CN108800286A - 一种基于磁性纳米流体的节能型电磁加热采暖装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于磁性纳米流体的节能型电磁加热采暖装置，该装置包括螺旋形肋片加热体、半圆环形折流板、磁性纳米流体补充器和密封胶塞；所述进水管上设置磁性纳米流体补充器，并在磁性纳米流体补充器下方设置水泵；所述螺旋形肋片加热体设置在水箱内部，贯通整个水箱且与水箱同轴，螺旋形肋片加热体为外侧具有螺旋形肋片的空腔圆柱体，在所述螺旋形肋片加热体内部，布置与螺旋形肋片加热体同轴的电磁感应线圈；螺旋形肋片加热体的两端设置密封胶塞；在水箱和螺旋形肋片加热体之间设置至少两个半圆环形折流板。该装置除了通过螺旋形肋片和折流板加强扰动外，还能够利用磁性纳米流体增强对流换热的效果，使加热过程更加均匀。
Description
技术领域
本发明涉及供暖设备技术领域，具体涉及一种基于磁性纳米流体的节能型电磁加热采暖装置。
背景技术
电磁加热技术是利用电磁感应原理来完成水体的加热，它是一种新兴的但已经非常成熟的电能利用技术，相比于传统的燃煤、燃气加热，其加热过程无废气、烟尘等污染，其能量转换效率高、加热速度快，广泛应用于各种加热采暖设备。
目前电磁加热采暖装置主要为：螺旋电磁加热管，多组电磁加热板，分体式电磁加热水槽。在这些常规手段中，存在一些弊端，如申请号为201711338168.3的中国专利公开一种电磁加热装置，其金属发热管为水箱外壁，电磁感应线圈缠绕在水箱外壁，金属发热管一端设置可旋转扇叶，其内再无其他可加强扰动的结构件，因而流体在刚进入金属发热管后会打破层流状态，但持续在金属发热管中的流动时仍趋向于平稳的层流状态，流体温度加热不均匀，换热系数较小，且水箱外壁作为加热体，热量很难传到水箱中部的流体，大量的热量会损失到外界环境中。申请号为201711338888.X的中国专利公开一种水循环地暖电磁加热器，该加热器的水箱内设置加热体，电磁线圈缠绕在水箱的内壁上，水箱一端设置具有螺旋状导流孔的导流板，加热体通过连接支架固定在水箱内，使循环水在刚进入水箱时呈现旋转射流状态，但在水箱中流动一段时间后仍趋于层流状态，导致换热效果较差，水体加热不均。总之传统设备普遍存在着热交换效率不高、流体温度加热不均、热能损失量大等弊端。如何通过合适的结构提高加热效率，减少热能损失，是现在急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于磁性纳米流体的节能型电磁加热采暖装置，该装置除了通过螺旋形肋片和折流板加强扰动外，还能够利用磁性纳米流体增强对流换热的效果，并使加热过程更加均匀。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种基于磁性纳米流体的节能型电磁加热采暖装置，包括水箱、电磁感应线圈、进水管、出水管和封头管板，所述水箱的前端下部设置进水管，水箱的后端上部设置出水管，水箱两侧焊接封头管板，水箱整体外壁设置保温层；其特征在于，该装置还包括螺旋形肋片加热体、半圆环形折流板、磁性纳米流体补充器和密封胶塞；所述进水管上设置磁性纳米流体补充器，并在磁性纳米流体补充器下方设置水泵；
所述螺旋形肋片加热体设置在水箱内部，贯通整个水箱且与水箱同轴，螺旋形肋片加热体为外侧具有螺旋形肋片的空腔圆柱体，在所述螺旋形肋片加热体内部，布置与螺旋形肋片加热体同轴的电磁感应线圈；螺旋形肋片加热体的两端设置密封胶塞；所述电磁感应线圈穿过密封胶塞通过导线与外界电源相连，且通过密封胶塞将电磁感应线圈和螺旋形肋片加热体固定形成一个整体；
在水箱和螺旋形肋片加热体之间设置至少两个半圆环形折流板，半圆环形折流板面积为水箱内壁与螺旋形肋片加热体外壁之间环形面积的一半，相邻两个半圆环形折流板分别布置在螺旋形肋片加热体的上下两侧位置；半圆环形折流板一侧与水箱内壁面相连接，一侧与螺旋形肋片加热体外壁相连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明装置创新性地使用磁性纳米流体作为加热工质，磁性纳米流体属于固液两相混合物，通过加入导热系数更大的磁性纳米颗粒，可有效提高磁性纳米流体的换热系数，将磁性纳米流体与本申请的装置结构相结合能显著提高换热量。
