專利名稱：液用三相工頻電磁感應及短路加熱裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電磁感應及短路加熱裝置和方法，更確切地說是一種用于加熱液體的三相工頻電磁感應及短路加熱裝置和方法。
歐洲專利EP0383272A2，其工作原理是當原邊繞組接通工頻電源，則在作為副邊的金屬管中感應產生低電壓的大電流而使金屬管被加熱，然后將熱量傳導給液體。它的結構是鐵心全部由硅鋼片疊成，在鐵心的心柱上由里及外依次圍繞原邊繞組及作為副邊的金屬管而組成一體、并穿過存放液體的容器，在原副邊間用樹脂填充而消除了不利熱傳導的空間、以使副邊的金屬管表面發(fā)熱均勻。由此可見，它的鐵心心柱隨副邊金屬管穿過容器，與容器外的上下軛鐵形成閉合磁回路。這樣，從功率與安全電壓的關系而言，功率小則其副邊金屬管的電壓低，功率大則副邊金屬管的電壓高而影響安全，即這種加熱方式受到功率的限制。這從如下公式可知(1)S＝K 式中鐵心的橫截面S與功率P的平方根成正比，K為常數(shù)；(2)S＝E/4.44fBN，式中電動勢E(這里可以看作電源電壓)，頻率f及磁感應強度B可以看成一定值，則鐵心橫裁面S與繞組匝數(shù)N成反比功率越大，每匝電壓越高。另外，與容器組成一體且軛部鐵心又設置在容器外暴露在空氣中的加熱裝置，還存在著體積大、功率小、熱效率低及制造工藝復雜等一系列的問題。至于現(xiàn)有的其它加熱方法所存在的問題，在該專利中已有詳細介紹。
中國專利ZL97106984.4，其中用于加熱液體的工作原理是由硅鋼片疊成“ш”形鐵心，將鐵磁性的鋼鐵件即磁鋼設置在“ш”形鐵心的上端，上述兩種不同材料構成的三相導磁體形成一閉合的三相磁回路，將圍繞在“ш”形鐵心三個心柱上的繞組接通三相工頻電源，則在磁鋼中通過三相交變磁通產生遠遠大于鐵心的渦流及磁滯而使磁鋼被快速加熱。在此，因產生的熱量主要來自渦流，故簡稱渦流加熱。它的結構是金屬外殼的上端與上述磁鋼的下端焊接密封，將上述的鐵心、繞組封裝在這一金屬外殼內，繞組的引接線從金屬外殼一側的接線座中引出，金屬外殼及接線座中的所有空間由絕緣填充物充實，這樣，構成一全封閉的實體。使用時，它除出線口外全部沉浸在液體中。工作時，磁鋼、鐵心及繞組產生的熱量直接或間接通過金屬外殼傳導給它周圍的液體。在此，可以清楚看到，金屬外殼對各相繞組的四周散熱是不均勻的、使繞組UV兩相間及VW兩相間這一局部區(qū)域的繞組溫升較高，影響壽命。另外，該裝置還存在著鐵心截面大、功率因數(shù)低等不足之處。
本發(fā)明的總的技術構思是應用電磁感應大電流及短路大電流的加熱原理，使金屬外殼成為沿著三相閉合磁回路包圍鐵心及各相原邊繞組的副邊、而使金屬外殼成為本加熱裝置的主發(fā)熱體，且又是鐵心和三相原邊繞組的保護外殼及散熱體。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的液用三相工頻電磁感應及短路加熱裝置的技術方案是本加熱裝置具有全部由硅鋼片疊合形成一閉合的三相磁回路的EI形鐵心；在EI形鐵心的三個心柱上各圍繞一原邊繞組，即三相原邊繞組；三相原邊繞組按其自左至右的三相相序排列分別以U、V、W表示；三相原邊繞組可按(Y)星接或(△)角接方法進行連接；鐵心和三相原邊繞組全部封裝在一金屬外殼內、金屬外殼內的空間由絕緣填充物充實而構成一全封閉的實體；其結構特點是金屬外殼沿著三相閉合磁回路設置，形成包圍鐵心及各相原邊繞組的各相位副邊、而成為本加熱裝置的主發(fā)熱體，且又是鐵心和三相原邊繞組的保護外殼及散熱體；各相位副邊借同一金屬外殼導通，形成副邊的相與相之間的短路及三相短路，三相短路其矢量之和等于零；運行時，金屬外殼呈零電位。
