导和对流而被加热。因此，通道8的长度和宽度必须根据准备加热的流体的类型，所要求的流体温升，和所要求的流动速率而定。

一次绕组4由直接绕在套筒3外部的多匝绝缘线组成，该线绕成一个或多个间隔层，以适应绕组的长度。这种线是由电的良导体制成的（例如铜、铝、超导体）。一次绕组的两个端11连接至电力供电系统（230V，50Hz）上。

二次绕组5包括一个由对热和电都是良导体的材料（例如铜、铝）制成的螺旋管。

二次绕组在一个油流挡板16上。整个装置密封在一个隔热的容器17内。一次绕组4受到由一个泵（未显示）围绕着容器泵入的油的冷却。冷却油从一次绕组传送到二次绕组，并从该处再传至在二次绕组内循环的流体。

但是，如果所要求的是一种比较简单的流体加热装置，而且热输出要求也不高（即该装置可以在较低温度下工作），那么容器17和冷却油都可以省去，一次绕组的冷却只需简单地用二次绕组紧紧绕在一次绕组上就行，使一次绕组通过热传导来冷却。

如上所述，二次绕组的一端由连接件9连接在套筒3的通道8上;二次绕组的另一端连接到一个流体出口处14上。二次绕组的两端可以用任何适宜的装置，例如连接件9（它是一个电接头，同时也是一个流体接头）和一个金属插头15（它仅是电接头），连接到套筒3上。

上述装置的使用方法如下：准备加热的流体（例如水）通过入口被送入管状二次绕组中。流体沿着二次绕组的长度运行，并在另一端通过连接件9送入套筒3的通道8中。流体然后沿着套筒3的长度运行，并从出口管10中排出。但是，设想一个相反的流体流动路线（即先经过通道8，然后经过二次绕组）也是可能的。

一次绕组4供用电网交流电流（单相或多相）供电。这种电流产生的磁通量在二次绕组中感应出一个电压;这种感应电压产生一个通过电连接件9和15流经套筒3的电流，因而靠电阻加热对套筒进行加热。换句话说，套筒形成了变压器电路的负荷。应该理解，用一种具有较高电阻的金属制造套筒是有利的，因为这可以使电阻加热达到最大限度并改进了设备的功率因素。

如果套筒是金属的，它也受到由一次绕组的变化磁场所产生的涡流的加热。这种效应在如图1中所示的结构中是很明显的，其中一次绕组位于套筒和二次绕组之间，但是即使二次绕组位于一次绕组和套筒之间，这种效应也在较小的范围存在。套筒的进一步加热发生在由于磁滞损耗的磁滞加热。

在使用时，一次和二次绕组往往也会有加热的趋向，这种加热所以会发生是因为金属绕组对流经绕组的电流的阻力所产生的。根据变压器的常规，用电传导性能好的金属制造一次和二次绕组就能尽量减小这种电阻加热。还有，该装置的设计和或/所用的冷却系统（如前面讨论到的）的选择必须使一次绕组保持在一个合适的工作温度范围之内。

然而，对于二次绕组的情况，如果所用的是管状二次绕组，那么在其中循环的准备加热的流体冷却二次绕组，据认为，如果选择一种较高电阻的金属（例如钢）制作二次绕组将是有利的，因为在二次绕组中导出的热可以有效地用于加热流体。

当流体进入套筒后，流体靠套筒的热传导继续被加热。由于套筒内的流体是由热传导加热的，通道8最好比较窄，以便在流体和套筒之间获得最大的接触。

在上述实施例中可以理解，本装置以多种不同的方式对流体提供热：

1.对套筒的电阻加热，

2.对套筒的涡流和磁滞加热，

3.对一次绕组的电阻加热，由一次绕组冷却系统传送至二次绕组，

4.对二次绕组的电阻加热。

可以认识到，流体可以只经过套筒加热，而不经过二次绕组，但是可能有些缺点，如二次绕组就不会被冷却，并且流体不再由二次绕组传导加热。

上述设计的另一种形式是套筒3呈螺旋形式，准备加热的水从管中流过。

对于图1中所示结构的设备曾做过测试。套筒3由熟铁制成，265mm长，提供的直径为60mm，而通道8的直径大约为3mm。

一次绕组由327匝3.75mm直径的铜线制成。二次绕组由13匝11.5mm直径的铜管制成。

一次绕组连接到电网供电系统上：

电压  230V

频率  50Hz

电流  147.5A

电力  29.7KW

功率因素  0.874lag

一次绕组温度  105-93℃

效率  96%

本装置是在电稳态下工作的，同时也是热稳定的。入口温度为摄氏15度的水以大约17.9升/分钟的流速经过本装置，流过二次绕组然后经过套筒，最后以摄氏38度的温度离开出口。