2、在水箱内部设置的螺旋形肋片加热体通过其螺旋形肋片不仅增加了对流换热面积，同时也加强了流体流动过程的横向扰动，使流体加热过程更加充分、均匀；同时在水箱内部，配合设置上下两侧布置的折流板，可以使磁性纳米流体在每一段流程内都可与螺旋形肋片加热体充分接触换热，折流板可以加强流体的纵向扰动，故而使整个水箱内在加热过程中的温度变化都比较均匀，显著提高换热效率。
3、本发明将螺旋形肋片加热体设置为空腔且贯通整个水箱，可以使电磁感应线圈的安装更加便利，电磁感应线圈设置在加热体内部，进一步充分利用所产生的热量，同时螺旋形肋片加热体两端设置密封胶塞，做到水电分离，进一步提升装置安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的设计方案，下面结合附图及具体实施方案对本发明作进一步说明。
图1为本发明基于磁性纳米流体的节能型电磁加热采暖装置一种实施例的立体结构示意图(无封头)；
图2为本发明基于磁性纳米流体的节能型电磁加热采暖装置一种实施例的立体结构示意图(带封头)；
图3为本发明基于磁性纳米流体的节能型电磁加热采暖装置的从水箱1的纵切面剖切后的装置剖面示意图；
图4为本发明中水箱与折流板的安装结构示意图；
图5为本发明中螺旋形肋片加热体与电磁感应线圈的纵切面的结构示意图；
图中，水箱1，螺旋形肋片加热体2，电磁感应线圈3，折流板4，磁性纳米流体补充器5，进水管6，出水管7，水泵8，封头管板9，密封胶塞10。
具体实施方式
下面通过附图及实施例对本发明的技术方案进行详细的说明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
本发明基于磁性纳米流体的节能型电磁加热采暖装置(简称装置，参见图1-5)包括：水箱1、螺旋形肋片加热体2、电磁感应线圈3、折流板4、磁性纳米流体补充器5、进水管6、出水管7、水泵8、封头管板9和密封胶塞10；所述水箱1的前端下部设置进水管6，水箱1的后端上部设置出水管7，水箱1两侧焊接封头管板9，水箱1整体外壁设置保温层，进而减少热能的损失；
所述进水管6上设置磁性纳米流体补充器5，并在磁性纳米流体补充器5下方设置水泵8；
所述螺旋形肋片加热体2设置在水箱1内部，贯通整个水箱1且与水箱1同轴，螺旋形肋片加热体2为外侧具有螺旋形肋片的空腔圆柱体，在所述螺旋形肋片加热体2内部，布置与螺旋形肋片加热体2同轴的电磁感应线圈3；螺旋形肋片加热体2的两端设置密封胶塞10，对螺旋形肋片加热体起到密封作用，同时不仅可以固定电磁感应线圈3而且可以减少热量散失；所述电磁感应线圈3穿过密封胶塞10通过导线与外界电源相连，且通过密封胶塞将电磁感应线圈3和螺旋形肋片加热体2固定形成一个整体；流体流经螺旋形肋片加热体2的螺旋形肋片时，可以得到更强的扰动，同时螺旋形肋片加热体2的肋片扩展了加热面积，提高了加热效率；
在水箱1和螺旋形肋片加热体2之间设置至少两个折流板4，所述折流板为半圆环形折流板，半圆环形折流板面积为水箱内壁与螺旋形肋片加热体外壁之间环形面积的一半，相邻两个折流板分别布置在螺旋形肋片加热体的上下两侧位置；折流板一侧与水箱内壁面相连接，一侧与螺旋形肋片加热体外壁相连接，流体在折流板4的作用下，可以横过螺旋形肋片加热体2流动，提高换热系数。
多个折流板4在水箱内等距离布置，相邻两个折流板之间的间距固定为200mm，根据水箱的宽度来确定折流板的数量。
所述水箱的宽度与直径之比为1:1.1～1.3，所述水箱直径500-700mm，保温层厚度5-10mm，可以减少热能向外界的损失。
所述螺旋形肋片加热体空腔直径100-140mm，螺旋形肋片的高度80-100mm，螺距90-100mm。
