CN219164762U - 一种电磁螺旋管式电加热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电磁螺旋管式电加热器，包括磁芯、通电线圈、螺旋管道、保温材料层、水冷组件和管路分配器，所述磁芯包括磁芯柱、上磁轭和下磁轭，磁芯柱为若干个，若干个磁芯柱上端分别连接上磁轭，若干个磁芯柱下端分别连接下磁轭，磁芯柱外壁依次绕设有通电线圈和螺旋管道，螺旋管道嵌埋于保温材料层中，所述通电线圈和螺旋管道之间套设有水冷组件，螺旋管道的进口和出口分别连接管路分配器，并且螺旋管道的进口和出口短接，水冷组件外接水路，通电线圈外接电源。

Description

一种电磁螺旋管式电加热器

技术领域

本实用新型属于电加热器技术领域，具体涉及一种电磁螺旋管式电加热器。

背景技术

管式加热炉是冶金、石化、能源等领域常见的一种加热炉型，可以用来对各种气体、液体及各种多相流体进行加热。常见的管式炉有列管式、蛇管式、盘管式等。管式炉一般采用燃油、天然气等化石燃料燃烧产生的炽热火焰和高温烟气作为热源，对高速流动着流体的管道进行加热，通过传热和对流使得管内介质升温或产生反应。

近年来随着国家提倡提升终端用能低碳化电气化水平，全面深入拓展电能替代，推动工业生产领域电窑炉的应用，投入市场的电加热管式炉越来越多。目前有3种电加热管式炉的技术方案，第一种为将被加热流体管道布置在保温良好的炉膛内，炉内布置电阻带进行加热。但该方式存在换热效率低、维护不方便的问题。第二种为绝缘处理电阻原件后直接将电阻置于流体中，流体采用对流换热的方式带走电阻元件的焦耳热。第三种为电磁感应加热，线圈缠绕于管外，利用电磁感应加热直接加热炉管，流体在炉管内直接带走炉管的热量。

第一种技术方案有代表性的为专利CN113652246A所述的一种电加热裂解炉。该电加热炉通过在炉膛内大量布置电热元件，电热元件加热导热介质气体，再由导热气体向炉管传递热量，从而实现加热炉管内的流体。其优点是结构简单。但特殊的电热元件造价较高，且易损坏，寿命较短，配套的还需要特殊的耐火材料，另外还存在效率较低的问题，通常为50%左右。

第二种技术方案有代表性的为专利CN109152109A所述的一种储能用电加热器。相比于第一种技术方案，该方案的能量传递路径为电热元件直接向流体传递，该方案的优点是效率较高。但缺点为电热元件的绝缘要求较高，且存在一定的安全隐患；此外，与方案一同为电阻加热，也存在电热元件寿命较短的问题。

第三种技术方案有代表性的为CN 207340220U提出的一种通过感应加热来解决流体快速加热的方法，具体还可参考文献《熔盐电磁感应加热器的实验研究及对比分析》，其主要原理是在长直管道上缠绕导电线圈，并通过感应电源对其施加中频电压，管道产生涡流后产生热量，并和管道内流体换热，起到快速加热流体的作用。这是通过电磁感应加热来快速加热流体最常见的一种方法。其优点是设备结构简单，加热均匀且速度快，但缺点是：

1）电磁线圈损耗大，存在加热效率低的问题，普通金属管道综合效率低于80%。

2）接入电压等级低，无法直接接入电网高压电进行加热。

3）有限空间内单体效率低，加热长度有限，要实现大功率加热，需要占用场地范围较大。

目前所有的加热流体用的电加热管式炉存在接入电压等级低、效率低、维护不方便、寿命短、单体功率低等问题。因此亟需一种高效可靠的电加热方式来解决以上问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种电磁螺旋管式电加热器。

