CN205305151U - 电磁热管 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电磁感应加热装置，具体是涉及一种电磁热管，它适用于对非导磁体进行加热。电磁热管，其结构如下：载流导体（1）为高温导线，载流导体（1）外套设有金属导磁体（3），在载流导体（1）和金属导磁体（3）之间填充有绝缘层（2），载流导体（1）的左端连接有第一接线端子（4），载流导体（1）的右端连接有第二接线端子（5）。本实用新型利用线性管状结构实现感应加热；本实用新型无电磁辐射、能量转换效率高、加热速度快、热量分布均匀，结构简单、性能可靠，适用于对水、油、气等非导磁体进行加热。

Description

电磁热管

技术领域

本实用新型涉及一种电磁感应加热装置，具体涉及一种电磁热管，它适用于对非导磁体进行加热。

背景技术

感应加热就是利用电磁感应的方式加热金属导磁体或非导磁体（如水、导热油、气体）的一种方法，在20世纪初开始应用于工业领域的加热，由于它具有加热速度快、在物料内部加热和效率高、产品质量高、几乎无污染、易于实现自动化等一系列优点，得到迅速发展。感应加热技术在铸造、熔炼、热处理、热锻造等行业得到广泛应用。随着半导体功率器件的进步，从晶闸管到STL、IGBT，感应加热从低频向高频发展，被加热的介质也由金属导磁体（高温）向非导磁体（低温的水、导热油、气体）的方向发展，感应加热产品也由工业向民用方向发展，如电磁感应热水器、电磁炉等。

非导磁体感应加热以法拉第的电磁感应定律为原理，利用螺旋感应加热线圈或平面涡旋线圈通过交流电在金属导磁筒体上产生涡流进而发生热量，并通过金属导磁筒体内壁界面与其筒内的非导磁体的热交换实现非导磁体的加热。

利用螺旋感应加热线圈或平面涡旋线圈与金属导磁筒体组成的加热装置存在的主要问题是：线圈暴露在加热装置外部，难以实现屏蔽，周边存在电磁辐射，对人身和其它设备造成干扰；产生的热量集中分布于缠绕线圈的金属导磁筒段上，热量分布不均匀造成局部过热，特别是加热导热油时形成局部结碳。热效率相对较低。

当前，电热管是用来加热水、油、气的常用元件之一，由于电热管本身的缺陷，电热管的能量转换效率只有70-85%，热效率低，能量损耗大，特别是利用电热管加热水时，易在表面结垢，电热管非常容易坏，维修费用高。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种电磁热管，它是线性管状电磁感应发热装置，本实用新型利用线性管状结构实现感应加热；实现了无电磁辐射、能量转换效率高、加热速度快、热量分布均匀，结构简单、性能可靠，适用于水、油、气等非导磁体的加热。

为了解决上述技术问题，本实用新型是通过下述技术方案实现的：

电磁热管，其结构如下：载流导体为高温导线，载流导体外套设有金属导磁体，在载流导体和金属导磁体之间填充有绝缘层，载流导体的左端连接有第一接线端子，载流导体的右端连接有第二接线端子。

上述的载流导体采用多股平行的高温导线构成。

上述的载流导体的截面为圆形。

上述的载流导体的截面为四边形、三角形、椭圆形或多边形。

上述的金属导磁体为管状结构。

上述的载流导体沿金属导磁体管内中心轴线均布。

上述的金属导磁体的外壁形状为直线形、U形或螺旋形。

上述的金属导磁体的材质为输送用无缝钢管、不锈钢管或钢质金属管。

上述的金属导磁体的外端面与第一接线端子和第二接线端子之间设置有密封材料。

由于采用上述技术方案，使得本实用新型具有如下技术特点和技术效果：

本实用新型改变了感应加热必须使用线圈的传统结构，本实用新型电磁热管是把载流导体置于金属导磁体内部的结构来实现电磁感应加热。传统的非导磁体电磁感应加热时，其方案是在管状金属导磁体上缠绕载流线圈，非导磁体置于筒内部。本实用新型的方案则是载流导体置于管状金属导磁体内部，电磁热管浸渍在非导磁体内。载流导体流过交变电流,在其周围产生交变磁场，置于磁场中的金属导磁体产生感生电感势从而产生涡流，由于金属导磁体自身的电阻特性而发热，发出的热量传递给被加热的非导磁体（如水，油、气体等）。

本实用新型电磁热管功率适用范围广，单管功率达从几千瓦到数百千瓦。通过选取不同载流导体截面积并匹配相应直径的金属导磁体、绝缘层和电磁热管长度，获得电磁热管的电感量，进而确定单只电磁热管的输出功率。