水箱直径与宽度选择可以使水箱整体呈近正方体，流体在横向与纵向上的受扰动距离相接近，总体扰动程度最优，可以最大程度上保证对流体的加热效果，若水箱直径尺寸过大，且宽度过长则螺旋形肋片加热体与折流板对流体的扰动程度相对较小；若水箱直径尺寸过小，且宽度较短，则螺旋形肋片加热体与折流板对流体的扰动又会造成较大的流动阻力，不利于装置的平稳运行。
上述螺旋形肋片的高度与螺距，可以在保证扰动程度较优的同时，适当减小流动阻力及压降损失，螺旋形肋片的高度过高、螺距过小会导致流动阻力及压降损失明显增大，而螺旋形肋片的高度过小、螺距过大则会导致流动过程中的扰动效果减弱。
为了获得更好的传热效果和起到更好的支撑作用，根据水箱直径及宽度可以确定所述折流板的内、外半径分别为50-70mm、250-350mm，数量为2-3个。
本发明的工作原理：待加热的磁性纳米流体在水泵8的驱动下经过磁性纳米流体补充器5，由进水管6进入水箱1；电磁感应线圈3在接入电流后，产生高速变化的交变磁场，当磁场的交变磁力线通过螺旋形肋片加热体2时会在加热体内产生小涡流，使加热体发热，磁性纳米流体流经螺旋形肋片加热体2时，由于所述螺旋形肋片加热体2具有螺旋形肋片因而加热面积得到提高，同时螺旋形肋片可以加强对磁性纳米流体的扰动，加热过程更加均匀、加热效率更高；另外磁性纳米流体在折流板4处会改变流动方向，进一步起到提高传热效果与支撑所述加热体的作用；加热后的磁性纳米流体通过出水管7送入供暖管道。
本发明中所述磁性纳米流体即将磁性纳米颗粒与去离子水混合所制得的一种流体，其传热性能更好，磁性纳米流体可以为Fe3O4/水纳米流体或其他具有铁磁性的纳米流体。
实施例1
本实施例一种基于磁性纳米流体的节能型电磁加热采暖装置，包括：水箱1，螺旋形肋片加热体2，电磁感应线圈3，折流板4，磁性纳米流体补充器5，进水管6，出水管7，水泵8，封头管板9，密封胶塞10。
如图1所示，所述水箱1的前端下部设置进水管6，水箱1的后端上部设置出水管7，水箱1两侧焊接封头管板9，水箱1整体外壁设置保温层，进而减少热能的损失。
本实施例中水箱1直径500mm，宽度600mm，保温层厚度5mm。
如图1所示，所述进水管6处设置磁性纳米流体补充器5，并在磁性纳米流体补充器5下方设置水泵8。
如图1和4所示，所述螺旋形肋片加热体2设置在水箱1内部，贯通整个水箱1且与水箱1同轴，在所述螺旋形肋片加热体2内部，布置与螺旋形肋片加热体2同轴的电磁感应线圈3。螺旋形肋片加热体2的两端设置密封胶塞10，对螺旋形肋片加热体起到密封作用，不仅可以固定电磁感应线圈3而且可以减少热量散失。所述电磁感应线圈3穿过密封胶塞10通过导线与外界电源相连。流体流经螺旋形肋片时，可以得到更强的扰动，同时螺旋形肋片加热体2的肋片扩展了加热面积，提高了加热效率。
本实施例中螺旋形肋片加热体2的空腔直径为100mm，螺旋形肋片高度80mm，螺旋形肋片螺距90mm。
如图1和3所示，所述折流板4设置在水箱1和螺旋形肋片加热体2之间，两两之间的间距固定为200mm，根据水箱1的宽度来确定折流板4的数量，本实施例中折流板4为半圆环形折流板，其面积为水箱内壁与螺旋形肋片加热体外壁之间环形面积的一半，相邻两个折流板4应分别布置在螺旋形肋片加热体2的上下两侧，折流板4一侧与水箱内壁面相连接，一侧与螺旋形肋片加热体外壁相连接。流体在折流板4的作用下，可以横过螺旋形肋片加热体2流动，提高换热系数。
本实施例中半圆环形折流板4的内、外半径分别为50mm、250mm，数量为2个。
本实施例所述磁性纳米流体为Fe3O4/水纳米流体，纳米Fe3O4质量分数为0.8％，进口流体流速为0.1m/s，相比于相同尺寸下应用光滑圆管为加热体、没有折流板且流体为水的普通电磁加热装置，本实施例中的装置可明显强化换热过程，磁性纳米流体增强换热的效果在螺旋形肋片加热体和折流板的扰动下得到明显发挥。在上述普通的电磁加热装置中，水体的对流换热系数约为950W/(m2·K)，此实施例的装置中，磁性纳米流体的对流换热系数约为1150W/(m2·K)，对流换热系数提高了21％。
实施例2
