CN109340874A - 一种基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器，包括：螺旋形肋片加热体、下方管道、中间管道、上方管道、枝状散热单元、电磁感应线圈；所述螺旋形肋片加热体位于下方管道的内部，与下方管道同轴且贯穿其中，螺旋形肋片加热体与下方管道的两端均通过圆环形封头、密封胶塞进行密封；所述螺旋形肋片加热体的外壁面上具有螺旋形肋片，螺旋形肋片加热体的内部沿长度方向设置有电磁感应线圈，该电磁感应线圈能穿过密封胶塞与外界电源相连；在上方管道上同时缠绕有电磁感应线圈，上方管道上缠绕的电磁感应线圈与上方管道外径相匹配。该电暖器通过使用磁性纳米流体提高热媒介质的导热系数，提高加热速度，减少预热时间，使加热过程更加均匀稳定。
Description
技术领域
本发明涉及家用电加热采暖设备领域，具体涉及一种基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器。
背景技术
在南方缺少集中供暖的地区以及北方寒冷地区，为保持环境舒适需要依靠电暖器、空调等加热采暖设备进行辅助加热，电暖器可广泛应用于住宅、办公场所、宾馆、医院等民用建筑及公共场所中。辐射换热与自然对流换热是电暖器的主要工作方式，即通过散热片表面的高温及大的表面积对环境空气进行有效加热。而在电暖器的内部，热媒介质的自然对流是对热媒介质加热的主要方式。
目前，常见的电暖器普遍以水或导热油为热媒介质，但热媒介质水的自然对流的换热系数较低，导热油的预热时间较长且所需功率较大。另外，电暖器中的加热装置常采用圆管形电加热棒，其有效加热面积较小且在加热过程中的导热热阻较大，如专利号201721284997.3的中国专利公开的一种新型的油汀电暖器，以及申请号201711319626.9的中国专利公开的板式油汀电暖器，其热媒介质为导热油，且使用圆形加热棒进行加热，由于导热油的比热容较大故其初始加热时间较长，在达到相同加热温度的条件下，所需的加热功率以及所需加热量均较大，不利于降低能耗，另外由于加热热媒介质的过程中，导热油会在圆形加热棒上形成厚厚的温度边界层，加热棒的热量不能进行高效传递，阻碍了其对流换热过程降低了导热油的对流传热系数，故其加热效率较低。总之，热媒介质的选用及电加热器形式的改进是目前市场上的电暖器所急需面对和解决的问题。
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，提出了一种基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器，通过使用磁性纳米流体可以通过磁性纳米粒子的扰动作用提高热媒介质的导热系数，提高加热速度，减少预热时间，另外使用螺旋形肋片加热体可提高热媒介质的对流换热系数，并使加热过程更加均匀稳定。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器，包括：螺旋形肋片加热体、下方管道、中间管道、上方管道、枝状散热单元，在上、下方管道之间等间距布置有多个中间管道，中间管道一端与上方管道下端连接，一端与下方管道上端连接；在上方管道的两端均设置有管道封头；上述的上方管道、中间管道和下方管道构成热媒管道，在热媒管道中流动有磁性纳米流体热媒；其特征在于，
该电暖器还包括电磁感应线圈；所述螺旋形肋片加热体位于下方管道的内部，与下方管道同轴且贯穿其中，螺旋形肋片加热体与下方管道的两端均通过圆环形封头、密封胶塞进行密封；所述螺旋形肋片加热体的外壁面上具有螺旋形肋片，螺旋形肋片加热体的内部沿长度方向设置有电磁感应线圈，该电磁感应线圈能穿过密封胶塞与外界电源相连；在上方管道上同时缠绕有电磁感应线圈，上方管道上缠绕的电磁感应线圈与上方管道外径相匹配；位于螺旋形肋片加热体的内部的电磁感应线圈直径小于螺旋形肋片加热体的内径。
与现有电暖器相比，本发明的有益效果为：
1、本发明创新性地使用磁性纳米流体作为加热工质，同时结构上，在上方管道上缠绕电磁感应线圈以及在下方管道内部设置电磁感应线圈；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，两线圈产生的交变磁场可以影响包括上方管道、中间管道和下方管道在内的所有热媒管道，一方面可以使磁性纳米粒子与导热油的相互作用加剧，提高磁性纳米流体的局部对流换热系数，另一方面磁性纳米粒子的运动可降低传热热阻，从而提高其局部导热系数，缩短加热时间，磁性纳米流体选择导热油为基液，导热油的比热容较大，储存热量较多，温度上限更高，能够满足热负荷较大的环境对热量的需求，同时电磁加热方式的加热效率及加热速度较快，也可满足加热导热油所需的较大热量，尤其适用于房间较大所需热负荷较大的环境中。
