CN107613596A - 液用单相工频电磁感应短路加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液用单相工频电磁感应短路加热装置，全部由硅钢片叠合形成一闭合单相磁回路的呈口字形的CI型铁芯；铁芯的两个心柱上各围绕一单相原边绕组，两个绕组按同一磁回路方向串联或并联连接；铁芯和绕组全部封装在一金属外壳内，金属外壳内的空间由绝缘填充物充实；金属外壳沿着单相铁芯的闭合磁回路设置，形成包围铁芯及两绕组的短路副边而成为主发热体；金属外壳由壳体、矩形管、接线座组成；接线座焊接在壳体一侧的上方，单相原边绕组的引接线从接线座中引出；矩形管的左右两面与壳体分别形成包围两绕组的两个短路金属圈，其上下分别形成包围铁芯上下轭铁的两个短路金属圈。该加热装置提高了功率因数，使cosΦ≥0.997。
Description
技术领域
本发明涉及一种电磁感应短路加热装置，更确切地说是一种用于加热液体的单相工频电磁感应短路加热装置。
背景技术
文献号为CN1142706C的中国专利ZL01134187.4公开了一种液用三相工频电磁感应及短路加热装置，在上述专利基础上更进一步改进的文献号为CN102384577A的中国专利ZL201110340219.2公开了一种液用三相工频电磁双重感应加热装置。上述两专利均属三相结构，限于商用及制造成本功率越小越高的原因，现最小规格为55千瓦。目前已广泛应用于工业企业及集中供热供暖领域。至于一家一户的供热供暖，因单相电源及功率的问题而受到限制。文献号为CN1668141A的中国专利公开了一种工频电加热的方法及其装置，其铁芯及原副边均暴露在空气中；文献号为CN2869671Y的中国专利公开了一种即热式电磁热水器，其铁心及原副边也暴露在空气中；前述两者的铁芯及原边均不能直接对液体进行加热。文献号为CN201332515Y的中国专利公开了一种电加热装置，其存在如下缺点：一、采用两个对合体，就无法密封；二、铸件外壳的各部位的厚度不均匀，会导致使用时厚度较薄的部位过热，较厚的部位不利于散热，变形则影响使用寿命，且引出线较难，专利文献中未公开如何接线。三、腔室中无绝缘填充物，如在液体中通电加热，其原边绕组很快烧毁，则该电加热装置也不能直接对液体加热。另外，上述三个专利均存在如下错误：1、铁心截面积与效率无关，与输出功率相关。2、漏磁与负载相关，与铁芯形状无关。3、噪声与交流电过零相关，与铁芯紧密度相关，与铁芯外形设计无关。
发明内容
本发明的目的是提供一种液用单相工频电磁感应及短路加热装置，小功率适用于一家一户使用，制造成本更低，功率因数更高，利用夜间廉价的谷电蓄热供全天24小时使用，由此大幅降低供热供暖成本。
本发明的技术构思是：应用电磁感应产生低电压短路大电流加热原理，使金属外壳沿着单相闭合磁回路包围铁芯及原边绕组的短路副边，而使该金属外壳成为本加热装置的主发热体，且又是铁芯及单相原边绕组的保护外壳及散热体。
实现本发明的液用单相工频电磁感应短路加热装置的技术方案是：本加热装置具有全部由硅钢片叠合形成一闭合单相磁回路的呈口字形的CI型铁芯；在呈口字形的CI型铁芯的两个心柱上各围绕一原边绕组，即单相原边绕组，两个单相原边绕组按同一磁回路方向串联或并联连接；铁芯和单相原边绕组全部封装在一金属外壳内，金属外壳内的空间由绝缘填充物充实而构成一全封闭的实体。