为了解决技术问题，本实用新型的技术方案是：一种电磁螺旋管式电加热器，包括磁芯、通电线圈、螺旋管道、保温材料层、水冷组件和管路分配器，所述磁芯包括磁芯柱、上磁轭和下磁轭，磁芯柱为若干个，若干个磁芯柱上端分别连接上磁轭，若干个磁芯柱下端分别连接下磁轭，磁芯柱外壁依次绕设有通电线圈和螺旋管道，螺旋管道嵌埋于保温材料层中，所述通电线圈和螺旋管道之间套设有水冷组件，螺旋管道的进口和出口分别连接管路分配器，并且螺旋管道的进口和出口短接，水冷组件外接水路，通电线圈外接电源；

所述水冷组件包括上定位绝缘环、下定位绝缘环和若干组水冷弧板，下定位绝缘环设置于上定位绝缘环正下方，若干组水冷弧板在上定位绝缘环和下定位绝缘环的圆周方向上均匀分布，并且相邻两个水冷弧板依次串联。

优选的，相邻两个水冷弧板中间留有空隙，若干组水冷弧板占上定位绝缘环或下定位绝缘环圆周长度的50%~95%。

优选的，所述水冷弧板包括弧板和U型水冷管，U型水冷管与弧板内侧连接，所述上定位绝缘环和下定位绝缘环周向外壁均匀分布有安装槽，U型水冷管卡合于安装槽内，相邻两个水冷弧板的U型水冷管依次串联。

优选的，所述U型水冷管进口和出口侧分别连接水嘴，相邻两个水冷弧板的U型水冷管水嘴通过胶管连接，若干组水冷弧板的起始进口外接进水管，若干组水冷弧板的最终出口外接回水管。

优选的，所述水冷组件上端通过上绝缘固定板与上磁轭固定，水冷组件下端通过下绝缘固定板与下磁轭固定。

优选的，所述螺旋管道为单层或多层绕制，螺旋管道的进口和出口通过短接板短接，短接板同时接地，其中短接板的横截面大于螺旋管道横截面的两倍。

优选的，所述通电线圈由铜线、扁铜线、铜带或中空通水铜管绕制而成，每个磁芯柱上各绕制一组，所述通电线圈与磁芯柱和水冷组件之间预留有风道，通电线圈底部布置有风机。

优选的，所述管路分配器包括进液集流管和出液集流管，进液集流管分别连接若干个螺旋管道的进口，出液集流管分别连接若干个螺旋管道的出口。

优选的，所述磁芯柱为三个，三个磁芯柱上端分别连接上磁轭，三个磁芯柱下端分别连接下磁轭，三个磁芯柱由内到外分别依次绕设有通电线圈和螺旋管道，三组螺旋管道匝数和截面直径均相同。

优选的，所述磁芯柱由硅钢片叠制而成，硅钢片的厚度＜0.35mm，多个硅钢片由绝缘拉杆或绝缘绑带夹紧，磁芯柱的横截面为阶梯状多边形、圆形或椭圆形。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

（1）本实用新型公开了一种电磁螺旋管式电加热器，包括磁芯、通电线圈、螺旋管道、保温材料层、水冷组件和管路分配器，磁芯柱外壁依次绕设有通电线圈和螺旋管道，螺旋管道嵌埋于保温材料层中，通电线圈和螺旋管道之间设置有水冷组件，可在高温加热中实现良好隔热，降低高温螺旋管道对通电线圈的传热，同时水冷组件可对通电线圈起到降温作用，从而保证了单台加热器功率可达10MW；

（2）本实用新型利用三相三柱式变压器原理，把将首尾短接的螺旋管道套设于磁芯柱上，加热器直接接入最高可达到35kV的电网三相电，感应加热螺旋管道，从而实现对管道内流体的加热，实现了直接接入高压电，且电效率超过了97%；