上述金屬外殼具有上下盤、殼體、兩矩形管和接線座；接線座焊接在殼體的一側下方，三相原邊繞組的引接線從接線座中引出；上下盤分別與殼體的上下端焊接；第一個矩形管設在三相原邊繞組的UV兩相之間及其相應鐵心的上下軛鐵之間，第二個矩形管設在三相原邊繞組的VW兩相之間及其相應鐵心的上下軛鐵之間；兩矩形管貫穿殼體的前后兩面，其前后兩端的四周分別與殼體的前后兩面焊接；這樣，兩矩形管的左右兩面與殼體分別形成包圍各相原邊繞組的三個作為副邊的金屬圈，該三個作為副邊的金屬圈按其相位仍以U、V、W表示；兩矩形管的上下兩面與殼體及上下盤分別形成包圍上下軛鐵的四個作為副邊的金屬圈；作為副邊的上述各金屬圈充分利用了鐵心三相磁回路的有效長度而提高了整機的輸出功率。
上述矩形管前后兩端呈開啟狀，該開啟狀矩形管的上下兩面可帶有內折翅片。
上述矩形管也可以是前后兩端呈半封閉狀矩形管在其一端設有至少一個液體進口，在其另一端設置至少三個液體出口；在該矩形管的內腔中設置既有散熱作用、又可增加液體流速的導流件。
構成上述金屬外殼的上下盤、殼體、兩矩形管、導流件可選用1至3毫米厚的金屬薄板制作，金屬薄板為不銹鋼板、鋼板或鋁板。接線座可選用不銹鋼型管。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的液用三相工頻電磁感應及短路加熱方法的技術方案是將上述加熱裝置除接線座的出線口外全部沉浸于液體中，當加熱裝置的三相原邊繞組接通三相工頻電源，則在沿著三相閉合磁回路包圍鐵心及各相原邊繞組的金屬外殼的各副邊金屬圈中感應產生大電流；各相位的副邊金屬圈借同一金屬外殼導通而產生相與相之間的短路及三相短路大電流；在上述兩種大電流的共同作用下，金屬外殼被快速加熱，所產生的熱量傳導給金屬外殼周圍的液體；各副邊金屬圈所形成的三相短路的矢量之和等于零，金屬外殼呈零電位。這種雙重大電流的加熱方法，有效提高了整機的輸出功率。
本發(fā)明的工作原理是上述副邊金屬圈的感應電流，原理上符合等式I1N1＝I2N2，式中I1為原邊電流，I2為副邊電流，N1為原邊匝數(shù)，N2為副邊匝數(shù)；在這里，N2為一匝。另外，上述各副邊金屬圈的相與相之間的短路及三相短路所產生的各個短路電流IDL，與各自的短路電勢E成正比，與各自的短路阻抗Z成反比，可用一簡式表示為IDL＝E/Z。
本發(fā)明具有積極的效果(1)在熱工設計中，有一表面負荷參數(shù)，其含義是每單位面積的發(fā)(散)熱功率；若表面積越大，則設計功率的余量越大。本發(fā)明采用沿著三相閉合磁回路包圍鐵心及各相原邊繞組的金屬外殼作為主發(fā)熱體，理所能夠獲得功率最大化的設計余量。(2)本發(fā)明在運行中金屬外殼呈零電位，安全可靠。(3)本發(fā)明在繞組UV和VW兩相之間分別設置可流通液體的矩形管，使三相原邊繞組的四周散熱均勻、溫升降低，有利于延長使用壽命。(4)本發(fā)明的功率因數(shù)達90％以上。(5)實現(xiàn)同樣的功率，本發(fā)明與EP0383272A2及ZL97106984.4相比，鐵心橫截面減少30％以上，用銅用鐵則相應減少30％以上，大大的降低了制造成本。從批量的生產來說，本發(fā)明的經濟效果非常好。
