CN201450611U - 电容加热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电容加热器。所述电容加热器包括：电容极板I、电容极板II及电介质；所述电容极板I与电容极板II平行设置；所述电容极板I与电容极板II形成的空腔内充满电介质；所述电容极板I与电容极板II之间设有起支撑作于的绝缘支架；所述电容极板I和电容极板II分别通过导线外接电源。本实用新型的电容加热器明显减少家庭总用电电流，因为有了电容性负载，使总电流不再是各用电器电流的代数和，而是它们的向量和，同时相互相成的提高了家用供电系统的功率因数；达到了节能、热效率高，设备制造技术简单，可靠，成本低廉，便于大力推广应用的目的，填补了电容应用于电加热器的空白。

Description

电容加热器

技术领域

本实用新型涉及电热传导领域，特别涉及一种电容加热器。

背景技术

节能减排是国家的大政方针，也是广大消费者对电热产品的基本要求。众所周知，电容所消耗的功是无功功率，同时还可以提高供电系统的电功率因数。为了提高供电系统的功率因数，国家对企业单位用电有明确的规定，而对广大家庭用户未见有严格要求。因以往的家庭用电量少(尤其大功率的感性负载设备少)。随着社会经济的快速发展和家用电器的现代化，许多较大功率的家用电器正在逐步进入家庭，如洗衣机、电风扇、空调器、电磁炉、电冰箱、电热水器等，其中，也有一些感性负载。为此，很有必要研究和发展新型电容性负载的家电或设备。为提高家庭供电系统的功率因数，并节约电能。对节电产品，国家已出台了具体政策，可见国家对节电是非常重视的。

随着科学技术的发展，新型电热传导技术不断涌现。但目前使用的电热技术还不外于是电热丝(电阻丝)、电陶瓷、电油汀技术。这些产品虽然技术成熟，但耗电大，热效率低，可靠性差，故不能很好的满足人们的需要。20世纪90年代末研发了黑管发热技术(TFK)；21世纪初，借助纳米发热材料又开发出非金属发热管，即水晶发热管(OSC)。这两种新的电热技术，虽有不少优点，如即热性好，体积小，水电分离等，但最大的问题是耗电大，一般产品的功率均大于8千瓦，因此，对供电线路要求高，须敷设专线，电度表的容量也需要安装40安培以上的电表，这对广大家庭用户是很难实现的。同时，设备制造技术复杂，难度大，成本高，产品售价均在几千元左右，故有资料介绍，这两种新电热技术在近十年内很难推广使用。

实用新型内容

为了克服现有电热技术存在的耗电大，热效率低，可靠性差，价格昂贵的技术问题，本实用新型提供了一种电容加热器。

本实用新型解决现有技术问题所采用的技术方案是：提供一种电容加热器，其特征在于：所述电容加热器包括：电容极板I(1)、电容极板II(3)及电介质(4)；所述电容极板I(1)与电容极板II(3)平行设置；所述电容极板I(1)与电容极板II(3)形成的空腔内充满电介质(4)；所述电容极板I(1)与电容极板II(3)之间设有起支撑作于的绝缘支架(2)；所述电容极板I(1)和电容极板II(3)分别通过导线外接电源。

根据本实用新型所述的电容加热器一优选技术方案是：所述电容极板I(1)与电容极板II(3)采用石墨制得。

根据本实用新型所述的电容加热器一优选技术方案是：所述电介质(4)为水。

根据本实用新型所述的电容加热器一优选技术方案是：所述电容加热器的外围从内至外依次设有绝缘盒(7)、屏蔽网(6)及外壳(5)；所述绝缘盒(7)外表面设有多个开孔；所述外壳(5)和屏蔽网(6)“接零”。

根据本实用新型所述的电容加热器一优选技术方案是：所述屏蔽网(6)及外壳(5)采用不锈钢材料制得。

根据本实用新型所述的电容加热器一优选技术方案是：所述电容加热器与电源的连路上设有保险丝。

本实用新型的有益技术效果是：本实用新型的电容加热器明显减少家庭总用电电流，因为有了电容性负载，使总电流不再是各用电器电流的代数和，而是它们的向量和，同时相互相成的提高了家用供电系统的功率因数；达到了节能、热效率高，设备制造技术简单，可靠，成本低廉，便于大力推广应用的目的。