（3）本实用新型在通电线圈和螺旋管道之间设置有水冷组件，水冷弧板由非导磁金属制成，由于弧板之间电气绝缘，不形成闭合回路，所以处于交变磁场中也不会被加热，水冷弧板通入不超过40℃的冷却水，使得水冷弧板温度低于50℃，既有效阻挡了高温管道通过保温材料对通电线圈的传热，又可以有效地增强通电线圈散热，避免了线路老化，提高了电加热器的寿命，并且便于维护。

附图说明

图1、本实用新型一种电磁螺旋管式电加热器的俯视剖视结构示意图；

图2、本实用新型一种电磁螺旋管式电加热器的主视剖视结构示意图；

图3、本实用新型一种电磁螺旋管式电加热器的水冷组件结构示意图。

附图标记说明：

1、磁芯，2、通电线圈，3、螺旋管道，4、保温材料层，5、水冷组件，6、管路分配器，7、上绝缘固定板，8、下绝缘固定板，9、短接板，10、风道，11、胶管；

1-1、磁芯柱，1-2、上磁轭，1-3、下磁轭；

5-1、上定位绝缘环，5-2、下定位绝缘环，5-3、若干组水冷弧板；

5-3-1、弧板，5-3-2、U型水冷管；

6-1、进液集流管，6-2、出液集流管。

具体实施方式

下面结合实施例描述本实用新型具体实施方式：

需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

实施例1

如图1、2所示，本实用新型公开了一种电磁螺旋管式电加热器，包括磁芯1、通电线圈2、螺旋管道3、保温材料层4、水冷组件5和管路分配器6，所述磁芯1包括磁芯柱1-1、上磁轭1-2和下磁轭1-3，磁芯柱1-1为若干个，若干个磁芯柱1-1上端分别连接上磁轭1-2，若干个磁芯柱1-1下端分别连接下磁轭1-3，磁芯柱1-1外壁依次绕设有通电线圈2和螺旋管道3，螺旋管道3嵌埋于保温材料层4中，所述通电线圈2和螺旋管道3之间套设有水冷组件5，螺旋管道3的进口和出口分别连接管路分配器6，并且螺旋管道3的进口和出口短接，水冷组件5外接水路，通电线圈2外接电源；

所述水冷组件5包括上定位绝缘环5-1、下定位绝缘环5-2和若干组水冷弧板5-3，下定位绝缘环5-2设置于上定位绝缘环5-1正下方，若干组水冷弧板5-3在上定位绝缘环5-1和下定位绝缘环5-2的圆周方向上均匀分布，并且相邻两个水冷弧板5-3依次串联。

实施例2

如图3所示，优选的，相邻两个水冷弧板5-3中间留有空隙，若干组水冷弧板5-3占上定位绝缘环5-1或下定位绝缘环5-2圆周长度的50%~95%。

所述水冷弧板5-3占比越高冷却效果越好。正常运行时，水冷弧板5-3通入不超过40℃的冷却水，使得水冷弧板5-3温度低于50℃，既有效阻挡了高温螺旋管道3通过保温材料对通电线圈2的传热，又可以有效地增强通电线圈2散热。

如图3所示，优选的，所述水冷弧板5-3包括弧板5-3-1和U型水冷管5-3-2，U型水冷管5-3-2与弧板5-3-1内侧连接，所述上定位绝缘环5-1和下定位绝缘环5-2周向外壁均匀分布有安装槽，U型水冷管5-3-2卡合于安装槽内，相邻两个水冷弧板5-3的U型水冷管5-3-2依次串联。

如图3所示，优选的，所述U型水冷管5-3-2进口和出口侧分别连接水嘴，相邻两个水冷弧板5-3的U型水冷管5-3-2水嘴通过胶管11连接，若干组水冷弧板5-3的起始进口（见图3中的进水）外接进水管，若干组水冷弧板5-3的最终出口（见图3中的回水）外接回水管。