2、本发明电暖器中的螺旋形肋片加热体可以通过螺旋形肋片增加有效加热面积，同时可破坏传热过程中的热边界层，从而减小加热热阻，提高热媒介质与加热体之间的对流换热系数，从而达到更高的加热效率；同时在螺旋形肋片加热体内部布置电磁感应线圈，下方管道的两端均通过圆环形封头、密封胶塞进行密封，螺旋形肋片加热体贯穿下方管道，提高了加热效率，并保证了电磁场的作用范围。
3、本发明枝状散热单元的形式可以通过枝状分叉结构增加散热翅片的数量，进而增加电暖器有效散热面积，以便于提高散热能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的设计方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明一种基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器的立体结构示意图；
图2为本发明一种基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器沿整体中心线纵切后的剖面示意图；
图3为本发明一种基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器的螺旋形肋片加热体的结构示意图；
图4为本发明一种基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器的枝状散热单元的立体结构示意图；
图5为本发明一种基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器的枝状散热单元的横截面示意图；
图中，螺旋形肋片加热体1，下方管道2，中间管道3，上方管道4，枝状散热单元5，管道封头6，圆环形封头7，密封胶塞8，电磁感应线圈9。
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，但所述实施例仅为示例说明作用，并不以此作为对本发明保护范围的限定。
本发明一种基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器(简称电暖器，参见图1-5)包括：螺旋形肋片加热体1、下方管道2、中间管道3、上方管道4、枝状散热单元5和电磁感应线圈9；在上、下方管道之间等间距布置有多个中间管道3，中间管道3一端与上方管道下端连接，一端与下方管道上端连接；在上方管道的两端均设置有管道封头6；所述螺旋形肋片加热体1位于下方管道2的内部，与下方管道2同轴且贯穿其中，螺旋形肋片加热体1与下方管道2的两端均通过圆环形封头7、密封胶塞8进行密封，上述的上方管道、中间管道和下方管道构成热媒管道，在热媒管道中流动有磁性纳米流体热媒；所述螺旋形肋片加热体1的外壁面上具有螺旋形肋片，螺旋形肋片加热体1的内部沿长度方向设置有电磁感应线圈9，可穿过密封胶塞8与外界电源相连；在上方管道上同时缠绕有电磁感应线圈9，上方管道上缠绕的电磁感应线圈与上方管道外径相匹配；位于螺旋形肋片加热体的内部的电磁感应线圈直径略小于螺旋形肋片加热体的内径；
所述枝状散热单元5的横截面为矩形，包括四个结构相同的枝状散热部分51，四个枝状散热部分以相应的中间管道为中心呈前后、左右对称布置，每个枝状散热部分的主干上连接多个直散热翅片，且位于主干一侧的多个直散热翅片相互平行，主干的根部连接中间管道。
螺旋形肋片加热体1的螺旋形肋片可以通过焊接的形式根据所述设计尺寸进行布置，螺旋形肋片加热体1的内径10-15mm，长度与下方管道2的长度相同，螺旋形肋片的高度2-5mm，肋片间距为5-10mm。螺旋形肋片加热体1采用电磁加热的方式，即利用导体在交变磁场中产生感应电流(涡流)的热效应使导体本身发热，螺旋形肋片可以增加螺旋形肋片加热体1的有效加热面积，同时可以减薄或缩短加热过程产生的热边界层，进而减小对流换热过程中的传热热阻；另外，螺旋形肋片加热体1中的电磁感应线圈9以及上方管道4缠绕的电磁感应线圈9可以通过产生磁场增强磁性纳米粒子的扰动作用，使热媒管道中的边界层减薄、降低传热热阻，同时增强纳米颗粒的导热过程，进而强化磁性纳米流体的换热性能，提高电暖器的加热效率，减少预热时间。
