CN111726907A - 基于双层铁管结构的电磁感应加热装置及运行方法 - Google Patents

Abstract

基于双层铁管结构的电磁感应加热装置及运行方法，该加热装置的内部设有形成第一空腔的内层铁管，内层铁管的外壁包裹有保温棉层，保温棉层的外层缠绕有高频绕组线圈层，高频绕组线圈层的外层包覆有绝缘层，绝缘层的外层设有外层铁管，绝缘层与外层铁管形成第二空腔；外层铁管的两端分别设有上端盖和下端盖，第一空腔的上端盖和下端盖处分别连接有与该加热装置外界相连通的第一出水管道和第一进水管道，第二空腔的上端盖和下端盖处分别连接有与该加热装置外界相连通的第二出水管道和第二进水管道；与高频绕组线圈层对应的下端盖表面设有引线孔，高频绕组线圈层的绕线从引线孔引出并连接电源。

Description

基于双层铁管结构的电磁感应加热装置及运行方法

技术领域

本发明属于能量储存技术领域，具体涉及基于双层铁管结构的电磁感应加热装置及运行方法。

背景技术

在我国北方，冬季寒冷，供暖在每家每户中必不可少，由于传统的锅炉取暖方式以燃煤为主，环境污染严重。随着国内风电、光电规模逐渐加大，弃风弃光问题严重，清洁能源得不到及时消纳而浪费。热储能技术是将其他形式能量转换为热能，在有需求时输出热能，在不用时存储热能的技术，它可以用来解决风能和太阳能等能源系统使用过程中的不可持续问题。因此电磁感应加热技术凭着加热温度高、速率快、电热转换效率高、利用清洁能源、对环境污染小、能实现自动控制等众多优点应用于水加热是大势所趋，其可以消纳光电、风电等清洁能源用于供暖和储能，有巨大的应用前景。将风能和太阳能等清洁能源经加热装置变成热能来进行供暖是当下乃至未来供暖的一种重要形式，为在北部城市传统的冬季燃煤供热业提供了新的方法。感应加热又可称为电磁感应加热，基于高频(10-15KHz)的交变磁场的作用，靠感应线圈把电能传递给要加热的金属，在被加热工件内部产生感应涡流，依靠涡流的能量达到加热目的。感应加热与传统加热技术(烧油、烧气、烧煤)比较，传统加热方式基本上是通过热辐射进行加热，易造成被加热工件表面氧化，且利用率低、能耗大、大气环境污染严重；而感应加热是从被加热工件内部热传导进行加热，符合新时代绿色高效节能的加热方法，同时具有下列显著优点：(1)属于非接触式加热，被加热零件在加热过程中不易渗入杂质；(2)易于实现高功率密度，加热速度快，效率高，能耗小；(3)加热温度由工件表面向内部传导或渗透；

(4)温度容易控制、便于实现加热过程的自动化。由于感应加热拥有以上特点，使感应加热完全满足现代化生产的满足，这些优势使环境和劳动条件极大改善、人力节省和生产占地减少等；因此电磁感应加热已广泛应用于各个领域，尤其是在机械制造、冶金、生活等方面。为此，需要提出基于双层铁管结构的电磁感应加热装置及运行方法，且感应加热装置的各部件局部温升在合理范围内，保障电磁感应加热装置安全可靠地运行。并提供了一种有效的利用、存储风能及太阳能的方法，其经济效益优于先前的燃煤锅炉，因此成为了供暖加热系统的一种先进技术。

发明内容

发明目的：针对电磁感应加热装置单层铁管结构加热效果受热不均匀以及加热效率低的问题。

技术方案：基于双层铁管结构的电磁感应加热装置及运行方法，该加热装置的内部设有形成第一空腔的内层铁管，内层铁管的外壁包裹有保温棉层，保温棉层的外层缠绕有高频绕组线圈层，高频绕组线圈层的外层包覆有绝缘层，绝缘层的外层设有外层铁管，绝缘层与外层铁管形成第二空腔；所述外层铁管的两端分别设有上端盖和下端盖，第一空腔的上端盖和下端盖处分别连接有与该加热装置外界相连通的第一出水管道和第一进水管道，第二空腔的上端盖和下端盖处分别连接有与该加热装置外界相连通的第二出水管道和第二进水管道；与高频绕组线圈层对应的下端盖表面设有引线孔，高频绕组线圈层的绕线从引线孔引出并连接电源。