如图3所示，优选的，所述水冷组件5上端通过上绝缘固定板7与上磁轭1-2固定，水冷组件5下端通过下绝缘固定板8与下磁轭1-3固定。

所述通电线圈2和螺旋管道3之间设置水冷组件5，可在高温加热中实现良好隔热，降低高温螺旋管道3对通电线圈2的传热，水冷组件5由若干组水冷弧板和上下定位绝缘环组成，弧板底部有进出水口，相邻弧板水路用胶管短接。水冷弧板5-3一般由非导磁金属（优选奥氏体不锈钢和铜）制成，由于水冷弧板5-3之间电气绝缘，不形成闭合回路，所以处于交变磁场中也不会被加热。

所述水冷组件5由非导磁材料制成，多组环形布置且不形成闭环，即使处于磁场中也不会发热。

实施例3

如图1、2所示，优选的，所述螺旋管道3为单层或多层绕制，螺旋管道3的进口和出口通过短接板9短接，短接板9同时接地，其中短接板9的横截面大于螺旋管道3横截面的两倍。

螺旋绕制的管道在有限空间内增大了换热面积。

所述螺旋管道3是流体流过并被加热的通道，一般由耐热金属管道绕制而成，优选各种耐腐蚀耐热钢，以保证在高温下可以长时间工作，用于900℃以下各种流体的加热应用。

所述螺旋管道3一般为单层或多层绕制，不同层的绕向可以相同也可以相反，圈数也可以不同，以获得最佳的加热功率。进口和出口用短接板9短接，实现电路闭环的目的，短接板9的横截面应大于螺旋管道3的截面两倍以上，防止导电板发热。

所述短接板9设置一路电气接地点，并单点接地，保证进液集流管6-1和出液集流管6-2的零电位。

为了防止螺旋管道3相邻圈之间或层之间接触而改变电流走向，造成局部过热，应在圈间或层间填充耐高温绝缘材料。

所述螺旋管道3在合适位置焊接生出支腿，并固定在钢构架或底座上，以保证安装、运输和运行过程中的定位。支腿的固定需要带绝缘座，以保证螺旋管道3在加热过程中不会漏电流，横截面电流处处相同，发热较均匀。

若干路螺旋管道3按相同工艺制造和布置，因此三相电流平衡，三相功率相同，不会造成电网电流不平衡。由于三路螺旋管道3流量也相同，因此螺旋管道3出口温度也相同，不会造成加热过温现象。

所述保温材料层4可以大幅降低螺旋管道3的散热，提高了系统的热效率，同时也防止高温传热对设备内其它部件的有害加热。保温材料宜采用热导率低，易施工的材料，如保温棉、毡等，或用保温浇注料进行整体浇注。

实施例4

如图1、2所示，优选的，所述通电线圈2由铜线、扁铜线、铜带或中空通水铜管绕制而成，每个磁芯柱1-1上各绕制一组，所述通电线圈2与磁芯柱1-1和水冷组件5之间预留有风道10，通电线圈2底部布置有风机。

所述通电线圈2需要进行绝缘处理，常见的处理方式有浸绝缘漆或环氧灌封。通电线圈2在进行绝缘处理后，能大幅提高耐压等级，可接入10kV等高压电网使用。

为了在大功率应用中增强散热，通电线圈2在辐向和轴向设有风道，以保证底部冷却风机的强制冷却效果达到最佳。通电线圈2绕制和出线方法，可参考变压器线圈的制作工艺。

布置在通电线圈2下部的风机，通过向上或斜向上吹风，可以冷却通电线圈2、磁芯柱1-1，防止长时间使用过温而损坏绝缘。

实施例5

如图1所示，优选的，所述管路分配器6包括进液集流管6-1和出液集流管6-2，进液集流管6-1分别连接若干个螺旋管道3的进口，出液集流管6-2分别连接若干个螺旋管道3的出口。

所述进液集流管6-1和出液集流管6-2用于汇集若干路螺旋管路3的进出的流体，上下布置，上面设有各种传感器，如温度、压力、流量等，用于检测进出流体的物性参数。进液集流管6-1和出液集流管6-2与螺旋管道3的连接为法兰连接，方便安装和维护。为了保证若干路螺旋管路3的流量相同，进液口和出液口在设备两侧布置，保证三路螺旋管路3压损相同。