进一步，所述上方管道与下方管道的尺寸均相同，直径为30mm，长度为700-750mm，上方管道与下方管道之间的距离为550-600mm；中间管道的直径20mm，相邻中间管道之间的间距为110-115mm，中间管道通过焊接连接在上方管道和下方管道上。
进一步，所述枝状散热单元还包括单支散热直翅片52，单支散热直翅片位于两个枝状散热部分之间，且单支散热直翅片与相邻的枝状散热部分一侧的直散热翅片平行，且间距相等；单支散热直翅片52的一端直接连接中间管道。
所述枝状散热单元中位于前后侧面上的直散热翅片之间的间距大于位于左右侧面上的直散热翅片之间的间距。位于前后侧面上的直散热翅片之间的间距是位于左右侧面上的直散热翅片之间的间距的1.1～1.5倍。
枝状散热单元的直散热翅片及单支散热直翅片的材质均为铝合金材料，每个翅片的厚度为1mm，枝状散热单元的整体长度为100-110mm，宽度为65-75mm，高度为470-520mm，相邻两个枝状散热单元之间的间距为5-10mm。
枝状散热单元5可有效增加与外界环境的对流换热面积以及辐射换热面积，提高换热量，缩短对外界环境的加热时间。
本发明的工作原理为：在螺旋形肋片加热体1中的电磁感应线圈9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1时会在螺旋形肋片加热体内产生小涡流，使螺旋形肋片加热体发热进而对磁性纳米流体进行加热，由于所述螺旋形肋片加热体1具有螺旋形肋片因而加热面积得到提高；另外通过调整两个电磁感应线圈中交变电流的大小、频率来保证两个电磁感应线圈9同时通电时产生的交变磁场可以影响包括上方管道、中间管道和下方管道在内的所有热媒管道：一方面可以使磁性纳米粒子与导热油的相互作用加剧，提高磁性纳米流体的局部对流换热系数增强换热效果，另一方面可通过磁性纳米粒子的运动降低传热热阻，提高局部导热系数，使加热过程更加均匀、加热效率更高；磁性纳米流体在螺旋形肋片加热体1的加热下，温度升高密度变小在重力作用下逐渐向上运动，同时上方温度较低的热媒介质向下运动；加热后的磁性纳米流体在中间管道3中通过枝状散热单元5进行散热，枝状散热单元5紧密型的翅片布置形式可增加电暖器的散热面积，进而增强散热效果。
本发明中所述磁性纳米流体是将磁性纳米颗粒与导热油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/导热油磁性纳米流体或其他具有铁磁性的纳米流体。所述磁性纳米流体为Fe3O4/导热油磁性纳米流体，Fe3O4纳米粒子的质量分数为0.1～0.3％。纳米粒子质量分数的大小，会影响其热物性，如流体粘度、换热系数及比热容，过大过小都不利于提高加热效率。
实施例1
本实施例基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器，包括：螺旋形肋片加热体1、下方管道2、中间管道3、上方管道4、枝状散热单元5、电磁感应线圈9，在上、下方管道之间等间距布置有多个中间管道3，中间管道3一端与上方管道下端连接，一端与下方管道上端连接；在上方管道的两端均设置有管道封头6；上述的上方管道、中间管道和下方管道构成热媒管道，在热媒管道中流动有磁性纳米流体热媒；所述螺旋形肋片加热体1位于下方管道2的内部，与下方管道2同轴且贯穿其中，螺旋形肋片加热体1与下方管道2的两端均通过圆环形封头7、密封胶塞8进行密封；所述螺旋形肋片加热体1的外壁面上具有螺旋形肋片，螺旋形肋片加热体1的内部沿长度方向设置有电磁感应线圈9，该电磁感应线圈能穿过密封胶塞8与外界电源相连；在上方管道上同时缠绕有电磁感应线圈9，上方管道上缠绕的电磁感应线圈与上方管道外径相匹配；位于螺旋形肋片加热体的内部的电磁感应线圈直径小于螺旋形肋片加热体的内径。
本实施例磁性纳米流体为Fe3O4/导热油磁性纳米流体，Fe3O4纳米粒子的质量分数为0.15％。
实施例2
本实施例一种基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器，包括：螺旋形肋片加热体1、下方管道2、中间管道3、上方管道4、枝状散热单元5、管道封头6、圆环形封头7、密封胶塞8和电磁感应线圈9。
如图1所示，在上、下方管道之间等间距布置有多个中间管道3，中间管道3一端与上方管道下端连接，一端与下方管道上端连接；在上方管道4的两端均设置有管道封头6；所述螺旋形肋片加热体1位于下方管道2的内部，与下方管道2同轴且贯穿其中，螺旋形肋片加热体1与下方管道2的两端均通过圆环形封头7、密封胶塞8进行密封，上述的上方管道、中间管道和下方管道构成热媒管道，在热媒管道中流动有磁性纳米流体热媒；螺旋形肋片加热体1的外壁面上具有螺旋形肋片，螺旋形肋片加热体1的内部沿螺旋形肋片加热体的长度方向设置有电磁感应线圈9，该电磁感应线圈可穿过密封胶塞8与外界电源相连；另外，在上方管道4上同时缠绕有电磁感应线圈9，上方管道上缠绕的电磁感应线圈与上方管道外径相匹配。