其结构特征是：呈口字形的CI型铁芯的四角呈圆弧形，其圆弧的半径与铁芯心柱及轭铁的宽度相等，使整个铁芯的横截面积保持不变，即磁通量及磁通密度均保持不变，且有便于金属外壳的成形制作；金属外壳沿着单相铁芯的闭合磁回路设置，形成包围铁芯及两单相原边绕组的短路副边而成为本加热装置的主发热体，且又是铁芯和两单相原边绕组的保护外壳及散热体；金属外壳由壳体、矩形管、接线座组成；接线座焊接在壳体一侧的上方，单相原边绕组的引接线从接线座中引出；壳体是一四角呈圆弧形，圆弧的半径同上述铁芯圆弧半径，其正立面中心开有一矩形孔，壳体外口四周及矩形孔内口四周均设有一定高度的外折直角翅片，按其中心线上下、左右均为对称的成形件；外壳由上述两个壳体对合组成、焊接其四周外折翅片封装固定，矩形管设置在两单相原边绕组及相应铁芯的上下轭铁之间，穿过上述外壳左右两面的矩形孔，与矩形孔四周的外折翅片焊接封装固定；这样，矩形管的左右两面与壳体分别形成包围两单相绕组的两个短路金属圈，其上下分别形成包围铁芯上下轭铁的两个短路金属圈。
上述金属外壳与两单相原边绕组间保持有足够的绝缘距离。
上述矩形管的前后两端呈开启状。
上述金属外壳的壳体、矩形管可选用2～3毫米厚的金属薄板制作，金属薄板为不锈钢板、钢板；上述接线座可选用2～3毫米厚的型管，型管为不锈钢管、钢管。
上述具有四个副边短路的金属外壳，充分利用了铁芯磁回路的有效长度，从而提高了整机的功率因数，使cosΦ≥0.997，即本加热装置原属电感性的负载，而在这里却成为了电阻性的负载。
实现本发明目的的液用单相工频电磁感应短路加热装置的技术方案是：将上述加热装置除接线座的出线口外，全部沉浸于液体中，当加热装置20的单相原边绕组接通单相工频电源，则其副边的金属外壳感应产生短路大电流，金属外壳被快速加热，由此产生的焦耳热量以及铁芯、原边绕组产生的焦耳热量，全部通该金属外壳传导给它周围的液体，即本加热装置所消耗的有功电能全部转换成焦耳热量，高效。
本发明的工作原理：根据变压器原副边的匝数比，使副边获得低电压大电流的一种加热方式。在这里副边为1匝，且短接形成回路，故称短路加热。按本加热装置的最大容量50千瓦为例，若副边开路状态，这时电流为零，开路电压不大于4伏，低于最低安全电压6伏的要求，当容量小于50千瓦，越小开路电压越低；实际本加热装置运行时呈短路状态，副边外壳的电流为原边电流与原副边匝数比的乘积，这时副边外壳呈零电位，安全。变压器结构型式的本加热装置，其最明显的特征是无运动部件，上述三相加热装置第一台出厂已17年了，至今运行正常，而单相结构的本加热装置，其外壳的表面热负更低，可靠。
本发明的积极效果：我国北方一到冬天，雾霾天气就来了，这与供暖燃煤不无关系。若改用清洁的电能供暖有否可能，答案是肯定的。电力是一种特殊商品，它的生产、输送与消费同时瞬间完成，且无法大规模储存，这就要求发电与用电必须时刻保持完全平衡。然而，昼夜间的用电是不平衡的，白天出现用电高峰，夜间出现用电低谷；简言之，实际发电量取决于用电，用电多发电亦多，反之亦然。虽然发电与用电的平衡技术上可调整，但发电的燃煤锅炉却不能随用电的峰谷而调整，所以谷电不用白不用，这和太阳能是一个道理。可以说，谷电就是夜间的太阳能。我国2016年的谷电余量约1.5万亿千瓦时，这种高品位的能源没有得到利用而被白白地浪费了，多可惜！若利用夜间的谷电，将电能转换成热能储存起来，以供全天供暖。仅消纳谷电余量的50%，就可满足我国北方城镇150亿平方米的供暖耗能量，且现在供暖用的2.26亿吨标煤就可以节约下来了，还可大大缓解因冬季供暖引起的雾霾问题。这不但是能源的双倍节约，同时实现供暖零排放！采用本加热装置谷电蓄热供暖，谷电价按每千瓦时0.2元计（北京），则冬季平均每平米耗能成本11.05元，供暖成本不到燃气、热泵的50%，与燃煤相当，甚至更低，这使农村地区的老百姓都能用得起。