实施例6

如图1、2所示，所述磁芯柱1-1为三个，三个磁芯柱1-1上端分别连接上磁轭1-2，三个磁芯柱1-1下端分别连接下磁轭1-3，三个磁芯柱1-1由内到外分别依次绕设有通电线圈2和螺旋管道3，三组螺旋管道3匝数和截面直径均相同。

如图1所示，所述磁芯柱1-1由硅钢片叠制而成，硅钢片的厚度＜0.35mm，多个硅钢片由绝缘拉杆或绝缘绑带夹紧，磁芯柱1-1的横截面为阶梯状多边形、圆形或椭圆形。

所述磁芯1通常由硅钢片（有取向或无取向）叠制而成，叠制过程可参考变压器铁芯柱硅钢片叠制方法，叠成三相三柱式铁芯，并用绝缘拉杆或绝缘绑带夹紧，磁芯柱1-1的横截面为阶梯状多边形、圆形或椭圆形，为了减小磁芯的损耗，硅钢片的厚度一般不超过0.35mm。

整个设备设置于外壳内，以满足不同应用场景下的防护问题。

本实用新型的工作原理如下：

如图1~3所示，本实用新型公开了一种电磁螺旋管式电加热器，包括磁芯1、通电线圈2、螺旋管道3、保温材料层4、水冷组件5和管路分配器6，磁芯柱1-1外壁依次绕设有通电线圈2和螺旋管道3，螺旋管道3嵌埋于保温材料层4中，通电线圈2和螺旋管道3之间设置有水冷组件5，设备运行时，三相通电线圈通过Y连接或Δ连接电网三相电，在磁芯柱1-1中产生的磁场将电气短接的螺旋管道3中产生涡流，使得螺旋管道3发热，并将产生的热量传给管道中流体，流体从进液集流管6-1分别流入各个螺旋管道3中，吸收热量后从出液集流管6-2流出（见图1中的流体流入方向和流体流出方向）。

本实用新型所述水冷组件可在高温加热中实现良好隔热，降低高温螺旋管道对通电线圈的传热，同时水冷组件可对通电线圈起到降温作用，从而保证了单台加热器功率可达10MW。

本实用新型利用三相三柱式变压器原理，把将首尾短接的螺旋管道套设于磁芯柱上，加热器直接接入最高可达到35kV的电网三相电，感应加热螺旋管道，从而实现对管道内流体的加热，实现了直接接入高压电，且电效率超过了97%。

本实用新型在通电线圈和螺旋管道之间设置有水冷组件，水冷弧板由非导磁金属制成，由于弧板之间电气绝缘，不形成闭合回路，所以处于交变磁场中也不会被加热，水冷弧板通入不超过40℃的冷却水，使得水冷弧板温度低于50℃，既有效阻挡了高温管道通过保温材料对通电线圈的传热，又可以有效地增强通电线圈散热，避免了线路老化，提高了电加热器的寿命，并且便于维护。

上面对本实用新型优选实施方式作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本实用新型的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本实用新型不限于特定的实施方式，本实用新型的范围由所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种电磁螺旋管式电加热器，其特征在于：包括磁芯（1）、通电线圈（2）、螺旋管道（3）、保温材料层（4）、水冷组件（5）和管路分配器（6），所述磁芯（1）包括磁芯柱（1-1）、上磁轭（1-2）和下磁轭（1-3），磁芯柱（1-1）为若干个，若干个磁芯柱（1-1）上端分别连接上磁轭（1-2），若干个磁芯柱（1-1）下端分别连接下磁轭（1-3），磁芯柱（1-1）外壁依次绕设有通电线圈（2）和螺旋管道（3），螺旋管道（3）嵌埋于保温材料层（4）中，所述通电线圈（2）和螺旋管道（3）之间套设有水冷组件（5），螺旋管道（3）的进口和出口分别连接管路分配器（6），并且螺旋管道（3）的进口和出口短接，水冷组件（5）外接水路，通电线圈（2）外接电源；