所述内层铁管与外层铁管的长度均大于高频绕组线圈层的长度。

所述绝缘层的材质为PVC。

所述上端盖和下端盖与内层铁管、保温棉层、高频绕组线圈层、绝缘层和外层铁管的接触处均设有密封圈。

所述下端盖的四角分别设有固定螺纹孔。

基于双层铁管结构的电磁感应加热装置的运行方法：工频电源连接电磁感应加热装置专用加热电源，加热电源连接高频绕组线圈层并输入高频电流，当高频绕组线圈层接入高频电流时，高频绕组线圈层的两侧与线圈端部空间同时存在磁场，内层铁管与外层铁管的结构，充分利用空间中的磁场，将电能转换为内层铁管与外层铁管表面的热能，同时利用高频绕组线圈层端部的磁场能量；由于趋肤效应的作用，内层铁管和外层铁管感应加热的涡流损耗分别集中于内层铁管的外侧和外层铁管的内侧表层部分。

优点及效果：电磁感应加热装置的内层铁管和外层铁管的结构设计，充分利用了高频绕组线圈两侧产生的空间交变磁场能量，提高供电电源的加热效率；与单层铁管感应加热的结构相比，在相同供电电源作用下，内、外双层铁管结构的高频电磁感应加热装置感应出总的涡流损耗增大，同时涡流损耗分布在内层铁管的外侧和外层铁管的内侧表层，相比于单层铁管表层的生热率有所降低，完全避免了铁管的局部最高温升过大；

电磁感应加热装置的多水道冷却结构能够将铁管上的热量及时带走，同单层铁管加热结构相比，水的加热效果更为充分和均匀，避免铁管表层水流沸腾而产生气泡，保证电磁感应加热装置安全可靠地运行。

附图说明

图1为本发明电磁感应加热装置的整体结构的示意图；

图2为本发明电磁感应加热装置的下端盖示意图；

图3为本发明电磁感应加热装置的下端盖横截面的示意图；

图4为本发明电磁感应加热装置的不包含上下端盖示意图；

图5为本发明电磁感应加热装置的立体分解示意图；

图6为本发明电磁感应加热装置的整机剖面图；

图7为本发明电磁感应加热装置的上端盖示意图；

图8为本发明电磁感应加热装置的上端盖横截面的示意图；

图9为本发明电磁感应加热装置系统的原理图；

图10为本发明电磁感应加热装置加热电源结构框图；

图11为本发明电磁感应加热装置加热电源的三相输入电压波形图；

图12为本发明电磁感应加热装置加热电源的整流滤波后的电压波形图；

图13为本发明电磁感应加热装置加热电源的逆变桥输出电压电流波形图；

图14为LC谐振电路电流波形与锁相电路得到的与电流波形同相位的电压波形图；

图15为不同外层铁管内直径下的涡流损耗变化曲线图；

图16为本发明电磁感应加热装置的各部分最大温升值随入水口水流速度变化曲线；

图17为传统单层铁管结构电磁感应加热装置的二维磁力线分布云图；

图18为本发明电磁感应加热装置的二维磁力线分布云图；

图19为传统单层铁管温度场分布云图；

图20为本发明电磁感应加热装置的内层铁管的温度场分布云图；

图21为本发明电磁感应加热装置的外层铁管的温度场分布云图。

附图标记说明：1.固定螺纹孔、2.下端盖、3.第一进水口、4.第二进水口、 5.第一进水管道、6.第二进水管道、7.外层铁管、8.绝缘层、9.高频绕组线圈层、 10.保温棉层、11.内层铁管、12.上端盖、13.第一出水管道、14.第二出水管道、15.第一出水口、16.第二出水口、17.引线孔、18.磁力线。

具体实施方式

下面结合附图1-21对本发明做进一步的说明：

如图1-8所示，基于双层铁管结构的电磁感应加热装置及运行方法，该加热装置的内部设有形成第一空腔的内层铁管11，内层铁管11的外壁包裹有保温棉层10，保温棉层10的外层缠绕有高频绕组线圈层9，高频绕组