附图说明

图1是本实用新型电容加热器结构示意图；

图2是本实用新型实施例电容加热器的防电墙设计原理示意图；

图3是现有技术的纯电阻电路图；

图4是本实用新型实施例电容加热器的电阻与感性负载等效电路图；

图5是本实用新型实施例电容加热器的电阻与感性负载的电流关系示意图；

图6是本实用新型实施例电容加热器的电阻、电感、电容负载等效电路图；

图7是本实用新型实施例电容加热器的电阻、电感、电容负载同时存在的电流关系示意图。

图中，1-电容极板I；2-绝缘支架；3-电容极板II；4-电介质；5-外壳；6-屏蔽网；7-绝缘盒。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型做详细说明。

一、电容加热器电暖器的制作

请参照图1，图1是本实用新型电容加热器结构示意图。本实施例用电容加热器制作一电暖器。选用石墨作为电容器的两个电极板。因石墨是一种导电材料，它的物理化学性能稳定，尤其是耐酸碱基抗腐蚀，不怕水等性能。介质选用水(自来水即可)。因为水的相对介电常数比较大，为78，是云母的10倍左右(云母的ε＝3.7～7.5)，故用水做介质容易将电容的容量做得大一些。为盛装介质水和散热，用不锈钢薄板焊接一个水箱，可容纳15升左右的水；同时用温控开关等电子元件制作一套控制电路。

二、防电墙设计

本实施例中的电暖器中的电容的两极板之间的电压为AC220V50Hz，且直接置于水中，经实测电暖器工作时，水和外壳带电电压为100V左右，漏电流为360毫安，因此需要一套安全可靠、实用的防电墙设计。

请参照图2，图2是本实用新型实施例电容加热器的防电墙设计原理示意图。本实施例的防电墙设计分为四层加以说明：

第一层：是将电容器放在一只大小合适的塑料圆形盒中，盒的周围打了许多小孔，便于冷、热水的流通交换传递。该塑料盒把带电的电容与外壳隔开，防止电容极板碰触外壳，造成短路或使外壳带电。

第二层：加屏蔽网，即在塑料盒外盒外壳之间加一层不锈钢钢丝网罩，并将罩网“接零”，这样使水不再带电，水的电位为“0”，如需要热水，水不带电，是安全的。

第三层：将不锈钢外壳“接零”。

第四层：一旦用户将插头接反，则保险丝被短路电流烧断，使加热器与电源立即断开，保障人身安全。

三、基本工作原理：

电容加热器用指针式三用表测试，确系一只较大的电解电容，用UT2003数字万用表测其电容，其电容为5uf～10uf，因为是电容，所以有两方面的作用：

一方面是对交流电有导通作用，即可以让交流电电流通过，该电流对介质进行做功，加热介质；交流电的频率越高，电容的容量越大，则产生的电流越大，所做的功越大，产生的热量越多，即如式(1)：

$I=\frac{U}{X_C}---\left(1\right)$

式(1)中，U为加在电容两极板之间的交流电压，单位为伏(V)，X_C为电容之容抗，I为通过电容的交变电流，单位为安培(A)。

第二方面是：在强电场的作用下，电容两极板之间的介质被极化，产生极化电流，同样，这一极化电流通过介质，也要对介质进行做功加热。

四、节电和提高功率因数原理：

对一般家庭用电系统可以等效为三种情况：

请参照图3，图3是现有技术纯电阻电路图。第一种情况：基本上是纯电阻：

对基本纯电阻用电系统功率因数近似为1，即Cosθ≈1。

请参照图4及图5，图4是本实用新型实施例电容加热器的电阻与感性负载等效电路图；图5是本实用新型实施例电容加热器的电阻与感性负载的电流关系示意图。第二种情况：总电流

与电压

之间存在θ角，其功率因数为0.5＜cosθ＜0.8。

请参照图6及图7，图6是本实用新型实施例电容加热器的电阻、电感、电容负载等效电路图；图7是本实用新型实施例电容加热器的电阻、电感、电容负载同时存在的电流关系示意图。第三种情况：电阻、电感和电容负载都有，由于电容负载的电流超前电压90°，故总电流：

如设

则电流关系如图7，从图7可得出：

式(2)说明，因为有了电容负载使总电流下降，式(3)说明，因为有了电容负载，自然提高了供电系统的功率因数。

五、效果及分析

根据做功和热传递在改变物体内能上是等效的原则，电做功能使水电的温度升高，水从低温升高到一定的温度，要吸收热量，它遵循式(4)的规律，同时，电做功又服从式(5)，即服从焦耳定律.