所述水冷组件（5）包括上定位绝缘环（5-1）、下定位绝缘环（5-2）和若干组水冷弧板（5-3），下定位绝缘环（5-2）设置于上定位绝缘环（5-1）正下方，若干组水冷弧板（5-3）在上定位绝缘环（5-1）和下定位绝缘环（5-2）的圆周方向上均匀分布，并且相邻两个水冷弧板（5-3）依次串联。

2.根据权利要求1所述的一种电磁螺旋管式电加热器，其特征在于：相邻两个水冷弧板（5-3）中间留有空隙，若干组水冷弧板（5-3）占上定位绝缘环（5-1）或下定位绝缘环（5-2）圆周长度的50%~95%。

3.根据权利要求1所述的一种电磁螺旋管式电加热器，其特征在于：所述水冷弧板（5-3）包括弧板（5-3-1）和U型水冷管（5-3-2），U型水冷管（5-3-2）与弧板（5-3-1）内侧连接，所述上定位绝缘环（5-1）和下定位绝缘环（5-2）周向外壁均匀分布有安装槽，U型水冷管（5-3-2）卡合于安装槽内，相邻两个水冷弧板（5-3）的U型水冷管（5-3-2）依次串联。

4.根据权利要求3所述的一种电磁螺旋管式电加热器，其特征在于：所述U型水冷管（5-3-2）进口和出口侧分别连接水嘴，相邻两个水冷弧板（5-3）的U型水冷管（5-3-2）水嘴通过胶管（11）连接，若干组水冷弧板（5-3）的起始进口外接进水管，若干组水冷弧板（5-3）的最终出口外接回水管。

5.根据权利要求1所述的一种电磁螺旋管式电加热器，其特征在于：所述水冷组件（5）上端通过上绝缘固定板（7）与上磁轭（1-2）固定，水冷组件（5）下端通过下绝缘固定板（8）与下磁轭（1-3）固定。

6.根据权利要求1所述的一种电磁螺旋管式电加热器，其特征在于：所述螺旋管道（3）为单层或多层绕制，螺旋管道（3）的进口和出口通过短接板（9）短接，短接板（9）同时接地，其中短接板（9）的横截面大于螺旋管道（3）横截面的两倍。

7.根据权利要求1所述的一种电磁螺旋管式电加热器，其特征在于：所述通电线圈（2）由铜线、扁铜线、铜带或中空通水铜管绕制而成，每个磁芯柱（1-1）上各绕制一组，所述通电线圈（2）与磁芯柱（1-1）和水冷组件（5）之间预留有风道（10），通电线圈（2）底部布置有风机。

8.根据权利要求1所述的一种电磁螺旋管式电加热器，其特征在于：所述管路分配器（6）包括进液集流管（6-1）和出液集流管（6-2），进液集流管（6-1）分别连接若干个螺旋管道（3）的进口，出液集流管（6-2）分别连接若干个螺旋管道（3）的出口。

9.根据权利要求1所述的一种电磁螺旋管式电加热器，其特征在于：所述磁芯柱（1-1）为三个，三个磁芯柱（1-1）上端分别连接上磁轭（1-2），三个磁芯柱（1-1）下端分别连接下磁轭（1-3），三个磁芯柱（1-1）由内到外分别依次绕设有通电线圈（2）和螺旋管道（3），三组螺旋管道（3）匝数和截面直径均相同。

10.根据权利要求1所述的一种电磁螺旋管式电加热器，其特征在于：所述磁芯柱（1-1）由硅钢片叠制而成，硅钢片的厚度＜0.35mm，多个硅钢片由绝缘拉杆或绝缘绑带夹紧，磁芯柱（1-1）的横截面为阶梯状多边形、圆形或椭圆形。

Images