附图说明
图1为本发明的单相工频电磁感应短路加热装置中的铁芯及绕组结构示意图；其中图1-a为正视图，图1-b为图1-a的侧视图。
图2为本发明的单相工频电磁感应短路加热装置中的壳体结构示意图；其中图2-a为正视图，图2-b为图2-a的侧视图。
图3为本发明的单相工频电磁感应短路加热装置中的矩形管结构示意图；其中图3-a为正视图，图3-b为图3-a的侧视图。
图4为本发明的单相工频电磁感应短路加热装置的结构示意图；其中图4-a为正视图，图4-b为图4-a的侧视图。
图5为本发明的单相工频电磁感应短路加热装置应用时的一种结构图；其中图5-a为正视图，图5-b为图5-a的侧视图。
具体实施方式
（实施例）
图1的正侧两视图，显示了本发明的铁芯1及绕组2的关系结构。呈口字形的CI型铁芯1全部由硅钢片叠合形成一闭合的单相磁回路，在该铁芯的两个心柱上各围绕一原边绕组2，即单相原边绕组，两个单相原边绕组按同一磁回路方向串联或并联连接，图1中为串联连接。呈口字形的CI型铁芯的四角呈圆弧形，其圆弧的半径与铁芯柱及轭铁的宽度相同，使整个铁芯的横截面积保持不变，即磁通磁量及磁通密度均保持不变，且有便于壳体3的成形制作。
图2的正侧视图，显示了本发明的壳体3结构示图。壳体3是一四角呈圆弧形，圆弧的半径同上述铁芯圆弧半径，其正立面中心开有一矩形孔，其外口四周及矩孔内口四周均有一定高度的外折直角翅片，按其中心线上下、左右均为对称的成形件。外折翅片有助于壳体3增加强度，减少焊接的变形量。
图3的正侧视图，显示了本发明的矩形管4的结构示图，矩形管4两端呈开启状。
图4的正侧两视图，显示了本发明的液用单相工频电磁感应短路加热装置20。该加热装置20将上述图1中的铁芯1、单相原边绕组2全部封装在由壳体3、矩形管4、接线座5组成的金属外壳内。金属外壳内的空间由绝缘填充物充实而构成一全封闭的实体，本实施例中绝缘填充物采用环氧树脂。接线座5焊接在壳体3的一侧上方，单相原边绕组的引接线6从接线座5中引出；外壳由二个对称的成形件壳体3对合组成，焊接其四周外折翅片封装固定，矩形管4设置在两原边绕组及相应铁芯的上下轭铁之间，穿过上述外壳3的左右两面的矩形孔，与矩形孔四周的外折翅片焊接封装固定。这样，矩形管的左右两面与壳体分别形成包围两单相原边绕组的两个短路金属圈，其上下两面与壳体分别形成包围铁芯上下轭铁的两个短路金属圈。具有上述四个副边短路的金属外壳，它充分利用了铁芯磁回路的有效长度，从而提高整机的功率因数，使cosΦ≥0.997，即本加热装置原属电感性的负载，而在这里却成为了电阻性的负载。
（应用例）
图5中的正侧两视图，显示了本发明的加热装置20固定在蓄热水箱11内的底座12上，它除接线座的出线口外，全部沉浸在介质水中；上出口13接有供暖泵输送热水经用户后从下进口14回到蓄热水箱（图中未给出）；当谷电开始后，本加热装置20的原边绕组自动接通单相工频电源，则在沿着单相闭合磁回路包围铁芯及原边绕组的金属外壳的4个副边金属圈中感应产生短路大电流，金属外壳被快速加热，它所产生的焦耳热量以及铁芯、原边绕组产生的焦耳热量，全部经外壳传导给它周围的介质水；这样，夜间一边供暖一边加热的同时，将蓄热水箱中水温加热到设定上限值或谷电时段结束，自动切断电源，所蓄热量以供白天使用。如此，我国四分之一发电量的谷电原被白白地浪费了，而在这里得到了充分的利用，原供暖年耗2.26亿吨标煤可以全部节约下来了，这是能源的双倍节约！其次是省钱，按我国北方城镇平均供暖耗能计，每千瓦时谷电价按0.20元计，则冬季供暖成本为11.05元/m2，老百姓不需国家补贴也用得起；三是，社会有利，电网代替管网，供暖零排放。