本实施例一种基于磁性纳米流体的节能型电磁加热采暖装置各部分组成及连接方式同实施例1，不同之处在于，本实施例中水箱1直径700mm，宽度800mm，保温层厚度10mm；螺旋形肋片加热体2的空腔直径为140mm，螺旋形肋片高度100mm，螺旋形肋片螺距100mm；折流板4的内、外半径分别为70mm、350mm，数量为3个。
本实施例使用质量分数为0.8％的磁性纳米流体，进口流体流速为0.1m/s，相比于相同尺寸下应用光滑圆管为加热体、没有折流板且流体为水的普通电磁加热装置，本实施例中的装置可明显强化换热过程，磁性纳米流体增强换热的效果在螺旋形肋片加热体和折流板的扰动下得到明显发挥。在上述普通的电磁加热装置中，水体的对流换热系数约为900W/(m2·K)，此实施例的装置中，磁性纳米流体的对流换热系数约为1050W/(m2·K)，对流换热系数提高了17％。
实施例3
本实施例基于磁性纳米流体的节能型电磁加热采暖装置包括水箱1、电磁感应线圈3、进水管6、出水管7、封头管板9、螺旋形肋片加热体2、折流板4、磁性纳米流体补充器5和密封胶塞10所述水箱1的前端下部设置进水管6，水箱1的后端上部设置出水管7，水箱1两侧焊接封头管板9，水箱1整体外壁设置保温层；所述进水管6上设置磁性纳米流体补充器5，并在磁性纳米流体补充器5下方设置水泵8；
所述螺旋形肋片加热体2设置在水箱1内部，贯通整个水箱1且与水箱1同轴，螺旋形肋片加热体2为外侧具有螺旋形肋片的空腔圆柱体，在所述螺旋形肋片加热体2内部，布置与螺旋形肋片加热体2同轴的电磁感应线圈3；螺旋形肋片加热体2的两端设置密封胶塞10；所述电磁感应线圈3穿过密封胶塞10通过导线与外界电源相连，且通过密封胶塞将电磁感应线圈3和螺旋形肋片加热体2固定形成一个整体；密封胶塞与封头管板9的外端面平齐；
在水箱1和螺旋形肋片加热体2之间设置两个折流板4，两个折流板分别布置在螺旋形肋片加热体的上下两侧位置。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (5)
1.一种基于磁性纳米流体的节能型电磁加热采暖装置，包括水箱、电磁感应线圈、进水管、出水管和封头管板，所述水箱的前端下部设置进水管，水箱的后端上部设置出水管，水箱两侧焊接封头管板，水箱整体外壁设置保温层；其特征在于，该装置还包括螺旋形肋片加热体、半圆环形折流板、磁性纳米流体补充器和密封胶塞；所述进水管上设置磁性纳米流体补充器，并在磁性纳米流体补充器下方设置水泵；
所述螺旋形肋片加热体设置在水箱内部，贯通整个水箱且与水箱同轴，螺旋形肋片加热体为外侧具有螺旋形肋片的空腔圆柱体，在所述螺旋形肋片加热体内部，布置与螺旋形肋片加热体同轴的电磁感应线圈；螺旋形肋片加热体的两端设置密封胶塞；所述电磁感应线圈穿过密封胶塞通过导线与外界电源相连，且通过密封胶塞将电磁感应线圈和螺旋形肋片加热体固定形成一个整体；
在水箱和螺旋形肋片加热体之间设置至少两个半圆环形折流板，半圆环形折流板面积为水箱内壁与螺旋形肋片加热体外壁之间环形面积的一半，相邻两个半圆环形折流板分别布置在螺旋形肋片加热体的上下两侧位置；半圆环形折流板一侧与水箱内壁面相连接，一侧与螺旋形肋片加热体外壁相连接。
2.根据权利要求1所述的基于磁性纳米流体的节能型电磁加热采暖装置，其特征在于多个半圆环形折流板在水箱内等距离布置，相邻两个半圆环形折流板之间的间距固定为200mm。
3.根据权利要求1所述的基于磁性纳米流体的节能型电磁加热采暖装置，其特征在于所述水箱的宽度与直径之比为1:1.1～1.3。
4.根据权利要求3所述的基于磁性纳米流体的节能型电磁加热采暖装置，其特征在于所述水箱直径500-700mm，保温层厚度5-10mm；所述螺旋形肋片加热体空腔直径100-140mm，螺旋形肋片的高度80-100mm，螺距90-100mm。
5.根据权利要求1所述的基于磁性纳米流体的节能型电磁加热采暖装置，其特征在于所述磁性纳米流体为Fe3O4/水纳米流体。
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