线圈层9的外层包覆有绝缘层8，绝缘层8的外层设有外层铁管7，绝缘层 8与外层铁管7形成第二空腔；外层铁管7的两端分别设有上端盖12和下端盖 1，第一空腔的上端盖12和下端盖1处分别设有第一出水口15和第一进水口3，并连接有与该加热装置外界相连通的第一出水管道13和第一进水管道5，第二空腔的上端盖12和下端盖1处分别设有第二出水口16和第二进水口4，并连接有与该加热装置外界相连通的第二出水管道14和第二进水管道6；与高频绕组线圈层9对应的下端盖1表面设有引线孔17，高频绕组线圈层9的绕线从引线孔17引出并连接电源。

具体的，考虑到内外层铁管在高频电源作用下的趋肤效应，内外侧铁管采用2mm厚度即可；电磁感应加热装置的内层铁管11和外层铁管7的结构设计，充分利用了高频绕组线圈两侧产生的空间交变磁场能量，提高供电电源的加热效率；与单层铁管感应加热的结构相比，在相同供电电源作用下，内、外双层铁管结构的高频电磁感应加热装置感应出总的涡流损耗增大，同时涡流损耗分布在内层铁管11的外侧和外层铁管7的内侧表层，相比于单层铁管表层的生热率有所降低，完全避免了铁管的局部最高温升过大；

电磁感应加热装置的多水道冷却结构能够将铁管上的热量及时带走，同单层铁管加热结构相比，水的加热效果更为充分和均匀，避免铁管表层水流沸腾而产生气泡，保证电磁感应加热装置安全可靠地运行。

内层铁管11与外层铁管7的长度均大于高频绕组线圈层9的长度。上端盖 12和下端盖1与内层铁管11、保温棉层10、高频绕组线圈层9、绝缘层8和外层铁管7的接触处均设有密封圈。

具体的，内层铁管11与外层铁管7的长度相等，密封圈可以为凸起的充分接触内层铁管11、保温棉层10、高频绕组线圈层9、绝缘层8和外层铁管7的每一层，对其各层之间进行分隔，使各层之间互不相通，密封圈可以为绝缘橡胶材质，能够起到良好的隔离水和电的密封作用。

绝缘层8的材质为PVC。

具体的，PVC材质为现有技术，可以为防水不导电的其他材质，此处不局限于此。

下端盖的四角分别设有固定螺纹孔1。

具体的，固定螺纹孔1用于将电磁感应加热装置进行固定，还可以按现场实际情况对本装置进行固定，固定方式不局限于此。

基于双层铁管结构的电磁感应加热装置的运行方法：工频电源连接电磁感应加热装置专用加热电源，加热电源连接高频绕组线圈层9并输入高频电流，当高频绕组线圈层9接入高频电流时，高频绕组线圈层9的两侧与线圈端部空间同时存在高频交变磁场，内层铁管11与外层铁管7的结构，充分利用空间中的磁场能量，将电能转换为内层铁管11与外层铁管7表面的热能，同时利用高频绕组线圈层9端部的磁场能量；由于趋肤效应的作用，内层铁管11和外层铁管7感应加热的涡流损耗分别集中于内层铁管11的外侧和外层铁管7的内侧表层部分。

图9给出了本申请电磁感应加热装置的原理图，左侧为电磁感应加热电源，用以产生高频交流电，右侧为加热管本体，由铁管、绝缘层8、高频绕组线圈层 9等组成，形成水路，水从下方进，上方出，通过带走铁管产生的热量达到加热水的目的，为提高功率因数，加上谐振电容一起组成感应加热电源负载。运行过程为：先由电网或利用分布式电源输入工频交流电到电磁加热电源输入端，经过加热电源中整流、滤波、逆变等电路产生高频交流电，送入谐振电容和感应线圈组成的负载，在感应线圈中由电生磁效应产生交变磁场，进而由电磁感应原理，铁管在高频交变磁场作用下产生大量涡流损耗，然后由水泵驱动的水路将热量带出，达到加热水的目的。

