CN110248437A - 一种储热式双工质电磁感应采暖加热器及其采暖加热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种储热式双工质电磁感应采暖加热器，所述电磁感应采暖加热器(15)为双层套筒形的加热器，其由内向外依次包括：内层管壁(2)、外层管壁(4)、绝缘材料(5)、电磁感应线圈(6)和若干导磁体(7)；其中，内层管壁(2)的内侧形成一个内层流道(1)，内层管壁(2)与外层管壁(4)之间形成一个外层流道(3)，电磁感应线圈(6)同时在内层管壁(2)和外层管壁(4)中产生涡电流，进而产生热量，用于加热内层流道(1)中的流体和外层流道(3)中的流体；所述内层流道(1)中的流体为水；所述外层流道(3)中的流体为导热油。
Description
技术领域
本发明属于电磁感应加热技术领域，具体涉及一种储热式双工质电磁感应采暖加热器及其采暖加热系统。
背景技术
电磁感应加热是一种环保、节能、效率高的加热方式，其原理是将交变电流，通过电感线圈转换成交变磁场后，作用于处于电磁场中的金属工件上，使金属工件中产生涡电流，由涡电流产生的热量对金属工件加热，使金属工件在短时间内急剧升温，达到加热目的。
目前，现有的电磁感应采暖加热器是一种利用电磁感应加热的原理进行采暖的装置，如图1所示，其由内向外依次包括：钢制供暖水管、绝缘材料5、高频感应线圈6和若干导磁体7。其主要工作原理：由外部的驱动控制系统为缠绕在钢制供暖水管上的高频感应线圈6提供20000Hz以上的高频交流电，在高频感应线圈6中部的空间形成高频变化的磁场，在钢制供暖水管的管壁18上形成无数涡电流，产生热量，从而快速加热管路中的采暖循环水。由于直接快速加热供暖管路，现有的电磁感应采暖加热器具有热耗散少、加热效率高、方便快速启停等优点。但是，现有的电磁感应采暖加热器具有如下缺陷：
1)循环水在钢制供暖水管的管内流动时，其温度分布并不均匀。具体地，位于流道外部靠近管壁18的流体会首先被加热，热量再通过对流换热逐渐扩散到流道中心19，在流道中心19的主体水流温度依然较低、仅仅略高于入口温度的情况下，靠近所述管壁18的流体温度已经剧烈升高。对于功率较大的电磁采暖加热器，靠近管壁18的流体温度甚至可以迅速达到沸点，在管壁18上形成水蒸气气泡甚至气膜，导致传热系数突然变小，传热效果急剧恶化，热量无法及时被流体带走，在流道中心19的温度无法及时升高的同时，管壁18的温度却迅速升高，严重的可以造成管壁18被高温破坏。现有技术方案主要通过监测管壁18的温度进行过温保护。当管壁18的温度接近水的沸点时，外部的驱动控制系统会切断高频感应线圈6的电流。这种方法可以有效防止管壁汽化，保护管壁材料。但是，对于大功率机组来说，由于高频电磁感应线圈6加热管壁18的速率显著快于热量从靠近管壁的流体传递到流道中心19的速率，在靠近管壁的流体的温度已经接近沸点时，平均出口水温可能还很低，因此，仅有过温保护控制的系统会造成在平均出口温度升高有限的情况下，电磁感应加热器就经常被迫频繁、长时间停止工作，导致电磁感应采暖技术无法充分发挥其加热速率高的优势。
2)现有电磁采暖技术普遍没有配置高能量密度的储热系统，无法利用峰谷电价差，在夜间电价便宜的时候工作、储能，在日间电价高昂的时候使用储存起来的能量，降低电磁采暖使用成本。目前，电磁采暖技术配置的储热系统通常为能量密度较低的大型水箱，存在占地面积过大，体积过大的问题。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有的电磁感应加热采暖器存在上述缺陷，本发明提供出了一种储热式双工质电磁感应采暖加热器，所述采暖加热器为双层套筒形的加热器，其由内向外依次包括：内层管壁、外层管壁、绝缘材料、电磁感应线圈和若干导磁体；其中，内层管壁的内侧形成一个内层流道，内层管壁与外层管壁之间形成一个外层流道，电磁感应线圈同时在内层管壁和外层管壁中产生涡电流，进而产生热量，用于加热内层流道中的流体和外层流道中的流体；内层流道中的流体为水；外层流道中的流体为导热油。
在上述技术方案中，内层管壁和外层管壁均采用耐温400℃以上的碳钢或不锈钢材料制成，具有较高的导磁率，用于吸收电磁，产生热量。