Q＝CmΔt        (4)

式(4)中：

Q：吸收的热量

C：物质的比热

m：物质的质量

Δt：从t₁升高到t₂的温差，Δt＝t₂-t₁。

焦耳定律：

Q＝I²Rt        (5)

Q：电功产生的热量

I：电流

R：电阻

t：加热用的时间

由电学可以写出

Q＝P·t        (6)

P＝UI          (7)

首先计算一下，水吸收的热量：

设水的质量为10Kg(10L)，水从初始温度20℃提高到要求达到的65℃，所吸收的热量为：

Q_吸收＝CmΔt＝-1×10×10³×(65-20)＝450×10³(卡)

将卡化成焦耳(J)

Q_吸收＝450×10³×4.084＝1882.8×10³(焦耳)

由式(6)，电做功产生的热量

Q_电动热＝P·t  P为电动率

电做功产生的热量与水吸收的热量是相等的；

所以，Q_吸收＝Q_电动热

实测水从20℃上升至65℃所用的时间为24分钟，即t＝1440秒，应用式(6)可以求出：电功率P＝1.31KW。

计算表明：将10升水由20℃加热至65℃，需要用功率为1.31KW的电加热器加热24分钟。而实际测量的数据见表1。

时间	水温(℃)	电流(A)	备注
				16:10	20	3.955
16:15	30	4.727
				16:20	40	4.751

时间	水温(℃)	电流(A)	备注
				16:25	48	4.888
16:30	58	5.015
				16:32	60	5.027
16:34	65	4.896
				16:34	65	0	停止加热

表1

由表1可知，加热时间为24分钟，平均电流I_平均＝4.743(A)，根据式(7)，可以求出电容加热器的实际功率为P＝UI＝220×4.743＝1.040KW。

综上所述：将10升水由20℃加热至65℃，加热时间为24分钟，理论计算需要用1.31KW的加热器；而用电容加热器加热实际功率只需要1.040KW。这充分说明，在同样使用要求情况下，采用电容加热器省电！本实施例省电为(1.31-1.04)KW＝270W，即最少省电20％。

为了进一步证明电容加热器节电，采用标称功率为1KW的电阻丝加热管，在同样要求的情况下，做了对比试验，其结果数据见表2。

时间	水温(℃)	电流(A)
			11:45	20	5.412
11:50	28	5.90
			11:55	45	5.742
12:00	53	5.710
			12:05	60	5.611
12:09	65	5.528

表2

由表2可知：加热时间为24分钟，平均电流I＝5.66(A)，该电阻丝实际功率为P＝UI＝220×5.66＝1.254KW。

所以，电阻丝加热管的实际功率大于电容加热器的实际功率(在同样的使用要求下)，本实施例的电容加热器比电阻丝加热管节电为(1.245-1.04)KW＝205W，与前述270W为同一数量级。因此，可以肯定：电容加热器节电是显著的。

六.特点与推广应用范围

1、特点：

节能：节电20％左右，24小时耗电约2度(KWh)；

环保：无污染；

提高供电系统的功率因数；

安全可靠，严密的防电墙设计。

2、应用范围：

(1)电暖器，可广泛用于单位和家庭；

(2)装饰性取暖系统，如大型商场、宾馆、饭店等节能建筑；

(3)石油输油管道的加热和保温；

(4)高寒地区室外消防水管道的加热和保温；

(5)医疗保健加热装置；

(6)保温盒、保温保暖小家电等。

以上内容是结合具体的优选技术方案对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种电容加热器，其特征在于：所述电容加热器包括：电容极板I(1)、电容极板II(3)及电介质(4)；所述电容极板I(1)与电容极板II(3)平行设置；所述电容极板I(1)与电容极板II(3)形成的空腔内充满电介质(4)；所述电容极板I(1)与电容极板II(3)之间设有起支撑作于的绝缘支架(2)；所述电容极板I(1)和电容极板II(3)分别通过导线外接电源。

2.根据权利要求1所述的电容加热器，其特征在于：所述电容极板I(1)与电容极板II(3)采用石墨制得。

3.根据权利要求1或2所述的电容加热器，其特征在于：所述电介质(4)为水。

4.根据权利要求3所述的电容加热器，其特征在于：所述电容加热器的外围从内至外依次设有绝缘盒(7)、屏蔽网(6)及外壳(5)；所述绝缘盒(7)外表面设有多个开孔；所述外壳(5)和屏蔽网(6)“接零”。

5.根据权利要求4所述的电容加热器，其特征在于：所述屏蔽网(6)及外壳(5)采用不锈钢材料制得。

6.根据权利要求5所述的电容加热器，其特征在于：所述电容加热器与电源的连路上设有保险丝。

Images