圖2為本發(fā)明的三相工頻電磁感應及短路加熱裝置中的矩形管結構示意圖；其中圖2-1所示的為開啟狀矩形管；其中圖2-1a為正視圖，圖2-1b為圖2-1a的側視圖；圖2-2所示的為帶內折翅片的開啟狀矩形管；其中圖2-2a為正視圖，圖2-2b為圖2-2a的側視圖；圖2-3所示的為一種半封閉狀矩形管；其中圖2-3a為正視圖，圖2-3b為圖2-3a的側視圖，圖2-3c為圖2-3a的剖面?zhèn)纫晥D；圖2-4所示的為另一種半封閉狀矩形管；其中圖2-4a為正視圖，圖2-4b為圖2-4a的側視圖，圖2-4c為圖2-4a的剖面?zhèn)纫晥D。
圖3為本發(fā)明的三相工頻電磁感應及短路加熱裝置的一種結構示意圖；其中圖3-a為正視圖，圖3-b為圖3-a的A-A剖面?zhèn)纫晥D，圖3-c為圖3-a的B-B剖面俯視圖。
圖4為本發(fā)明的三相工頻電磁感應及短路加熱裝置的另一種結構示意圖；其中圖4-a為正視圖，圖4-b為圖4-a的A-A剖面?zhèn)纫晥D。
圖5為本發(fā)明的三相工頻電磁感應及短路加熱裝置應用時的一種結構示意圖；其中圖5-a為正視圖，圖5-b為圖5-a的側視圖。
圖2顯示了本發(fā)明的矩形管5的四種結構，其中圖2-1所示的是一種兩端呈開啟狀結構的矩形管5。
圖2-2所示的是一種兩端呈開啟狀且上下兩面帶有內折翅片的矩形管5。
圖2-3所示的是一種兩端呈半封閉狀的矩形管5。在該矩形管5的一端設置一圓管11的為其進口，另一端開有三個方孔的為其出口；在該矩形管5的內腔中設置導流件10；導流件10是一全封閉的空心管，其上下兩面分別與矩形管5的上下內折翅片焊接，導流件10的四周與矩形管5的內壁四周保持一定的間距；這樣，導流件10既對矩形管5具有散熱作用，又使流經矩形管5的液體的流速增加；導流件10可選擇不銹鋼板制成，進口圓管11可選擇不銹鋼型管。
圖2-4所示的是另一種兩端呈半封閉狀的矩形管5。其一端設置3個進口圓管11，另一端開有4個方孔的為其出口。除此，其余結構均同上述的圖2-3。
圖2中，開啟狀矩形管用于本發(fā)明的功率較小的加熱裝置。這種加熱裝置使用時，介質液體的傳熱呈自然對流的方式。半封閉狀矩形管可用于本發(fā)明的功率較大的加熱裝置，介質液體的傳熱為強迫循環(huán)方式。本發(fā)明的矩形管5的結構不限于圖2所給出的四種結構，可在本領域普通技術人員所掌握的知識范圍內進行變化。
圖3的三個視圖，顯示了本發(fā)明的液用三相工頻電磁感應及短路加熱裝置20。該加熱裝置20將上述

圖1中的鐵心1、三相原邊繞組全部封裝在由上下盤3、殼體4、兩矩形管5和接線座6組成的金屬外殼內，三相原邊繞組的引接線8從接線座6經絕緣板7引出；上述金屬外殼與鐵心1及三相原邊繞組之間留有一定的絕緣間隙，金屬外殼內的所有空間由絕緣填充物9充實，構成一全封閉的實體。
