CN114302513B - 一种适用多种介质的直热返流式电加热器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电加热技术领域，公开了一种适用多种介质的直热返流式电加热器。该电加热器为圆筒形立式电加热器，从下至上依次为底座、加热主体、大法兰、散热区和接线盒；加热主体的外层为外壳体，外壳体的外表面包裹有保温棉；加热主体内设置有若干个竖直的电加热元件；加热主体的下隔离腔上方安装有与外置的高压气源连通的入口法兰，下隔离腔安装有出口法兰；电加热元件为圆管形电加热管，外层为外壳；内部设置有3根电阻丝，3根电阻丝构成电路的A、B、C三相，还设置有温度传感器，填充有绝缘材料。该电加热器既能对各种介质加热，又具有较快的升温和降温速度，加热的效率非常高，适用于在试验过程中快速加热高压流动介质。

Description

一种适用多种介质的直热返流式电加热器

技术领域

本发明属于电加热技术领域，具体涉及一种适用多种介质的直热返流式电加热器。

背景技术

目前，通用的电加热器大多采用传统的间接加热方式的电热管进行加热。使用时，电阻丝通电加热，电阻丝通过绝缘的导热材料将热量传给电热管。被加热的介质（气体或液体）从电热管外壁流过，电热管通过强迫对流换热方式对沿外壁流动的介质进行加热。这种加热方式优点是技术较为成熟，结构上相对简单，加热元件和介质完全绝缘，因此不管是加热腐蚀性气体或液体都可以。电引出密封部分为焊接密封，可靠性高。但是，缺点也比较明显，因为是间接加热，所以这种电加热器热惯性比较大，加热升温速度和降温速度都比较慢。

随着技术的发展，在某些应用领域，需要加热升温速度和降温速度都比较快，电加热器需要采用直接加热方式，即将通电的加热元件与被加热的介质直接接触。但是由于直接加热的电加热器的通电部分与介质直接接触，因此不能用于加热腐蚀性气体或液体，只能加热纯净空气；而且要求电加热器的绝缘件的强度以及高温下的承压能力非常高。

当前，亟需发展一种适用多种介质的直热返流式电加热器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用多种介质的直热返流式电加热器。

本发明的适用多种介质的直热返流式电加热器，其特点是，所述的电加热器为圆筒形立式电加热器，从下至上依次为具有同一中心轴线的底座、加热主体、大法兰、散热区和接线盒；

加热主体的外层为外壳体，外壳体的外表面包裹有保温棉；加热主体的内部包括按照中心对称排列并且靠近中心轴线的若干个竖直的电加热元件，电加热元件从下至上穿过若干个固定在外壳体内腔、间隔排列、水平的支撑板，电加热元件的上端穿过大法兰的下部法兰，与下部法兰的上端面平齐，电加热元件的下端靠近底座的底面即封头；大法兰的上部法兰内设置有贯穿上部法兰并与各电加热元件一一对应的电引出装置，电引出装置向下与上部法兰的下端面平齐，电引出装置向上伸入接线盒；大法兰的上部法兰和下部法兰对接后，接线盒、电引出装置和电加热元件连通；电引出装置所在的空间构成散热区；

加热主体的最上方的支撑板为上隔板，上隔板与大法兰之间具有上隔离腔，上隔离腔为通过上隔板通气的腔体；最下方的支撑板为下隔板，下隔板为封闭隔板，下隔板与底座的底面之间具有下隔离腔，下隔离腔为封闭的腔体；

在上隔板与下隔板之间的支撑板间隔的每段电加热元件上均套装有套管，电加热元件与套管之间具有隔离缝隙Ⅰ；上隔板、上隔板与下隔板之间的支撑板均为多孔板，一部分通孔Ⅰ用于穿过电加热元件，且通孔Ⅰ与电加热元件之间具有隔离缝隙Ⅱ，另一部分通孔Ⅱ作为通气孔；

下隔板的上方位置安装有与外置的高压气源连通的入口法兰，下隔板的下方位于下隔离腔的位置安装有出口法兰，入口法兰与出口法兰的轴线成90°夹角；

电加热元件为圆管形电加热管，外层为外壳；内部设置有3根电阻丝，3根电阻丝构成电路的A、B、C三相，3根电阻丝分别通过引出导线引出，还设置有测量电加热元件温度的温度传感器；内部填充有绝缘材料，实现电阻丝与外壳之间的绝缘。