（试验例）
额定电压220V 50Hz：
| 试验项目 | 试验例1 | 试验例2 | 试验例3 | 试验例4 |
| 设计功率(kw) | 7.5 | 10 | 12.5 | 15 |
| 实测功率(kw) | 7.6 | 10.2 | 12.6 | 15.1 |
| 功率因数(cosΦ) | 0.9972 | 0.9972 | 0.9971 | 0.9971 |
Claims (6)
1.一种液用单相工频电磁感应短路加热装置，其特征在于：全部由硅钢片叠合形成一闭合单相磁回路的呈口字形的CI型铁芯；在呈口字形的CI型铁芯的两个心柱上各围绕一原边绕组，即单相原边绕组，两个单相原边绕组按同一磁回路方向串联或并联连接；铁芯和单相原边绕组全部封装在一金属外壳内，金属外壳内的空间由绝缘填充物充实而构成一全封闭的实体；呈口字形的CI型铁芯的四角呈圆弧形，其圆弧的半径与铁芯心柱及轭铁的宽度相等；金属外壳沿着单相铁芯的闭合磁回路设置，形成包围铁芯及两单相原边绕组的短路副边而成为主发热体，且又是铁芯和两单相原边绕组的保护外壳及散热体；金属外壳由壳体、矩形管、接线座组成；接线座焊接在壳体一侧的上方，单相原边绕组的引接线从接线座中引出；壳体是一四角呈圆弧形，圆弧的半径同上述铁芯圆弧半径，其正立面中心开有一矩形孔，壳体外口四周及矩形孔内口四周均设有一定高度的外折直角翅片，按其中心线上下、左右均为对称的成形件；外壳由上述两个壳体对合组成、焊接其外折翅片封装固定，矩形管设置在两单相原边绕组及相应铁芯的上下轭铁之间，穿过上述外壳左右两面的矩形孔，与矩形孔四周的外折翅片焊接封装固定；这样，矩形管的左右两面与壳体分别形成包围两单相绕组的两个短路金属圈，其上下分别形成包围铁芯上下轭铁的两个短路金属圈。
2.根据权利要求1所述的液用单相工频电磁感应短路加热装置，其特征在于：所述金属外壳与两单相原边绕组间保持有足够的绝缘距离。
3.根据权利要求1所述的液用单相工频电磁感应短路加热装置，其特征在于：所述矩形管的前后两端呈开启状。
4.根据权利要求1所述的液用单相工频电磁感应短路加热装置，其特征在于：所述金属外壳的壳体、矩形管可选用2～3毫米厚的金属薄板制作，金属薄板为不锈钢板或钢板；上述接线座可选用2～3毫米厚的型管，型管为不锈钢管或钢管。
5.根据权利要求1所述的液用单相工频电磁感应短路加热装置，其特征在于：具有四个副边短路的金属外壳，充分利用了铁芯磁回路的有效长度，从而提高了整机的功率因数，使cosΦ≥0.997，即本加热装置原属电感性的负载，而在这里却成为了电阻性的负载。
6.如权利要求1至5所述的液用单相工频电磁感应短路加热装置的工作方法，其特征在于：将上述液用单相工频电磁感应短路加热装置除接线座的出线口外，全部沉浸于待加热液体中，当所述液用单相工频电磁感应短路加热装置的单相原边绕组接通单相工频电源，则在沿着单相闭合磁回路包围铁芯及原边绕组的金属外壳的4个副边金属圈中感应产生短路大电流，金属外壳被快速加热，由此产生的焦耳热量以及铁芯、原边绕组产生的焦耳热量，全部通过金属外壳传导给周围的待加热液体。
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