图10给出了本申请电磁感应加热装置的电源部分结构框图，感应加热电源是电磁感应加热装置的重要组成部分；其中整流电路可将输入的交流电变为波形呈馒头波似的直流电，且还能起到隔离的作用，滤波电路将不平滑的直流电滤成平滑的直流电，为逆变电路提供一个稳定电压或电流的直流电，逆变电路是整个电源的核心部分，通过控制大功率开关管开通关断逆变为一定频率的交流电，还可以通过调节开关管导通的占空比达到调节输出功率的目的。控制器是整个电源的“大脑”，通过处理运算传感器采集来的信号数据对开关管输出控制脉冲信号，通过控制功率开关管开通、关断频率和占空比实现智能化，其主要功能是通过采集逆变输出电压电流相位根据控制要求给功率开关管发送触发脉冲控制信号并兼有各种保护功能。采样电路为控制器提供所需要的采样数据。辅助电源输入为整流电路输出的直流电，通过转换电平为控制器中芯片及其外围电路、驱动板供给相对应的电平。具体工作过程如下：由电网输入工频交流电到整流电路前端，经过整流将交流电整流为具有馒头波的直流电，再经过滤波滤成比较平滑的直流电，为逆变电路提供一个稳定的电压或电流输入，经过逆变电路输出中频交流电，作为给感应加热装置绕组线圈的输入电源，线圈产生中频变化磁场，在铁管中感生出涡流，进而产生热传递到水中，达到给水加热储能的目的。

图11-14给出了加热电源的三相输入电压波形、整流滤波后的电压波形、脉冲宽度调制互补驱动波形、逆变桥输出电压电流波形与数字锁相环输出信号等。其中图11为加热电源的三相输入电压波形，由于滤波电容在实现耐高压的同时提升容量需要更大的体积，且价格昂贵，所以仿真中考虑到实际应用使用了100 μF滤波电容；从仿真结果图12可以得出看出，使用100μF滤波电容得到的整流波形也比较平滑，能满足工业应用需求。图13显示输出电压近似方波信号，电流近似正弦波信号，负载工作在弱感性状态，功率因数角为18°，与设计分析一致，此时工作稳定可靠，且效率高。图14说明通过锁相电路能输出一个与 LC谐振电路电流相位一致的幅值为3.3V的矩形波电信号，直接输入到控制芯片的DC模块I/O口，然后经过单片机识别运算出负载电压电流的相位角，当电源扫频启动时降频到单片机检测到的相位角与设定值一致时，单片机控制停止降频，输出当前频率下的脉冲宽度调制信号使电源一直处于高效率正常工作状态。电磁感应加热装置采用了数字锁相电路将功率因数角限制在18°，效率高达 95％，且工作在弱感性状态下保护易实现、电路能长期运行。

由高频绕组线圈层通电后，由于内层铁管与外层铁管的空间位置差异，导致内层铁管11和外层铁管7感应出的涡流损耗大小不同，因此在设计过程中，需要根据内层铁管11和外层铁管7上感应出来的涡流损耗的分布情况，来适当调整水流速度；以一台50kW的电磁感应加热装置为例，图15给出了当内层铁管11和高频绕组线圈层9的空间位置不变的条件下，其中，内层铁管11的内、外直径分别50mm和54mm，管壁厚度为2mm，外层铁管9的内直径在95mm-115mm范围内变化时，内层铁管11损耗、外层铁管9损耗以及内、外层铁管总损耗的变化曲线，从图中可以看出：随着内半径的增大，内层铁管11的损耗变大，外层铁管9损耗呈减少趋势，但是铁管上的总损耗值变化不大。因此合理的选择铁管的结构尺寸参数，可以提高电磁感应加热装置的加热效率，确保水的加热效果更为充分和均匀，避免铁管表层水流沸腾而产生气泡，保证电磁感应加热装置长期安全可靠地运行。

图9给出了本申请电磁感应加热装置的各部分最大温升值随入水口水流速度变化曲线，基于Fluent三维软件对双层铁管结构的电磁感应加热装置的流体场和温度场进行了模拟仿真计算，在仿真计算过程中，保持其它条件不变，改变入口水速，可得到不同流通水速下电磁感应加热装置各部件的最大温升值。图1给出了内层铁管11、外层铁管7、第一空腔即内水道和第二空腔即外水道的最大温升值随入水口水流速度的变化曲线，其中，各部分最大温升值均出现在电磁感应加热装置的出水口端。由图中仿真计算结果可知：当入水口水流速度从0.2m/s增加到2.8m/s过程中，内层铁管11、外层铁管7、内水道以及外水道的最大温升值均随着水流速度的增大而降低，当入水口水流速度达到1.5m/s 时，流通水已充分处于湍流状态时，各部件温升变化缓慢，考虑到水速增大后水道中流体阻力会随之增大，导致水泵的功率增加，出于节能的考虑，在实际应用中设定水速为0.2～1.0m/s比较合理。入口水速为0.2m/s，内铁管最大温升值为58.1K，内铁管最大温升值为56.3K，内水道的出水口温升值为49.6K，内水道的出水口温升值为47.5K，电磁感应加热装置的温升处于合理范围内，有效的避免了局部温升过高而产生大量气泡，保障电磁感应加热装置安全可靠地运行。

