CN109076644A - 用于固体、液体、气体和蒸汽的瞬时加热装置 - Google Patents

Abstract

一种加热装置，包括：加热器(2)，由根据温度而电阻可变的材料制成；电源(1、10)，借助于电连接件(8、9)连接到所述加热器(2)，以用于发送流过所述加热器(2)的电流；控制模块(4)，被布置成用于调节由所述电源(1)供应的电流；测量连接件(6、7)，置于所述加热器(2)的端处并连接到所述控制模块(4)，所述控制模块(4)被预先设置成用于通过计算在所述加热器(2)的端处存在的电压与流经所述加热器(2)的电流之间的比率来测量所述加热器(2)的电阻，该电压和该电流是借助于所述测量连接件(6、7)而检测的。

Description

用于固体、液体、气体和蒸汽的瞬时加热装置

技术领域

本发明涉及一种用于固体、液体、气体和蒸汽的瞬时加热装置。

背景技术

每台机器、家用电器、运输系统或住宅的能量节约均具有很大重要性，因为它降低能源生产的工作成本和污染。特别地，在加热元件(无论液体、固体、气体或蒸汽被不连续地致动)的所有应用中，存在很大的能量浪费，由于在加热元件之前必需使加热系统达到温度。所述加热系统通常具有的热质量基本上大于待加热的元件的热质量。在许多情况下，加热时间太长并且必需持续保持加热元件的温度，即使很长时间不存在待加热的元件。

加热器的显著热质量对于在预期工作条件的变化时保持温度恒定是必要的；实际上，加热器通常设有温度传感器和加热功率的控制系统。在加热步骤期间，施加的功率处于最大值，然后在达到工作温度时，加热器通过以例如10％的有用循环来切换加热元件接通和断开而维持所需温度；当待加热的元件与加热器接触时，热能量被吸收，从加热器传导到待加热的元件。因此加热器趋于冷却，且温度控制系统向加热系统发送更多电力。在这种情况下，发生温度瞬态，在控制系统检测到的温度和传递到待加热的元件的温度之间甚至有相当大的跳跃。这些瞬态通常被加热器的相关热质量吸收(实际的规律是，热质量比待加热的元件的热质量大20倍，瞬态包含在所需加热温度的几个百分点内)。

借助于非限制示例，我们提到在超市中使用以封闭易腐食品包装的用于食品的纸板和/或塑料托盘的密封系统。

所述机器由下底座构成，所述下底座包括可调节托盘保持件和上加热板，典型功率为1KW，金属质量(通常为铝)为至少1Kg。待加热的元件是所述用于食品的托盘的边界，待加热的元件将用塑料材料的膜来密封；待加热的部件的重量为约5克。密封温度通常为180℃，因此用于加热板的能量为：880J(铝的比热)×1Kg(加热器的重量)×180℃-25℃＝155℃(密封温度-环境温度)，来自如上：880×1×155＝136,400焦耳，而板的加热时间为：136.4000J/1000W加热功率＝136.4秒。

为了密封托盘，以下将被代替为必需的：1200J(纸板+塑料的平均比热)×0.005Kg(待加热的部件的重量)×155℃(密封温度-环境温度)，来自如上：1200×0.005×155＝930J。

计算用于密封托盘的能量与用于加热板和托盘的总能量之间的百分比，我们获得：930/(136,400+930)×100＝0.68％，即小于用于加热机器来密封托盘的能量的1％。

在机器总是被切换接通的情况下，在等待工作以执行时，并假设分散在环境中的能量将等于最大功率的1/10，我们获得：

100W×12小时运行＝1200W/h，我们将其乘以3600以将其转换为焦耳，其中1200×3600＝4,320,000J，我们必须为初始加热添加焦耳：4,320,000+136,400＝4,456,400。如果我们假设每分钟密封一个托盘(超市柜台的典型节奏)，我们将有4,456,400J+(930J×720)/720(12小时每分钟1件)＝7119J，以及作为百分比：930/7119×100＝13％。此外在这种情况下，虽然比以前好，但未使用的能量仍是总量中的主要成分(87％)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种加热装置，其能够消除当前可用加热器的缺点，从而能够显著地节约能量。