在上述技术方案中，由于外层管壁距离线圈的距离比内层管壁距离线圈的距离更近，外层流道的磁场密度大于内层流道中的磁场密度，导致外层流道中的加热功率大于内层流道中的加热功率。
在上述技术方案中，所述导磁体用于引导和聚集磁场。
基于上述的储热式双工质电磁感应采暖加热器，本发明还提供了一种采暖加热系统，其包括：导热油循环子系统和水循环子系统；内层流道为循环水流道；外层流道为循环导热油流道；其中，循环水流道和循环导热油流道的轴向长度、径向体积均需根据供暖功率的大小来设定。其中，
所述导热油循环子系统采用导热油作为加热介质和储热介质，形成一个导热油路循环；所述导热油循环子系统进一步包括：电磁感应采暖加热器、立式储热油罐、油泵和驱动控制单元；所述电磁感应采暖加热器、立式储热油罐、油泵依次顺序连接，形成一个闭合回路；电磁感应采暖加热器还与驱动控制单元连接。
所述导热油循环子系统的工作过程分为加热阶段、储热阶段、换热阶段；具体地，
在导热油路循环中，驱动控制单元给电磁感应采暖加热器通电加热时，位于立式储热油罐下部温度较低的导热油将被油泵输送至电磁感应采暖加热器的外层流道，由内层管壁、外层管壁同时对外层流道中的导热油进行加热，当导热油的温高于内层管壁的温度时，高温导热油作为加热介质，将热量传递给内层流道中的循环水；之后，导热油由立式储热罐的上部进入立式储热罐中。当内层流道中的循环水的温度被加热到接近沸点时，加热过程结束。加热的过程由驱动控制单元进行精确控制，尽量保证只在电费较便宜的夜间等时段进行。
在储热时，导热油储存于立式储热罐中。通过对立式储热罐进行良好保温，其单位时间温度下降不明显。由于导热油的粘度较大，其在圆柱形储热罐中会出现良好的自然分层，即上层为热油，下层为冷油，有利于在换热时保持较高的油温。
在换热时，高温导热油由立式储热罐的上部被抽入电磁感应采暖加热器的外层流道，所述电磁感应采暖加热器此时的作用相当于一个套管式换热器，需要加热的水由下部进入电磁感应采暖加热器的内层流道，与高温导热油进行逆流换热。由于导热油的温度远高于水温，可以保证足够的水温进行供暖。冷却后的导热油经油泵从立式储热罐的下部回到立式储油罐。当立式储油罐内导热油的温度低于换热需求时，驱动控制单元再给电磁感应采暖加热器通电加热。
所述水循环子系统采用水作为循环介质，形成一个水循环；所述水循环子系统进一步包括：电磁感应采暖加热器、采暖散热器、驱动控制单元和循环水泵；所述电磁感应采暖加热器、采暖散热器、循环水泵依次顺序连接，形成一个闭合回路。
具体地，在水路循环中，驱动控制单元给电磁感应采暖加热器通电加热时，位于电磁感应采暖加热器的内层流道中的循环水将由内层管壁进行加热，其能量来源于内层管壁受高频交变磁场产生的涡电流和外层流道中的高温导热油的向内传热。而在换热阶段中，热量则只来源于外层流道中的高温导热油的向内传热。在电磁感应采暖加热器中受热后，循环水由循环水泵驱动，从循环水出口离开电磁感应加热器，进入采暖散热器中将热量散发给建筑室内空间，之后从循环水进口流回至电磁感应采暖加热器的内层流道继续受热，形成一个循环。
本发明的优点在于：
由于导热油的沸点一般在300℃以上，远高于水的沸点100℃；因此，在加热功率不变的情况下，可以延长单次加热周期中的加热时长，而不出现流体汽化的问题。从而减少单位时间内过温保护启动的次数，提高电磁加热采暖系统的时均加热功率。此外，由于内层流道的直径较小，而外层流道的截面为环形、且内层管壁也会对导热油进行加热，因此，内层流道、外层流道的受热面积都比较大，流道中的温度的分布会更加均匀，避免了传统电磁加热器的大直径单层流道中，中心流道的流体温度明显低于靠近管壁的流体温度的问题，实现全部流体的快速整体均匀加热，进一步提升加热效率。
而立式储热油罐的引入使得该系统拥有了高温储热功能。相比于储热水箱，立式储热油罐可以使用较少的空间与占地面积，储存更多的热能。充分利用电磁感应加热技术的加热速率快的特点，在电费较低时加热耗电，在电费较高的时段利用储存起来的热能，减少用户使用成本。立式储热油罐可以作为需求侧的电力负荷响应的接收端，参与电网调峰，提高新能源电力接入，在电力市场中为用户以可变负荷的形式参与电力交易提供了可能。