仍見圖3，本實施例中的金屬外殼的各個部分除接線座6選擇的是不銹鋼型管外，其它均為不銹鋼板材經沖折、制作成形，然后再行組裝接線座6焊接在殼體4的一側下方；上盤3與殼體4的上端焊接，下盤3與殼體4的下端焊接；加熱裝置20采用圖2-1所示結構的矩形管5；第一個矩形管5設置在三相原邊繞組的UV相之間及其相應鐵心1的上下軛鐵之間，第二個矩形管5設置在三相原邊繞組的VW相之間及其相應鐵心1的上下軛鐵之間；兩矩形管5貫穿殼體4的前后兩面，其前后兩端的四周分別與殼體4的前后兩面焊接。這樣，上述兩矩形管5的左右兩面與殼體4分別形成包圍各相原邊繞組2的三個作為副邊的金屬圈(見圖3-c，B-B剖視)，該三個作為副邊的金屬圈按其相位仍以U、V、W表示；上述兩矩形管5的上下兩面與殼體4及上下盤3分別形成包圍上下軛鐵的四個作為副邊的金屬圈(見圖3-b，A-A剖視，圖中給出UV相部位的兩個副邊金屬圈)。作為副邊的上述各金屬圈，充分利用了鐵心三相磁回路的有效長度而提高了整機的輸出功率。
上述圖3中，第一個矩形管5的左面屬U相金屬圈，而其右面則屬V相金屬圈；這兩個不同相位的副邊金屬圈借該矩形管5的上下面導通，形成UV兩相副邊金屬圈的相與相之間的短路。而V相金屬圈和W相金屬圈則借第二個矩形管5的上下面導通，形成VW兩相副邊金屬圈的相與相之間的短路。U相金屬圈和W相金屬圈則借殼體4導通，形成UW兩相副邊金屬圈的相與相之間的短路。而上述各金屬圈借同一金屬外殼導通，形成副邊金屬圈的三相短路，三相短路其矢量和等于零，運行時金屬外殼呈零電位。
將上述加熱裝置20除接線座外全部沉浸在液體中，當它的三相原邊繞組接通三相工頻電源，則在沿著三相閉合磁回路包圍鐵心1及各相原邊繞組2的金屬外殼的各副邊金屬圈中感應產生大電流；各相位的副邊金屬圈借同一金屬外殼導通而產生相與相之間的短路及三相短路大電流；在上述兩種大電流的共同作用下，金屬外殼被快速加熱，再由金屬外殼將熱量傳導給它周圍的液體；運行時，各副邊金屬圈所形成的三相短路的矢量之和等于零，金屬外殼呈零電位。這種雙重大電流的加熱方法，與原有的加熱方法相比，在鐵心截面積相同的條件下而有效提高了整機的輸出功率。
圖4的二個視圖顯示了本發(fā)明的液用三相工頻電磁感應及短路加熱裝置30。在加熱裝置30中，采用的是圖2-4所示結構的半封閉矩形管5。加熱裝置30除采用的矩形管5與加熱裝置20不同外，其余結構均同加熱裝置20。
(應用例)圖5中的正側兩視圖，顯示了應用本發(fā)明組裝的一循環(huán)式加熱器40，取上述實施例5中本發(fā)明的加熱裝置30，將它固定在循環(huán)箱13內的底座14上，由循環(huán)泵將儲水箱(圖中未給出)中待加熱的水經總管16泵入循環(huán)箱13后分三路出水一路經圓孔15向下噴出，擴散后向上；另二路經支管17(圖5-b中給出一路支管)，通過本加熱裝置30的6個進口圓管11，進入兩矩形管5與導流件10的間隙，然后從兩矩形管5的另一端排出。上述三路水流經本加熱裝置30的金屬外殼表面，將其產生的熱量隨著被加熱了的水從出口12排出，回到儲水箱中，這樣周而復始，將儲水箱中的水加熱到要求的溫度。
(實驗例1)取實施例中本發(fā)明的加熱裝置30與同功率(315kW/400V)的渦流加熱裝置進行對比試驗。取等量水，水溫從16.5℃循環(huán)加熱到95℃，實測的有關參數(shù)見表1。從表中可見，本發(fā)明的工作電流小，功率因數(shù)高達0.95，運行時不需附加補償電容；繞組溫升比渦流加熱裝置的繞組溫升低25.8℃，有利本發(fā)明加熱裝置的使用壽命；材料耗用大幅下降，制造成本低。