附图说明

在借助于附图中的非限制性示例进行说明的本发明的实施方式的以下详细描述中，本发明的其他特征和优点将变得更加明显，在附图中：

图1是根据本发明的加热装置的第一实施方式的示意图；

图2是根据本发明的加热装置的第二实施方式的示意图；

图3A、图3B、图4和图5示出根据本发明的加热装置的其他构造变型；

图6是用于根据本发明的装置的加热的时刻/温度定性(qualitative)曲线图；

图7示出包括回收工作热量的装置的实施方式；

图8A、图8B、图8C、图8D是根据本发明的加热装置的传统图，在示出的实施方式中，加热装置以2KW功率、通过230V电网供电，并且在约40伏的低电压下操作的加热器。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的加热装置包括电源1，在本示例中，电源可以是在输出中提供直流电的整流器或电池。

加热装置还包括加热器2，该加热器可以适合用于将热质量保持为非常低。加热器2由金属材料制成，所述金属材料的电阻根据温度而可变，所述金属材料例如为铜、黄铜、青铜、钢、铝。电连接件8、9预先设置成用于将加热器2连接到电源1。因此由电源1供电的电流流经加热器2。加热器2可以被置于与待加热的元件3紧密接触，以有效地传递加热功率。

控制模块4借助于测量连接件6、7，通过计算在加热器端处存在的电压与流过加热器2的电流之间的比率来检测加热器2的电阻。控制模块4利用计算出的电阻作为用于控制温度的参考值。借助于连接装置5，控制模块4向电源1发送调节信号，该调节信号基于瞬间加热需求而改变发送到加热器2的电力。连接装置5能够使用PWM方法或另一已知方法随时间调节电压或者改变电源1的电压。

虽然传统系统需要大的热质量以包含由工作条件的变化所引起的温度跳跃，但是本发明利用加热器2本身作为温度传感器。这使得能够瞬间准确地监视加热器2的温度，并且由于加热器2被置于与待加热的元件3紧密热接触，因此甚至可以非常精确地控制该元件的温度。

考虑到加热器2的低热质量，还可以使控制模块4以非常频繁的控制周期(按照每秒数千个)工作，而今天的典型调节技术按照每秒一个周期而操作。这是因为加热器的热质量如此高以使用数十秒或者甚至数分钟才能达到温度，而在根据本发明的加热装置中，加热器需要0.1秒至0.2秒量级的加热时间，这使控制模块能够甚至以每秒数千次的速率操作。

图2示出其中电源10处于高频的加热装置的第二实施方式，例如半导体逆变器。

逆变器可以在超声波频率下工作，最高可达数百KHz。在这些条件下，作为电压和电流的矢量值之间的比率而执行的加热器2的电阻的计算是相当复杂的。为了避免所述复杂性，加热装置包括预先设置为供应已知电流的电流源12。

特别地，电容器13和直流电源12连接到被连接到电源10的初级的变压器输出11。低通滤波器14也与加热器2并联连接并在输出中提供调节信号，调节信号被发送到控制模块4，低通滤波器14相应地通过连接17连接到源10。

图2中所示的加热装置以如下方式运行。

电源10的电力经由变压器11和电容器13而传输到加热器2。电容器13参数被设计为对交流电流的通过产生最小阻抗。与电容器13并联连接的电流源12向加热器2发送已知直流电流，因此来自源10的交流电流和来自电流源12的已知直流电流流经加热器2。因此，假定通过流经加热器2的电流乘以其电阻，在加热器2的端8、9处存在电压。低通滤波器14去除电压的交流分量并且仅留下由来自电流源12的已知电流产生的直流电压。由于加热器2的电阻是温度的函数，因此甚至由低通滤波器14提取的电压也将是温度的函数。

电源10也可以由电网以50或60Hz、在110-230V所构成。在这种情况下，变压器和其他电路的参数被设计成用于所述工作频率。

图3A表示加热器2的平面实施方式。特别地，加热器2沉积在热绝缘且电绝缘材料的平坦表面22上。电连接件8、9被预先设置成连接到电源1、10，而测量连接件6、7被预先设置成用于连接到控制模块4。加热器2的这种构造尤其适于加热固体元件。例如，如图3B所示，加热器2可以适合用于匹配待密封的托盘的形状。

图4示出两个或更多个加热器2联接以形成待加热对象的容纳系统的加热器单元20的实施方式。加热器2可以根据电源需要而串联或并联电连接，在元件串联的情况下具有较高的电压，且在元件并联连接的情况下具有较低的电压。加热器单元20特别适用于加热液体、蒸汽和气体。