附图说明
图1是现有技术的电磁感应采暖加热器的结构示意图；
图2是本发明的一种储热式双工质电磁感应采暖加热器的结构示意图；
图3是本发明的一种储热式双工质电磁感应采暖加热器的主视图；
图4是本发明的一种双工质电磁采暖加热系统的示意图。
附图说明：
1、内层流道 2、内层管壁
3、外层流道 4、外层管壁
5、绝缘材料 6、电磁感应线圈
7、导磁体 8、第一导热油口
9、第二导热油口 10、循环水进口
11、循环水出口 12、驱动控制单元
13、立式储热油罐 14、油泵
15、电磁感应采暖加热器 16、采暖散热器器
17、循环水泵 18、管壁
19、中心流道
具体实施方式
如图2和3所示，本发明提供出了一种储热式双工质电磁感应采暖加热器15，所述采暖加热器为双层套筒形的加热器，其由内向外依次包括：内层管壁2、外层管壁4、绝缘材料5、电磁感应线圈6和若干导磁体7；其中，内层管壁2的内侧形成一个内层流道1，内层管壁2与外层管壁4之间形成一个外层流道3，电磁感应线圈6同时在内层管壁2和外层管壁4中产生涡电流，进而产生热量，用于加热内层流道1中的流体和外层流道3中的流体；内层流道1中的流体为水；外层流道3中的流体为导热油。
在上述技术方案中，内层管壁2和外层管壁4均采用耐温400℃的高碳钢、不锈钢材料制成，具有较高的导磁率，用于吸收电磁，产生热量。
在上述技术方案中，由于外层流道3距离电磁感应线圈6的距离比内层管壁3距离线圈的距离更近，外层流道3中的磁场密度大于内层流道1中的磁场密度，导致外层流道3中的加热功率大于内层流道1中的加热功率。
在上述技术方案中，所述导磁体7用于引导和聚集磁场。
在上述技术方案中，所述绝缘材料5优选为环氧树脂。
基于上述的储热式双工质电磁感应采暖加热器15，如图4所示，本发明还提供了一种采暖加热系统，其包括：导热油循环子系统和水循环子系统；内层流道1为循环水流道；外层流道3为循环导热油流道；其中，循环水流道和循环导热油流道的轴向长度、径向体积均可根据供暖功率的大小来设定。其中，
所述导热油循环子系统采用导热油作为加热介质和储热介质，形成一个导热油路循环；所述导热油循环子系统进一步包括：电磁感应采暖加热器15、立式储热油罐13、油泵14和驱动控制单元12；所述电磁感应采暖加热器15、立式储热油罐13、油泵14依次顺序连接，形成一个闭合回路；电磁感应采暖加热器15还与驱动控制单元12连接。其中，经过电磁感应采暖加热器15加热的导热油进入立式储热油罐13保存，在需要换热时，导热油进入电磁感应采暖加热器15的外层流道3与内层流道1的循环水换热。
其中，所述立式储热油罐13为立式圆柱形罐体，便于导油的热分层。
所述导热油循环子系统的工作过程分为加热阶段、储热阶段、换热阶段；具体地，
在导热油路循环中，驱动控制单元12给电磁感应采暖加热器15通电加热时，位于立式储热油罐13下部温度较低的导热油将被油泵14输送至电磁感应采暖加热器15的外层流道3，由内层管壁2、外层管壁4同时对外层流道3中的导热油进行加热，当导热油的温高于内层管壁2的温度时，高温导热油作为加热介质，将热量传递给内层流道1中的循环水；被循环加热到接近于水的沸点的温度后，导热油由立式储热罐13的上部，即第二导热油口9，进入立式储热罐13中。加热的过程由驱动控制单元12进行精确控制，尽量保证只在电费较便宜的夜间等时段进行。
在储热时，导热油储存于立式储热罐13中。通过对立式储热罐13进行良好保温，其单位时间温度下降不明显。由于导热油的粘度较大，其在圆柱形储热罐中会出现良好的自然分层，即上层为热油，下层为冷油，有利于在换热时保持较高的油温。
在换热时，高温导热油由第二导热油口9被抽入电磁感应采暖加热器15的外层流道3，所述电磁感应采暖加热器15相当于套管式换热器，需要加热的水由下部的循环水进口10进入电磁感应采暖加热器15的内层流道1，与高温导热油进行逆流换热。由于导热油的温度远高于水温，可以保证足够的水温进行供暖。冷却后的导热油经油泵从立式储热罐的下部的第一导热油口8回到立式储油罐。当立式储油罐内导热油的温度低于换热需求时，驱动控制单元12再给电磁感应采暖加热器15通电加热。