图10给出了传统单层铁管和单水道加热装置的二维磁力线分布云图，该结构由内到外分别为：铁管、保温棉以及绕组线圈。由图可知，外部空气中存在由绕组线圈产生的交变磁场能量，浪费了电源的加热效率。图11给出了本申请电磁感应加热装置的双层铁管和多水道冷却加热装置的二维磁力线18分布云图，由图可知，高频绕组线圈产生的磁场能量均匀分布在内层铁管11和外层铁管7上，充分利用了高频绕组线圈外层的高频交变磁场能量，提高了电源的加热效率；由仿真计算可知：同单个铁管加热装置结构相比，相同电源驱动作用下，双层铁管上总的涡流损耗增大，总涡流损耗提高了35％。

图12给出了在另外一组仿真实验数据的传统单层铁管温度场分布云图，水流速度为0.1m/s，从实践结果可知，感应铁管的最大温升值达到了84.7K，在实际运行中单层感应铁管局部温升过高而产生大量气泡，加热装置易发生爆炸，造成不可避免的损失。图13给出了在水流速度为0.1m/s的此组仿真实验数据的本申请电磁感应加热装置中内层铁管11的温度场分布云图；图14给出了在水流速度为0.1m/s的此组仿真实验数据的本申请电磁感应加热装置中外层铁管7 的温度场分布云图；结合图13和图14得出内、外铁管的温升分布相对均匀，最大温升值出现在内铁管的出水口处，仅为71.6K，有效地控制双层铁管的局部最高温升在合理范围内，保证电磁感应加热装置的正常工作运行。

Claims (6)

1.基于双层铁管结构的电磁感应加热装置，其特征在于：该加热装置的内部设有形成第一空腔的内层铁管，内层铁管的外壁包裹有保温棉层，保温棉层的外层缠绕有高频绕组线圈层，高频绕组线圈层的外层包覆有绝缘层，绝缘层的外层设有外层铁管，绝缘层与外层铁管形成第二空腔；所述外层铁管的两端分别设有上端盖和下端盖，第一空腔的上端盖和下端盖处分别连接有与该加热装置外界相连通的第一出水管道和第一进水管道，第二空腔的上端盖和下端盖处分别连接有与该加热装置外界相连通的第二出水管道和第二进水管道；与高频绕组线圈层对应的下端盖表面设有引线孔，高频绕组线圈层的绕线从引线孔引出并连接电源。

2.根据权利要求1所述的基于双层铁管结构的电磁感应加热装置，其特征在于：所述内层铁管与外层铁管的长度均大于高频绕组线圈层的长度。

3.根据权利要求1所述的基于双层铁管结构的电磁感应加热装置，其特征在于：所述绝缘层的材质为PVC。

4.根据权利要求1所述的基于双层铁管结构的电磁感应加热装置，其特征在于：所述上端盖和下端盖与内层铁管、保温棉层、高频绕组线圈层、绝缘层和外层铁管的接触处均设有密封圈。

5.根据权利要求1所述的基于双层铁管结构的电磁感应加热装置，其特征在于：所述下端盖的四角分别设有固定螺纹孔。

6.一种如权利要求1-5中任一项所述的基于双层铁管结构的电磁感应加热装置的运行方法，其特征在于：工频电源连接电磁感应加热装置专用加热电源，加热电源连接高频绕组线圈层并输入高频电流，当高频绕组线圈层接入高频电流时，高频绕组线圈层的两侧与线圈端部空间同时存在磁场，内层铁管与外层铁管的结构，充分利用空间中的高频磁场能量，将电能转换为内层铁管与外层铁管表面的热能，同时利用高频绕组线圈层端部的磁场能量；由于趋肤效应的作用，内层铁管和外层铁管感应加热的涡流损耗分别集中于内层铁管的外侧和外层铁管的内侧表层部分。

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