进一步地，所述的引出导线的材质为镀镍的铜棒；电阻丝的材质为Cr20Ni80合金。

进一步地，所述的绝缘材料的材质为氮化硼。

进一步地，所述的外壳的材质为INCOLOY800高镍不锈钢，外壳的外表面设置有螺纹状散热面。

本发明的多种介质的直热返流式电加热器中的入口法兰和出口法兰作为电加热器与前后管道的连接装置均位于电加热器本体侧面。工作时，被加热的介质（如空气）从入口法兰进入电加热器后只能向上流动，然后都被约束到电加热元件和套管的缝隙之间流过，一直返流到从出口法兰流出。在流动的过程中，由于强迫对流换热，当介质从电加热器内流出时，已经被加热到需要的使用温度了。工作时，电加热器的外壳体作为承压壳体，承受很高的压力。但是，由于紧贴外壳体内壁是冷的介质从下往上流动，到了电加热器上端，都被约束到电加热元件和套管的缝隙之间流过，一直返流到下端；因而冷的介质对外壳体内壁有冷却作用，外壳体基本不承受内部的高温。电加热元件内部的电阻丝、温度传感器、绝缘材料及外壳是整体坚固的部件，即使在高温下仍然具有极高的机械强度；电阻丝在电路上已经构成A、B、C三相，由不发热的引出导线引出，A、B、C三相电源引出导线和温度信号线均从电加热器上方的接线盒引出；电阻丝采用优质高温合金材料Cr20Ni80，允许的长期工作温度为1200℃。耐高温不锈钢外壳为 INCOLOY800 高镍不锈钢，能够长期工作在927℃的高温，结构坚固，外表面为螺纹状散热面，能够增加约5%的换热面积，还能够有效形成紊流换热，大大提高换热效率。绝缘材料为高性能绝缘材料氮化硼，非常致密，能够长期工作在2000℃的高温下保持极高的绝缘性能和介电强度，绝缘材料具有非常高的导热系数，使得电阻丝的热量能够非常高效地传递到电加热元件外壳的热面；电加热器的电阻丝和外壳是绝缘的，能够加热潮湿空气、水、腐蚀性气体等多种介质。

简而言之，本发明的多种介质的直热返流式电加热器中的每根电加热元件在电路上已经构成A、B、C三相，能够加热多种介质，外壳体承压但不承热，电加热元件整体在高温下仍然具有极高的机械强度，电加热元件内部的高性能的绝缘材料能够承受高温且具有很高的导热系数。

本发明的多种介质的直热返流式电加热器具有直接加热和间接加热两种形式加热器的优点，既能对各种介质加热，又具有较快的升温和降温速度，加热的效率非常高，适用于在试验过程中快速加热高压流动介质。

附图说明

图1为本发明的多种介质的直热返流式电加热器的结构正视图；

图2为本发明的多种介质的直热返流式电加热器的结构侧视图；

图3为本发明的多种介质的直热返流式电加热器的结构半剖图；

图4为本发明的多种介质的直热返流式电加热器的立体透视图；

图5为本发明的多种介质的直热返流式电加热器中的电加热元件的结构示意图。

图中，1.外壳体；2.散热区；3.接线盒；4.大法兰；5.入口法兰；6.出口法兰；7.保温棉；8.底座；9.电加热元件；10.套管；11.支撑板；12.下隔板；13.封头；14.引出导线；15.绝缘材料；16.温度传感器；17.电阻丝；18.外壳；19.上隔板；20.上隔离腔；21.下隔离腔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

本发明的适用多种介质的直热返流式电加热器为圆筒形立式电加热器，从下至上依次为具有同一中心轴线的底座8、加热主体、大法兰4、散热区2和接线盒3；

加热主体的外层为外壳体1，外壳体1的外表面包裹有保温棉7；加热主体的内部包括按照中心对称排列并且靠近中心轴线的若干个竖直的电加热元件9，电加热元件9从下至上穿过若干个固定在外壳体1内腔、间隔排列、水平的支撑板11，电加热元件9的上端穿过大法兰4的下部法兰，与下部法兰的上端面平齐，电加热元件9的下端靠近底座8的底面即封头13；大法兰4的上部法兰内设置有贯穿上部法兰并与各电加热元件9一一对应的电引出装置，电引出装置向下与上部法兰的下端面平齐，电引出装置向上伸入接线盒3；大法兰4的上部法兰和下部法兰对接后，接线盒3、电引出装置和电加热元件9连通；电引出装置所在的空间构成散热区2；

加热主体的最上方的支撑板11为上隔板19，上隔板19与大法兰4之间具有上隔离腔20，上隔离腔20为通过上隔板19通气的腔体；最下方的支撑板11为下隔板12，下隔板12为封闭隔板，下隔板12与底座8的底面之间具有下隔离腔21，下隔离腔21为封闭的腔体；