所述水循环子系统采用水作为循环介质，形成一个水循环；所述水循环子系统进一步包括：驱动控制单元12、电磁感应采暖加热器15、采暖散热器16和循环水泵17；所述电磁感应采暖加热器15、采暖散热器16、循环水泵17依次顺序连接，形成一个闭合回路。其中，经过电磁感应采暖加热器15加热的循环水进入采暖散热器16，散热后重新回到电磁感应采暖加热器15由电磁感应发热或导热油进行加热。
具体地，在水路循环中，驱动控制单元12给电磁感应采暖加热器15通电加热时，位于电磁感应采暖加热器15的内层流道1中的循环水将由内层管壁2进行加热，其能量来源于内层管壁2受高频交变磁场产生的涡电流和外层流道3中的高温导热油的向内传热。而在换热阶段中，热量则只来源于外层流道3中的高温导热油的向内传热。在电磁感应采暖加热器15中受热后，循环水由循环水泵17驱动，从循环水出口11离开电磁感应加热器15，进入采暖散热器16中将热量散发给建筑室内空间，之后从循环水进口10流回至电磁感应采暖加热器的内层流道1继续受热，形成一个循环。如图4所示在加热阶段，低温的导热油由储热罐13的下部进入储热罐13，高温的导热油由储热罐13的上部流出，为减少传热端差，采用顺流换热布置，需要被加热的低温循环水由下部进入；换热阶段，高温导热油从储热罐13的上部进入，低温导热油由下部流出，为了提高换热效果，改为逆流换热布置，循环水同样从温度较低的下部进入。
循环水的水量与流速需经过优化设计，或可按照实际情况进行实时调节与控制。
当导热油的温度或循环水的温度升高到设定温度区间上限(略高于供暖温度)时，电磁感应采暖加热器将停机，直到需要重新加热时重新启动。
当外层管壁4的温度升高到略低于导热油沸点的某一温度时，或内层管壁2的温度升高到略低于循环水沸点的某一温度时，所述储热式双工质电磁感应采暖加热器将启动过温保护，切断线圈电源，直到温度下降到过温保护的温度以下。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种储热式双工质电磁感应采暖加热器，其特征在于，所述电磁感应采暖加热器(15)为双层套筒形的加热器，其由内向外依次包括：内层管壁(2)、外层管壁(4)、绝缘材料(5)、电磁感应线圈(6)和若干导磁体(7)；其中，内层管壁(2)的内侧形成一个内层流道(1)，内层管壁(2)与外层管壁(4)之间形成一个外层流道(3)，电磁感应线圈(6)同时在内层管壁(2)和外层管壁(4)中产生涡电流，进而产生热量，用于加热内层流道(1)中的流体和外层流道(3)中的流体；所述内层流道(1)中的流体为水；所述外层流道(3)中的流体为导热油。
2.根据权利要求1所述的电磁感应采暖加热器，其特征在于，所述内层管壁(2)和外层管壁(4)均采用耐温400℃以上的碳钢或不锈钢材料制成。
3.根据权利要求1所述的电磁感应采暖加热器，其特征在于，所述导磁体(7)用于引导和聚集磁场。
4.一种基于权利要求1-3中任一上述的储热式双工质电磁感应采暖加热器的采暖加热系统，其特征在于，其包括：导热油循环子系统和水循环子系统；所述内层流道(1)为循环水流道；所述外层流道(3)为循环导热油流道。
5.根据权利要求4所述的采暖加热系统，其特征在于，所述导热油循环子系统采用导热油作为加热介质和储热介质，形成一个导热油路循环；所述导热油循环子系统进一步包括：电磁感应采暖加热器(15)、立式储热油罐(13)、油泵(14)和驱动控制单元(12)；所述电磁感应采暖加热器(15)、立式储热油罐(13)、油泵(14)依次顺序连接，形成一个闭合回路；电磁感应采暖加热器(15)还与驱动控制单元(12)连接。
6.根据权利要求4所述的采暖加热系统，其特征在于，所述水循环子系统采用水作为循环介质，形成一个水循环；所述水循环子系统进一步包括：驱动控制单元(12)、电磁感应采暖加热器(15)、采暖散热器(16)和循环水泵(17)；所述电磁感应采暖加热器(15)、采暖散热器(16)、循环水泵(17)依次顺序连接，形成一个闭合回路。
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