表1 上述試驗在相同的循環(huán)加熱條件下進行，不同的是供本發(fā)明加熱裝置的循環(huán)水一部分經過兩矩形管5，另一部分經過金屬外殼的表面；供渦流加熱裝置的循環(huán)水全部經過外殼表面。簡言之，本發(fā)明的各相原邊繞組2的四周散熱充分且均勻，渦流加熱的繞組在其UV兩相以及VW兩相之間的部位得不到充分的散熱，所以用電阻法測量的繞組溫升高25.8K。
(實驗例2)為了更好地說明本發(fā)明加熱裝置在通電運行時，其金屬外殼的工作狀況，取實施例5中本發(fā)明的加熱裝置30一臺，功率630KW，在三相電源電壓均為400V的空氣中進行如下破壞性試驗，其實測參數(shù)見表2表2 1號試驗是在未破壞前的完整狀態(tài)下進行的，實測功率630KW，即額定功率。其中原邊繞組及鐵心的發(fā)熱功率，通常所稱的銅損及鐵損為8.7KW，占額定功率的1.381％。
2號試驗將金屬外殼的上下盤3與殼體4切斷分開。這樣，切斷了包圍軛鐵的四個副邊金屬圈的電流回路。這時，U、V、W三個副邊金屬圈及其相間短路、三相短路的結構不變。實測的輸出功率與額定功率之差，即為上述四個副邊金屬圈的輸出功率之和。
3號試驗，在上述試驗的基礎上，繼而沿UV兩相間的中心線，亦即按圖4的A-A剖面線切割殼體4及第一個矩形管5，使U相金屬圈成為一獨立的副邊，另兩相副邊金屬圈及其相間短路不變，這時三相短路不復存在。實測的輸出功率與下列4號試驗的所測的輸出功率之差，即為VW相的相間短路輸出功率。在這里，若其它兩個相間短路與此相同，則相間短路的總輸出功率為VW相的3倍。
4號試驗，按上述切割方法，繼而沿VW兩相間的中心線切割殼體4及第二個矩形管5，使U、V、W三個金屬圈成為獨立的三個副邊，實測的輸出功率即為三個副邊金屬圈輸出功率之和。
從額定功率中減去上述已知的各項實測輸出，其差105.6KW即為三相短路的輸出功率，占額定功率的16.76％。
從上述4號試驗的加熱裝置來看，此時的加熱裝置的結構與歐洲專利EP0383272A2中的三相加熱裝置的結構相對應，輸出功率理應相同；而4號試驗實測的輸出功率僅為額定值的0.5487。由此可見，對應于同樣的鐵心截面，本發(fā)明的加熱裝置的輸出功率較上述歐洲專利的輸出功率大1.8倍。
對上述的銅鐵損而言，它占總功率的比例雖小，但是，假如它處于絕熱狀態(tài)，則在運行時原邊繞組的溫升將很快超標，及致燒毀。簡言之，銅鐵損的熱量勢必通過金屬外殼傳導出去，傳導越充分，原邊繞組溫升越低，運行越可靠。這樣，就要求金屬外殼的溫度必須低于原邊繞組，且其溫差越大越有利傳導，而金屬外殼各部位的溫度并不均勻。從上述實測試驗可清楚看到，矩形管5的上下兩面因同時集相間短路電流及副邊金屬圈感應電流的兩種加熱功能，這里溫度最高。為之，在矩形管中設置與之連接的導流件是一簡便有效的散熱方法，或增加這一部位的流量，以使整個金屬外殼的溫度趨于均勻。
權利要求
1.一種液用三相工頻電磁感應及短路加熱裝置，具有全部由硅鋼片疊合形成一閉合的三相磁回路的EI形鐵心(1)；在EI形鐵心(1)的三個心柱上各圍繞一原邊繞組(2)，即三相原邊繞組；三相原邊繞組可按星接或角接方法進行連接；鐵心(1)和三相原邊繞組全部封裝在一金屬外殼內、金屬外殼內的空間由絕緣填充物充實而構成一全封閉的實體；其特征在于金屬外殼沿著三相閉合磁回路設置、形成包圍鐵心(1)及各相原邊繞組(2)的各相位副邊、而成為本加熱裝置的主發(fā)熱體，且又是鐵心(1)和三相原邊繞組的保護外殼及散熱體各相位副邊借同一金屬外殼導通，形成副邊的相與相之間的短路及三相短路，三相短路其矢量之和等于零，運行時，金屬外殼呈零電位。