由于装置中产生的热全部都移给水了（导线、热传导和容器辐射的损耗都很少），本装置的有效系数大于95%。

作为商业或工业上应用时，上述的设备上可以配置控制器以使流体的出口温度可以根据需要而预定或变化，还可以装配一个压力传感器或流率测定器，以便当流体开始流入时，开动装置的电源，而在流体停止流入或者低于安全最低值时切断其电源。

本装置可以设计成可以高压操作，并可用以蒸汽，例如作为蒸汽，锅炉的替代物。

已经设计成的有在230V和400V工作的装置，其功率输出在6KW-40KW的范围内，但是也可能设计在其它范围工作的装置。

Claims (10)

1、一种电源频率电力流体加热器，其特征在于所述加热器包括一个铁芯变压器和一个导电的套筒，在使用时准备加热的流体流经该套筒；所述的无铁芯变压器包括：一个由导电材料制成的一次绕组，被安排成至少部分地缠绕在所述套筒上，但是与套筒互相电绝缘；一个由导电材料制成的二次绕组，其相对于一次绕组的设置，使得在使用时，由一个在所述一次绕组中流动的交流电流所产生的磁链耦合所述二次绕组，并在其内感应出一个电压；所述二次绕组与所述一次绕组互相电绝缘，但是与套筒有电的连接，从而在使用时，在所述二次绕组内感应的所述电压产生一个流经所述套筒的电流，该电流对所述套筒进行电阻加热，所述套筒还被一次绕组在其内感应产生的涡流加热。

2、根据权利要求1所述的加热器，其特征在于二次绕组形成两个或更多个部分，每一部分都与套筒有电的连接。

3、根据权利要求1或2所述的加热器，其特征在于二次绕组是管状的，并连接在套筒上，以使准备加热的流体在流经套筒之前或之后流经二次绕组，从而以变压器加热，对所述流体进行加热。

4、根据权利要求1或3所述的加热器，其特征在于所述套筒、一次绕组和二次绕组全部是同轴的。

5、根据权利要求4所述的加热器，其特征在于套筒至少部分地被一次绕组所围绕，而一次绕组至少部分地被二次绕组所围绕。

6、一种电源频率电力流体加热器，它包括一个无铁芯变压器和一个用高电阻导电材料制成的套筒，在使用时准备加热的流体流经这个套筒;所述无变压器包括：一个用低电阻导电材料制成的一次绕组，缠绕在套筒的大部分长度上，但是与其互相电绝缘;一个用低电阻导电材料制成的管状二次绕组，缠绕在一次绕组上，所述二次绕组与所述一次绕组互相电绝缘，但导电地连接在套筒上，从而在使用时由一次绕组中流动的电流在二次绕组中感应产生的电压产生一个流经所述套筒的电流，该电流对所述套筒进行电阻加热，所述套筒还被由一次绕组在其内感应的涡流加热;准备加热的流体被安排在流经所述套筒之前或之后流经所述二次绕组。

7、根据权利要求6所述的加热器，其特征在于其套筒是双层壁的，而准备加热的流体在所述的双层壁之间流动。

8、根据权利要求6或7所述的加热器，其特征在于一次绕组在使用中受到强制循环的油的冷却，所述的油也循环在所述二次绕组的周围，将热从所述一次绕组转移到所述二次绕组。

9、根据权利要求6或7所述的加热器，其特征在于二次绕组直接接触一次绕组的外层，但与其互相电绝缘，从而在使用中一次绕组靠热传导至二次绕组而得到冷却。

10、根据权利要求6所述的加热器，其特征在于一次和二次绕组是由铜制成的，而套筒是由熟铁制成。

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