在上隔板19与下隔板12之间的支撑板11间隔的每段电加热元件9上均套装有套管10，电加热元件9与套管10之间具有隔离缝隙Ⅰ；上隔板19、上隔板19与下隔板12之间的支撑板11均为多孔板，一部分通孔Ⅰ用于穿过电加热元件9，且通孔Ⅰ与电加热元件9之间具有隔离缝隙Ⅱ，另一部分通孔Ⅱ作为通气孔；

下隔板12的上方位置安装有与外置的高压气源连通的入口法兰5，下隔板12的下方位于下隔离腔21的位置安装有出口法兰6，入口法兰5与出口法兰6的轴线成90°夹角；

电加热元件9为圆管形电加热管，外层为外壳18；内部设置有3根电阻丝17，3根电阻丝17构成电路的A、B、C三相，3根电阻丝17分别通过引出导线14引出，还设置有测量电加热元件9温度的温度传感器16；内部填充有绝缘材料15，实现电阻丝17与外壳18之间的绝缘。

进一步地，所述的引出导线14的材质为镀镍的铜棒；电阻丝17的材质为Cr20Ni80合金。

进一步地，所述的绝缘材料15的材质为氮化硼。

进一步地，所述的外壳18的材质为INCOLOY800高镍不锈钢，外壳18的外表面设置有螺纹状散热面。

实施例1

如图1和图2所示，电加热器整体采用立式结构设计，最下端为底座8，承受整个电加热器的重量。外壳体1作为承压容器，需要承受7MPa的介质压力。电加热器的内部有电加热元件9和其它各种内部结构件；电加热元件9从电加热器的内部下端一直延伸到大法兰4，大法兰4的上端为散热区2和接线盒3，即电加热元件9的上端到了大法兰4以后的部分为不发热的电引出装置，然后电引出装置进入到接线盒3后，通过电缆或母排引出到电气系统。电加热器的入口法兰5和出口法兰6是与管道连接的装置，被加热的介质从入口法兰5流进电加热器后被电加热元件9加热，加热后的介质从出口法兰6流出电加热器。入口法兰5和出口法兰6位于电加热器靠下端的位置，入口法兰5和出口法兰6的轴线成90°夹角，出口法兰6位于入口法兰5下端。电加热器的外壳体1的外表面包裹一层保温棉7，从而保证保温棉7外表面的温度接近常温。

如图3和图4所示，被加热的介质在压力作用下从入口法兰5进入电加热器后，由于下隔板12的阻挡，介质只能沿箭头方向向大法兰4的方向流动，在流动过程中穿过支撑板11和上隔板19上的通孔Ⅱ到达上隔离腔20，此处即为介质的返流处。由于介质只能向大法兰4的方向流动，因此支撑板11上面必须开很多通孔Ⅱ以便于介质的流动（电加热器每隔一定距离设置一个支撑板11）。支撑板11与外壳体1和套管10的连接只需要采取点焊的方式固定位置，不必采取全焊方式密封。下隔板12上面除了电加热元件9穿过的位置没有其余开孔，而且下隔板12与外壳体1和套管10的焊接采取全焊方式密封，保证介质不会从下隔板12和外壳体1之间的缝隙以及下隔板12和套管10之间的缝隙流过。由于电加热元件9和套管10主要集中于电加热器的中间位置，因此冷的介质进入电加热器后主要沿着外壳体1的内壁流动，从而对外壳体1起到了冷却作用，因此外壳体1承压但基本不承热。介质到达返流处后，沿着电加热元件9和套管10之间的缝隙向封头13方向流动。由于电加热元件9和套管10要穿过下隔板12一定的距离。当介质从电加热元件9和套管10之间的缝隙穿出时，进入下隔板12、外壳体1和封头13围成的下隔离腔21中，在压力作用下从出口法兰6流出。电加热元件9在穿出大法兰4后，在电加热元件9和大法兰4的环缝处采取焊接方式进行密封，同时也对电加热元件9进行定位。同样的道理，电加热元件9在另一端（穿出下隔板12后的一端）采用支撑板11的方式进行定位。