本实施例中，上方管道4与下方管道2的尺寸均相同，直径为30mm，长度为750mm，上方管道与下方管道之间的距离为600mm；中间管道3的直径20mm，相邻中间管道之间的间距为115mm，中间管道通过焊接连接在上方管道和下方管道上。螺旋形肋片加热体1的螺旋形肋片可以通过焊接的形式根据所述设计尺寸进行布置，螺旋形肋片加热体1的内径15mm，长度与下方管道2的长度相同，螺旋形肋片的高度5mm，肋片间距为10mm，位于螺旋形肋片加热体内的电磁感应线圈9的直径10mm。
枝状散热单元5的横截面为矩形，包括四个结构相同的枝状散热部分51以及单支散热直翅片52，枝状散热单元5的直散热翅片及单支散热直翅片的材质均为铝合金材料，每个翅片的厚度为1mm，枝状散热单元的整体长度为110mm，宽度为75mm，高度为520mm，相邻两个枝状散热单元5之间的间距为5mm。枝状散热单元5中位于前后侧面上的直散热翅片之间的间距是位于左右侧面上的直散热翅片之间的间距的1.5倍。
本实施例中，所述磁性纳米流体为Fe3O4/导热油磁性纳米流体，纳米Fe3O4的质量分数为0.1％。本实施例中的电暖器可强化加热效果、减少预热时间，磁性纳米流体在螺旋形肋片加热体1及电磁感应线圈9产生的磁场的作用下，可增加电磁加热过程的对流换热面积、减薄热边界层减小传热热阻，又可提高中间管道处热媒介质的对流换热系数，进而强化枝状散热单元5的散热效果。在相同的加热功率1000W下，保持相同20min的加热时间，本实施例中的热媒温度升高了24℃，而相同参数下应用普通圆管电加热体、热媒为导热油的电暖器温度升高了20℃，故本实施例可提高加热速度，缩短预热时间。
实施例3
本实施例一种基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器各部分的组成结构与连接方式同实施例2，不同之处在于，本实施例中，上方管道4与下方管道2的尺寸均相同，直径为30mm，长度为700mm，上方管道与下方管道之间的距离为550mm；中间管道3的直径20mm，相邻中间管道之间的间距为110mm，中间管道通过焊接连接在上方管道和下方管道上。螺旋形肋片加热体1的内径10mm，长度与下方管道2的长度相同，螺旋形肋片的高度3mm，肋片间距为5mm，位于螺旋形肋片加热体内的电磁感应线圈9的直径6mm。
枝状散热单元5的横截面为矩形，包括四个结构相同的枝状散热部分51以及单支散热直翅片52，枝状散热单元5的直散热翅片及单支散热直翅片的材质均为铝合金材料，每个翅片的厚度为1mm，枝状散热单元的整体长度为100mm，宽度为65mm，高度为470mm，相邻两个枝状散热单元5之间的间距为10mm。枝状散热单元5中位于前后侧面上的直散热翅片之间的间距是位于左右侧面上的直散热翅片之间的间距的1.1倍。
本实施例中，纳米Fe3O4的质量分数为0.1％。在相同的加热功率1000W下，保持相同20min的加热时间，本实施例中的热媒温度升高了25℃，而相同参数下应用普通圆管电加热体、热媒为导热油的电暖器温度升高了21℃，故本实施例同样可提高加热速度，缩短预热时间。
实施例4
本实施例一种基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器，包括：螺旋形肋片加热体1、下方管道2、中间管道3、上方管道4、枝状散热单元5、管道封头6、圆环形封头7、密封胶塞8和电磁感应线圈9。
在上、下方管道之间等间距布置有多个中间管道3，中间管道3一端与上方管道下端连接，一端与下方管道上端连接；在上方管道4的两端均设置有管道封头6；所述螺旋形肋片加热体1位于下方管道2的内部，与下方管道2同轴且贯穿其中，螺旋形肋片加热体1与下方管道2的两端均通过圆环形封头7、密封胶塞8进行密封，上述的上方管道、中间管道和下方管道构成热媒管道，在热媒管道中流动有磁性纳米流体热媒；螺旋形肋片加热体1的外壁面上具有螺旋形肋片，螺旋形肋片加热体1的内部连接有电磁感应线圈9，可穿过密封胶塞8与外界电源相连；在上方管道4上同时缠绕有电磁感应线圈9，上方管道上缠绕的电磁感应线圈与上方管道外径相匹配；