图5示出加热器2被弯曲以形成能够输送液体、气体和蒸汽的管。测量连接件6、7和电连接件8、9被预先设置成用于如针对之前的实施方式已描述的相同联接。

加热器2和待加热的元件之间的完美热接触能够显着提高根据本发明的加热装置的效率。

然而，在用于托盘的热焊接或其他材料的熔接的情况下，例如胶水或石灰垢或固体油残留物等的不期望结壳(encrustation)可能积聚在加热器2上。在能够使系统发生故障之前能够检测到任何积聚或结壳的存在是非常重要的。借助于示例，可以建立在加热器2和待加热的对象之间的热传递中可容忍的最大下降，例如下降20％。

归因于控制模块的快速性和测量加热器的电阻的可能性，可以获得加热器的清洁状态的指示。图6显示加热时间随着图1所示的加热器的温度的函数的定性曲线图，该加热器可用于密封食品用的托盘。

用于在空气中加热清洁加热器2所需的时间为约0.18秒(曲线“30”)，而用于与托盘接触的清洁加热器2的加热的时间为1.1秒(曲线“32”)，可计算为所需的总热量除由源1、10提供的电力，即：179+960焦耳/1000W＝1.1秒。

当加热器2变脏或结壳并且与托盘的热接触不再完美时，相对于加热器2干净的情况，加热器达到该温度所花费的时间将更短(曲线“31”)。通过测量用于达到所期望温度所需的时间，因此可以获得加热器的清洁度/结壳度的指数。所有上述内容对于加热器2被预先设置成用于容纳液体、蒸汽或气体的情况也是有效的。

通过考虑所获得的清洁度/结壳度的指数，可以通过增加加热器2和加热元件3之间的接触时间、或者通过减少在图5A和5B的实施方式中待加热的流体的传输速度、或者还能通过升高加热器2的工作温度，而补偿加热器到待加热的元件的低热传递。

在流体被加热的情况下，可以基于在加热中使用的热量来计算被加热的材料的量(流量)。例如，如果需要1000焦耳以用于将一克特定材料从环境温度加热到期望温度，则通过计算有效使用的焦耳，(例如10,000焦耳)，可以知道被加热的材料的重量或体积，在该示例中为10克。

由所使用的组件产生的工作热量，且特别是由电气/电子性质的组件产生的热量可用于加热加热器2的较冷区域。图7示出呈管形状的加热器2从源1的电子电力部件的散热器40获取热量的示例，该热量否则会被分散。散热器40基本上不增大加热器2的热质量，因为它位于加热器2的较冷区域，例如待加热的流体的输入部分。

与目前市场上可获得的加热器相比，本发明的加热器能够获得显著的优点。

事实上，根据本发明的加热器能够将加热元件的质量减少到仅三克的铜或适用于电流通过的另一种金属。

在这种情况下，使加热元件达到正确温度所需的能量由下式给出：385J(铜的比热)×0.003Kg(加热器的重量)×155℃(密封温度-环境温度)＝179焦耳。考虑到如之前提到的用于密封托盘所需的能量，我们将具有以下百分比：930J/(179J+930J)×100＝83.8％。

加热时间不会如以前那样是136秒，但是179J/1000W＝0.179秒。

因此，实际上瞬时加热能够在停机时间期间或在不使用加热器时保持加热器关闭，并且仅在使用时切换加热器。因此，对于单个密封操作和连续使用两者而言，在任何工作条件下能源节约是有效的。在第二种情况下，在使用本发明的情况下，效率从现有技术的15％到达83.8％。

图示的实施方式与图2的结构类型相似，并且在图8A、图8B、图8C和图8D中详细地示出。特别地，在图8A中，描述了电源10，该电源由金属氧化物半导体场效应晶体管逆变器构成、由IRS2153D驱动器引导并由连接到控制连接17的光耦合器控制。噪声滤波器和滤波电容器被插入在来自单相230伏网络的电力输入，以消除由逆变器产生的电噪声。经由两个连接件30和31将电力发送到图8B中所示的变压器11，至由两个IPP65R045C7金属氧化物半导体场效应晶体管组成的逆变器的输出。如已知的电流源12和低通滤波器14的其他功能块执行之前已经描述的功能。在该示例中，电容器13由多个并联的元件组成。低通滤波器14的输出5通向图8C的块16的控制器35。存在的其他控制电路执行保护的辅助功能，并且对于本发明的描述不是必不可少的。图8D示出了辅助电源，该辅助电源能够提供加热系统的正确运行所需的各种电压。