如图5所示，电加热元件9内部有通电发热的电阻丝17，电阻丝17的材料为Cr20Ni80高温合金材料，允许的长期工作温度为1200℃，电阻丝17的引出导线14为不发热的金属导体，该导体为镀镍的铜棒。电阻丝17在电路上已经构成A、B、C三相星型接法，因此便于电加热元件9与外部的电气控制系统连接。电加热元件9的外壳18的材料为INCOLOY800，该材料为耐高温高镍不锈钢，能够长期工作在927℃的高温，外壳18的壁厚达2.2mm，外壳18结构坚固。外壳18的外表面为螺纹状散热面，能够增加约5%的换热面积，还能够有效形成紊流换热，大大提高换热效率。电加热元件9内部填充非常致密的高性能的绝缘材料15，该材料为氮化硼。因此，电加热元件9整体在高温下仍然具有极高的机械强度。绝缘材料15在电阻丝17和外壳18之间既起到绝缘作用，又起到了传热作用。绝缘材料15能够长期工作在2000℃的高温下保持极高的绝缘性能和介电强度，由于是无机材料，没有任何老化倾向；绝缘材料15具有很高的导热系数，使得电阻丝17的热量能够非常有效地传递到外壳18的外表面。在电加热元件9的正中心有温度传感器16，由于绝缘材料15的高导热系数，使得温度传感器16位置处的温度与绝缘材料15以及电阻丝17的温度非常接近，能够真实地反应电加热元件9的内部温度。从图5中还可以看出，被加热的介质从外壳18的外表面流过，该介质与带电的电阻丝17是完全电绝缘的，因此该类型电加热器能够加热潮湿空气、水、腐蚀性气体等多种介质。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种适用多种介质的直热返流式电加热器，其特征在于，所述的电加热器为圆筒形立式电加热器，从下至上依次为具有同一中心轴线的底座（8）、加热主体、大法兰（4）、散热区（2）和接线盒（3）；

加热主体的外层为外壳体（1），外壳体（1）的外表面包裹有保温棉（7）；加热主体的内部包括按照中心对称排列并且靠近中心轴线的若干个竖直的电加热元件（9），电加热元件（9）从下至上穿过若干个固定在外壳体（1）内腔、间隔排列、水平的支撑板（11），电加热元件（9）的上端穿过大法兰（4）的下部法兰，与下部法兰的上端面平齐，电加热元件（9）的下端靠近底座（8）的底面即封头（13）；大法兰（4）的上部法兰内设置有贯穿上部法兰并与各电加热元件（9）一一对应的电引出装置，电引出装置向下与上部法兰的下端面平齐，电引出装置向上伸入接线盒（3）；大法兰（4）的上部法兰和下部法兰对接后，接线盒（3）、电引出装置和电加热元件（9）连通；电引出装置所在的空间构成散热区（2）；

加热主体的最上方的支撑板（11）为上隔板（19），上隔板（19）与大法兰（4）之间具有上隔离腔（20），上隔离腔（20）为通过上隔板（19）通气的腔体；最下方的支撑板（11）为下隔板（12），下隔板（12）为封闭隔板，下隔板（12）与底座（8）的底面之间具有下隔离腔（21），下隔离腔（21）为封闭的腔体；

在上隔板（19）与下隔板（12）之间的支撑板（11）间隔的每段电加热元件（9）上均套装有套管（10），电加热元件（9）与套管（10）之间具有隔离缝隙Ⅰ；上隔板（19）、上隔板（19）与下隔板（12）之间的支撑板（11）均为多孔板，一部分通孔Ⅰ用于穿过电加热元件（9），且通孔Ⅰ与电加热元件（9）之间具有隔离缝隙Ⅱ，另一部分通孔Ⅱ作为通气孔；

下隔板（12）的上方位置安装有与外置的高压气源连通的入口法兰（5），下隔板（12）的下方位于下隔离腔（21）的位置安装有出口法兰（6），入口法兰（5）与出口法兰（6）的轴线成90°夹角；

电加热元件（9）为圆管形电加热管，外层为外壳（18）；内部设置有3根电阻丝（17），3根电阻丝（17）构成电路的A、B、C三相，3根电阻丝（17）分别通过引出导线（14）引出，还设置有测量电加热元件（9）温度的温度传感器（16）；内部填充有绝缘材料（15），实现电阻丝（17）与外壳（18）之间的绝缘。

2.根据权利要求1所述的适用多种介质的直热返流式电加热器，其特征在于，所述的引出导线（14）的材质为镀镍的铜棒；电阻丝（17）的材质为Cr20Ni80合金。

3.根据权利要求1所述的适用多种介质的直热返流式电加热器，其特征在于，所述的绝缘材料（15）的材质为氮化硼。

4.根据权利要求1所述的适用多种介质的直热返流式电加热器，其特征在于，所述的外壳（18）的材质为INCOLOY800高镍不锈钢，外壳（18）的外表面设置有螺纹状散热面。

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