本实用新型电磁热管无电磁辐射。载流导体置于管状金属导磁体内部，电磁场完全被限制在金属导磁体的空间内，有效的防止干扰电磁场泄露到外部空间，使人身和其它设备不受电磁干扰。金属导磁体既是发热体又是电磁屏蔽体，实现了发热与屏蔽的双重功能，且结构简单，制造方便，彻底解决了电磁感应加热电磁干扰的难题。

本实用新型电磁热管热效率高。工作时浸渍在被加热介质中，载流导体不需要冷却，载流导体的线损发热也被有效利用。本实用新型通过感生电流加热非导磁体（如水、油、气体），实现了载流导体与加热介质的完全隔离，结构简单，安全可靠。

本实用新型的电磁热管与现有电热管比较：电热管发热元件在中间，发出的热量经过绝缘层和保护管传递给被加热介质，热传递路径远，热阻大，效率低，加热元件与被加热介质温差大（200-500℃），当加热水时易结垢造成保护管局部过热而损坏，使用寿命短；本实用新型的电磁热管发热体为金属导磁体，与被加热介质直接接触，热传递路径短，热阻小，效率高，发热体与被加热介质温差小（50-80℃），发热体在交变电流作用下产生高频振动而不结垢，使用寿命长，维护费用低。

本实用新型的电磁热管电热大于98%，比现有电磁感应加热方法提高5-10%，比电热管提高10-25%。

附图说明

图1是本实用新型电磁加热管的工作原理图。

图2是本实用新型电磁加热管的主视剖视结构示意图。

图3是图2的剖视结构示意图。

图中，1、载流导体，2、绝缘层，3、金属导磁体，4、第一接线端子，5、第二接线端子，6、密封材料。

具体实施方式

实施例1

如图2和图3所示，本实用新型的电磁热管载流导体1为高温导线，其截面为圆形，最佳采用多股平行的高温导线构成，其截面最佳为圆形，载流导体1外套设有金属导磁体3，在载流导体1和金属导磁体3之间填充有绝缘层2，金属导磁体3为管状结构，载流导体1沿金属导磁体3管内中心轴线均布，载流导体1的左端连接有第一接线端子4，载流导体1的右端连接有第二接线端子5，金属导磁体3的外端面与第一接线端子4和第二接线端子5之间设置有密封材料6。金属导磁体3采用流体输采用无缝钢管制备而成。

本实用新型制造工艺是将载流导体穿入金属导磁体管内，其间隙处通过粉料填充机均匀地填充绝缘材料，然后用缩管机将管径缩细，使绝缘材料密实，使载流导体与空气隔绝，中心位置不发生偏移而碰及管壁。这样，保证了电磁热管的安全性，提高了使用寿命，热效率可达到98%以上。

上述金属导磁体3的外壁形状为直线形，这不能用于限定本实用新型的保护范围。

实施例2

本实用新型的电磁热管，载流导体1的为四边形，最外层是金属导磁体，载流导体1沿金属导磁体3中心轴线均布，在载流导体和金属导磁体之间充填绝缘层2，金属导磁体3采用流体输采用无缝钢管制备而成。金属导磁体3的外壁形状为U形，这不能用于限定本实用新型的保护范围。其它结构与实施例1相同。

实施例3

本实用新型的电磁热管，载流导体1的为三角形，最外层是金属导磁体，载流导体1沿金属导磁体3中心轴线均布，在载流导体和金属导磁体之间充填绝缘层2，金属导磁体3的外壁形状为螺旋形，这不能用于限定本实用新型的保护范围。其它结构和材料与实施例1相同。

实施例4

本实用新型的电磁热管，载流导体1的为椭圆形，最外层是金属导磁体，载流导体1沿金属导磁体3中心轴线均布，在载流导体和金属导磁体之间充填绝缘层2，其它结构与实施例1相同。上述金属导磁体3的外壁形状为直线形，金属导磁体3采用流体输采用无缝钢管制备而成不锈钢管材料制备而成。这不能用于限定本实用新型的保护范围。其它结构与实施例1相同。

实施例5

本实用新型的电磁热管，载流导体1的为多边形，最外层是金属导磁体，载流导体1沿金属导磁体3中心轴线均布，在载流导体和金属导磁体之间充填绝缘层2，其它结构与实施例1相同。上述金属导磁体3的外壁形状为螺旋形，金属导磁体3采用钢质金属管材料制备而成。这不能用于限定本实用新型的保护范围。其它结构与实施例1相同。

以上对本实用新型的若干实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为例子提出，并非旨在限定实用新型的范围。这种创新的实施方式能以其它各种形态来实施，可以在不脱离实用新型主旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含在实用新型的范围和主旨中，并且包含在权利要求书中记载的实用新型及与其均等的范围内。

本实用新型的工作原理如下：

如图1所示，本实用新型假设金属导磁体3的长度为L远远大于载流导体1的半径，当载流导体流过交变电流时，在周围产生频率相同的交变磁场，根据毕奥-萨伐尔定律近似表示为：