枝状散热单元5的横截面为矩形，包括四个结构相同的枝状散热部分51以及单支散热直翅片52，四个枝状散热部分以相应的中间管道为中心呈前后、左右对称布置，每个枝状散热部分的主干上连接多个直散热翅片，且位于主干一侧的多个直散热翅片相互平行，主干的根部连接中间管道。单支散热直翅片位于两个枝状散热部分之间，且单支散热直翅片与相邻的枝状散热部分一侧的直散热翅片平行，且间距相等；单支散热直翅片52的一端直接连接中间管道。枝状散热单元5中位于前后侧面上的直散热翅片之间的间距是位于左右侧面上的直散热翅片之间的间距的1.4倍。
本实施例所述磁性纳米流体为Fe3O4/导热油磁性纳米流体，Fe3O4纳米粒子的质量分数为0.2％。
上述实施例2-4的电暖器稳定工作后均可保持的枝状散热单元的表面温度达到85-90℃，而普通圆管电加热体、热媒为导热油的电暖器仅可达70-75℃，储存热量更多，温度上限更高，能用于更大负荷情况。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (8)
1.一种基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器，包括：螺旋形肋片加热体、下方管道、中间管道、上方管道、枝状散热单元，在上、下方管道之间等间距布置有多个中间管道，中间管道一端与上方管道下端连接，一端与下方管道上端连接；在上方管道的两端均设置有管道封头；上述的上方管道、中间管道和下方管道构成热媒管道，在热媒管道中流动有磁性纳米流体热媒；其特征在于，
该电暖器还包括电磁感应线圈；所述螺旋形肋片加热体位于下方管道的内部，与下方管道同轴且贯穿其中，螺旋形肋片加热体与下方管道的两端均通过圆环形封头、密封胶塞进行密封；所述螺旋形肋片加热体的外壁面上具有螺旋形肋片，螺旋形肋片加热体的内部沿长度方向设置有电磁感应线圈，该电磁感应线圈能穿过密封胶塞与外界电源相连；在上方管道上同时缠绕有电磁感应线圈，上方管道上缠绕的电磁感应线圈与上方管道外径相匹配；位于螺旋形肋片加热体的内部的电磁感应线圈直径小于螺旋形肋片加热体的内径。
2.根据权利要求1所述的基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器，其特征在于，所述枝状散热单元的横截面为矩形，包括四个结构相同的枝状散热部分，四个枝状散热部分以相应的中间管道为中心呈前后、左右对称布置，每个枝状散热部分的主干上连接多个直散热翅片，且位于主干一侧的多个直散热翅片相互平行，主干的根部连接中间管道。
3.根据权利要求2所述的基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器，其特征在于，所述枝状散热单元还包括单支散热直翅片，单支散热直翅片位于两个枝状散热部分之间，且单支散热直翅片与相邻的枝状散热部分一侧的直散热翅片平行，且间距相等；单支散热直翅片的一端直接连接中间管道。
4.根据权利要求3所述的基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器，其特征在于，所述枝状散热单元中位于前后侧面上的直散热翅片之间的间距大于位于左右侧面上的直散热翅片之间的间距。
5.根据权利要求3所述的基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器，其特征在于，枝状散热单元的直散热翅片及单支散热直翅片的材质均为铝合金材料，每个翅片的厚度为1mm，枝状散热单元的整体长度为100-110mm，宽度为65-75mm，高度为470-520mm，相邻两个枝状散热单元之间的间距为5-10mm。
6.根据权利要求1所述的基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器，其特征在于，所述上方管道与下方管道的尺寸均相同，直径为30mm，长度为700-750mm，上方管道与下方管道之间的距离为550-600mm；中间管道的直径20mm，相邻中间管道之间的间距为110-115mm，中间管道通过焊接连接在上方管道和下方管道上。
7.根据权利要求1所述的基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器，其特征在于，螺旋形肋片加热体的内径为10-15mm，长度与下方管道的长度相同，螺旋形肋片的高度2-5mm，肋片间距为5-10mm。
8.根据权利要求1所述的基于交变磁场和电磁感应原理的电暖器，其特征在于，所述磁性纳米流体为Fe3O4/导热油磁性纳米流体，Fe3O4纳米粒子的质量分数为0.1％。
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