Claims (14)

1.一种加热装置，包括：加热器(2)，由根据温度而电阻可变的材料制成；电源(1、10)，借助于电连接件(8、9)连接到所述加热器(2)，以用于发送流过所述加热器(2)的电流；控制模块(4)，被预先设置成用于调节由所述电源(1)供应的电流，其特征在于，所述加热装置包括：测量连接件(6、7)，位于所述加热器(2)的端处并连接到所述控制模块(4)，所述控制模块(4)通过计算在所述加热器(2)的端处存在的电压与流过所述加热器(2)的电流之间的比率来测量所述加热器(2)的电阻，该电压和该电阻是借助于所述测量连接件(6、7)而检测的。

2.根据权利要求1所述的加热装置，其中，所述控制模块(4)基于对所述加热器(2)测量的电阻而调节由所述电源(1)供应的电力。

3.根据权利要求2所述的加热装置，包括连接装置(5)，所述连接装置介于所述控制模块(4)与所述电源(1)之间，并且所述连接装置适于借助于PWM方法或等同方法而随时间调节电压或者改变电源(1)的电压。

4.根据前述权利要求中任一项所述的加热装置，其中，所述电源(1)适于供应直流电流。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的加热装置，其中，所述电源(1)是交流电流。

6.根据权利要求5所述的加热装置，包括：直流电源(12)，被预先设置成用于供应预定电流；电容器(13)，与所述直流电源(12)并联连接；所述电容器(13)和所述直流电源介于所述电源(10)和所述加热器(2)之间；低通滤波器(14)，定位成与所述加热器(2)并联并且连接到所述控制模块(4)。

7.根据权利要求6所述的加热装置，其中，所述控制模块(4)被预先设置成通过检测在所述低通滤波器(14)的输出处的直流电压而测量所述加热器(2)的温度。

8.根据前述权利要求中任一项所述的加热装置，其中，所述加热器(2)以预定构造沉积在热绝缘且电绝缘的材料的平坦表面(22)上。

9.根据前述权利要求中任一项所述的加热装置，包括：加热单元(20)，所述加热单元包括串联或并联连接在一起的两个或更多个加热器(2)。

10.一种加热装置，其中，加热器(2)具有管状构造。

11.根据前述权利要求中任一项所述的加热装置，其中，所述控制模块(4)被预先设置成用于：检测达到所述加热器(2)的确定温度所需的时间；将所检测的时间与基准时间比较；在所检测的时间短于所述基准时间的情况下，所述控制模块(4)增加由所述电源(1、10)供应的电力，和/或增加所述加热器(2)与待加热的对象之间的接触时间。

12.根据前述权利要求中任一项所述的加热装置，其中，所述控制模块(4)具有在其存储器中存储的一种或多种待加热的材料或物质的比热，并且预先设置成通过待供应的总热量与所述材料或物质的比热之间的比率而计算由所述加热器(2)加热的材料或物质的质量。

13.根据权利要求10所述的加热装置，其中，所述加热器(2)被设置成在待加热的流体的低温度区域或入口区域中与电源(1)的电子部件的散热器(40)接触。

14.一种加热装置，包括：

加热器(2)，由根据温度而电阻可变的材料制成；

交流电流的电源(1、10)，借助于电连接件(8、9)连接到所述加热器(2)，用于发送流过所述加热器(2)的电流；

控制模块(4)，被预先设置成用于调节由所述电源(1)供应的电流；

测量连接件(6、7)，位于所述加热器(2)的端处并连接到所述控制模块(4)，所述控制模块(4)通过计算在所述加热器(2)的端处存在的电压与流过所述加热器(2)的电流之间的比率来测量所述加热器(2)的电阻，该电压和该电流是借助于所述测量连接件(6、7)而检测的，

其特征在于，所述加热装置包括：

直流电源(12)，被预先设置成用于供应预定电流；

电容器(13)，与所述直流电源(12)并联连接，所述电容器(13)和所述直流电源介于所述电源(10)和所述加热器(2)之间；

低通滤波器(14)，定位成与所述加热器(2)并联并且连接到所述控制模块(4)。