式中：B₁—载流导体内的磁感应强度；

B₂—充填载流导体与金属磁导体之间绝缘层的磁感应强度；

I—载流导体流过的交变电流；

μ₀—真空的磁导率；

R1—载流导体半径；

R2—金属导磁体的内半径。

在金属导磁体内半径R2上P点处的磁感应强度由公式（2）可表示为：

由公式（3）可知，P点处的磁感应强度与载流导体流过的交变电流I成正比，与金属导磁体内半径R2反比。在R2不变的情况下，增加交变电流I可提高磁感应强度B。假设点P沿半径方向移动一个小量dr所围成的矩形单元dS内的磁感应强度是均匀的，等于点P处的磁感应强度B_p，那么矩形单元dS的通过的磁通量可表示为：

由公式（4）可知，在金属导磁体内壁R2处的磁通量与它的磁感应强度B_p、矩形单元dS的长度L和宽度dr成正比。当电磁热管的结构一定时，通过提高磁感应强度B_p来增加磁通量。

如果交变电流呈正弦变化，则磁通量也呈正弦变化的，公式（4）改写为：

金属导磁体处于上述交变磁场中，由于交变磁场的作用产生感生电动势e，从而产生涡流I_g，加上金属导磁体本身具有电阻特性而发热。感生电动势e越大产生的感生电流也越大，金属导磁体得到的功率也越大。根据麦克斯韦电磁方程式，其感生电动势e可表示为：

其有效值为：E=4.44fN₂ ,所以在金属导磁体内表面附近产生的感应涡流焦耳热量，可表示为：

式中：Q—感应电流流过金属导磁体时生成的焦耳热(J)；

I_g—感生有效电流(A)；

R—金属导磁体的等效电阻(Ω)；

t—加热时间（s）。

金属导磁体产生的热量传递给非导磁体（如水、导热油、空气）使其加热。

由上述分析可知：感应电势E与磁通、频率f成正比，为了获得必须的感应电势，可以通过提高电源频率来获得。同样的发热效果，频率越高，所需的磁通及感应圈中的电流I就可以减小。另外，金属导磁体截面越大，那么在同样的磁通密度下，通过金属导磁体的也就越大，于是感应电势E及金属内感应得到的功率也就越大。

本实用新型的试验结果如下：

系统组成：50KW超音频电源、本实用新型的电磁热管、水槽、测温仪表等。

试验方案：本实用新型电磁热管弯曲成一定形状放置在水槽中，加热水槽中水，用超音频电源施加一定的功率，测量电磁热管加热效率。

电感量直接决定电磁感应加热额定功率，测试了电感量与电磁热管长度的关系。试验表明：电感量与电磁热管的长度成正比，具有良好的线性关系。如表1所示。

表1电感量与长度的关系

电热转换效率试验结果如表2，表中的计算公式如下：

有效功率=水质量x水的热比容x（试验后水温-初始水温）

电热转换效率=（有功功率/输入功率）x100%

表2电热转换效率试验数据

。

本实用新型的电磁热管电热大于98%，比现有电磁感应加热方法提高5-10%，比电热管提高10-25%。

当实施例1中的载流导体1可以选用16mm²高温导线、金属导磁体3选用锅炉用无缝钢管、绝缘层2选用陶瓷管的电磁热管，长度为16m时，用20KHz超音频电源供电，输入功率为20KW，有功功率19.6KW，转换效率为98.0%。

Claims (9)

1.电磁热管，其特征在于结构如下：载流导体（1）为高温导线，载流导体（1）外套设有金属导磁体（3），在载流导体（1）和金属导磁体（3）之间填充有绝缘层（2），载流导体（1）的左端连接有第一接线端子（4），载流导体（1）的右端连接有第二接线端子（5）。

2.根据权利要求1所述的电磁热管，其特征在于所述的载流导体（1）采用多股平行的高温导线构成。

3.根据权利要求1或2所述的电磁热管，其特征在于所述的载流导体（1）的截面为圆形。

4.根据权利要求1或2所述的电磁热管，其特征在于所述的载流导体（1）的截面为四边形、三角形、椭圆形或多边形。

5.根据权利要求1所述的电磁热管，其特征在于所述的载流导体（1）沿金属导磁体（3）管内中心轴线均布。

6.根据权利要求1或5所述的电磁热管，其特征在于所述的金属导磁体（3）为管状结构。

7.根据权利要求1或5所述的电磁热管，其特征在于所述的金属导磁体（3）的外壁形状为直线形、U形或螺旋形。

8.根据权利要求7所述的电磁热管，其特征在于所述的金属导磁体（3）的材质为输送用无缝钢管、不锈钢管或钢质金属管。

9.根据权利要求1所述的电磁热管，其特征在于所述的金属导磁体（3）的外端面与第一接线端子（4）和第二接线端子（5）之间设置有密封材料（6）。