2.根據(jù)權利要求1所述的液用三相工頻電磁感應及短路加熱裝置，其特征在于金屬外殼具有上下盤(3)、殼體(4)、兩矩形管(5)和接線座(6)；接線座(6)焊接在殼體(4)的一側下方，三相原邊繞組的引接線從接線座(6)中引出；上下盤(3)分別與殼體(4)的上下端焊接；第一個矩形管(5)設在三相原邊繞組的UV兩相之間及其相應鐵心(1)的上下軛鐵之間，第二個矩形管(5)設在三相原邊繞組的VW兩相之間及其相應鐵心(1)的上下軛鐵之間；兩矩形管(5)貫穿殼體(4)的前后兩面，其前后兩端的四周分別與殼體(4)的前后兩面焊接；這樣，兩矩形管(5)的左右兩面與殼體(4)分別形成包圍各相原邊繞組(2)的三個作為副邊的金屬圈，兩矩形管(5)的上下兩面與殼體(4)及上下盤(3)分別形成包圍上下軛鐵的四個作為副邊的金屬圈；作為副邊的上述各金屬圈充分利用了鐵心三相磁回路的有效長度而提高了整機的輸出功率。
3.根據(jù)權利要求2所述的液用三相工頻電磁感應及短路加熱裝置，其特征在于矩形管(5)前后端呈開啟狀。
4.根據(jù)權利要求3所述的液用三相工頻電磁感應及短路加熱裝置，其特征在于矩形管(5)的上下兩面帶有內折翅片。
5.根據(jù)權利要求2所述的液用三相工頻電磁感應及短路加熱裝置，其特征在于矩形管(5)是前后兩端呈半封閉狀的矩形管，在其一端設有至少一個液體進口，在其另一端設有至少三個液體出口；在該矩形管(5)的內腔中設置既有散熱作用、又可增加液體流速的導流件(10)。
6.一種三相工頻電磁感應及短路加熱液體的方法，其特征在于當液用三相工頻電磁感應及短路加熱裝置的三相原邊繞組接通三相工頻電源，則在沿著三相閉合磁回路包圍鐵心(1)及各相原邊繞組(2)的金屬外殼的各副邊金屬圈中感應產生大電流；各相位的副邊金屬圈借同一金屬外殼導通而產生相與相之間的短路及三相短路大電流；在上述兩種大電流的共同作用下、金屬外殼被快速加熱，再由金屬外殼將熱量傳導給它周圍的液體；各副邊金屬圈所形成的三相短路的矢量之和等于零，金屬外殼呈零電位；這種雙重大電流的加熱方法，有效提高了整機的輸出功率。
全文摘要
本發(fā)明屬于電磁感應及短路加熱領域。本發(fā)明的加熱裝置的鐵芯呈EI形、全部由硅鋼片疊合形成一閉合的三相磁回路,在EI形鐵芯的三個芯柱上各圍繞一繞組,即三相原邊繞組;鐵芯和三相原邊繞組全部封裝在一金屬外殼內,該金屬外殼是一沿著三相閉合磁回路包圍鐵芯及各相原邊繞組的副邊、而成為本加熱裝置的主發(fā)熱體,且又是鐵芯和三相原邊繞組的保護外殼及散熱體。運行時,金屬外殼的各副邊金屬圈中感應產生大電流;各相位的副邊金屬圈借同一金屬外殼導通而產生相與相之間及三相短路大電流;兩種大電流使金屬外殼被快速加熱;且金屬外殼呈零電位而安全可靠。
文檔編號H05B6/36GK1356856SQ0113418
公開日2002年7月3日 申請日期2001年11月18日 優(yōu)先權日2001年11月18日
發(fā)明者吳榮華 申請人:吳榮華