專利名稱：：集膚電熱元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及電致熱原理電熱元件，尤其結(jié)合集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、焦耳效應(yīng)一體的電熱元件。技術(shù)背景目前，全國工業(yè)電熱設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員發(fā)布的《金屬管狀電熱元件JB/T2379-93》機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了其使用、更換、可靠、耐用安全、經(jīng)濟(jì)合理及節(jié)能的要求。對(duì)于工業(yè)電熱元件技術(shù)要求除此以外還應(yīng)提出功率大，長(zhǎng)度長(zhǎng)，適合各種高溫狀態(tài)或耐蝕介質(zhì)的要求，其中第3.1.1b雙端引出，其一端接外殼形式的電熱元件是一種較適合的理想結(jié)構(gòu)(為了理解，見圖lh這種結(jié)構(gòu)雖然可以制成較長(zhǎng)、教粗、效率較高、簡(jiǎn)單安裝拆換方便的工業(yè)電熱元件，但是其外殼(即稱金屬管)工作時(shí)外殼帶電；當(dāng)人體直接接觸時(shí)完全可能造成觸電；所以非常危險(xiǎn)，即使將許多電熱元件焊制成法蘭形式的集膚大功率電加熱器，或改變電氣接法將更會(huì)造成人身危險(xiǎn)的可能。如在爆炸性、氣體性場(chǎng)所或爆炸性粉塵性場(chǎng)所將更加危險(xiǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是一種工業(yè)電熱元件，是利用集膚效應(yīng)，鄰近效應(yīng)，焦耳效應(yīng)原理在上述"其一端接外殼結(jié)構(gòu)"同時(shí)在設(shè)備改變結(jié)構(gòu)的成本基礎(chǔ)上徹底解決了"外殼"帶電絕緣完全問題。l.公知，碳鋼管在工頻交流下的阻抗顯著大于它的直流電阻。一般碳鋼管也會(huì)產(chǎn)生明顯的集膚效應(yīng)。當(dāng)碳鋼管兩端和其孔中有螺旋合金電熱絲兩端各分別加上工頻電壓通過電流相反時(shí)電流僅在碳鋼管內(nèi)壁流過，外壁沒有電流經(jīng)過，無電壓。出現(xiàn)了"鄰近效應(yīng)"和集膚效應(yīng)。在碳鋼管內(nèi)壁形成了"集膚導(dǎo)電環(huán)"，其外面形成了"集膚絕緣環(huán)"。而且電流密度從內(nèi)往外按自然指數(shù)規(guī)律變化衰減，其原理基于電磁感的渦流及磁滯所產(chǎn)生的熱量而加熱。如將碳鋼管和合金電熱絲另一端連接一起，在兩者的另一端加上電壓，也就是JB/T2379-93第3.1.1b"雙端引出，其一端接外殼"結(jié)構(gòu)形式完全相同，只不過是其結(jié)構(gòu)形式與本發(fā)明原理不同而異。前者是釆用焦耳熱原理，后者是利用電磁渦流及磁滯所產(chǎn)生熱量和焦耳熱；f者的電回路電流經(jīng)過合金電熱絲和一般金屬管的全部截面，后者的電回路電流經(jīng)過合金電熱絲和碳鋼管的內(nèi)壁截面。(忽略引出棒和堵頭的電阻，可以建立本發(fā)明的等效電路模型見圖2。根據(jù)基爾霍夫第二定律-U=I(r+R)+jI(Xl+Xc),'.".........................(1)式中^為輸入交流電壓；I為通過合金電熱絲和碳鋼管的交流電流；r為合金電熱絲的電阻；R為碳鋼管的電阻；XL為合金電熱絲的感抗；Xc為碳鋼管的容抗；由(1)式可見；實(shí)部r+R合金電熱絲電阻和碳鋼管電阻部分形成了焦耳熱，部部XL+Xc合金螺旋絲感抗和碳鋼管容抗部在碳鋼管內(nèi)壁電磁渦流及磁滯產(chǎn)生的熱量。(其中碳鋼管因涉及磁導(dǎo)率的電阻和容抗難以準(zhǔn)確計(jì)算確定，只有測(cè)出有功電量參數(shù)才能推算其它參數(shù)。)2.碳鋼管的壁厚是決定安全的關(guān)鍵，定量地確定碳鋼管壁厚d從內(nèi)壁到外壁的電流密度服從物理指數(shù)律衰減j=joeds…"'(2)其中>碳鋼管截面的電流密度；j:碳鋼管的電流密度；d:碳鋼管的厚度；ds:電流密度從內(nèi)壁到管外已減到j(luò)o的37%的深度稱為"趨膚深度"。在工頻下，趨膚深度與電阻率的平方報(bào)成正比，與相對(duì)磁導(dǎo)率的平方根成反比e由于碳鋼管相對(duì)磁導(dǎo)率很高，且不是一個(gè)非線性常數(shù)，對(duì)于不相同生產(chǎn)管徑"3/4~3"規(guī)格的10弁、20#碳管或純鐵管就有不相同的相對(duì)磁導(dǎo)率，范圍約幾百左右(取100左右)為了使用安全，實(shí)際使用推薦取碳鋼管壁厚是趨膚厚度的3倍以上。/P>5030VVf……"..,，.""......................…，"...(3)式中j:趨膚深度cm;p:碳鋼管電阻率Q.cm;u:相對(duì)磁導(dǎo)率；f:頻率HZ。跗圖說明圖1、是《JB/T2379~93金管狀電熱元件》機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，第3,1.1,t>雙端引出，其一端接外殼的結(jié)構(gòu)圖。圖2、是本發(fā)明的等效電路模型原理圖。圖3、是本發(fā)明的試測(cè)電路。圖4、本發(fā)明的趨膚厚度曲線圖。圖中l(wèi).合金電熱絲；2.氧化鎂粉；3.金屬管4.金屬堵頭；5.端部密封料；6.引出棒7.合金電熱絲的電阻，符號(hào)R;8.合金電熱絲的感抗，符號(hào)XL;'9.碳鋼管的電阻，符號(hào)r;10.碳鋼管的容抗，符號(hào)XC;11.集膚導(dǎo)電環(huán)，S;12.集膚絕緣環(huán)，T;13.碳鋼管內(nèi)徑,d;14.碳鋼管外徑,D;15.碳鋼管壁厚5;16,對(duì)于趨膚厚度的臨界電位fi。；17,零線對(duì)尾端電位IJW;,18.首端相線對(duì)尾端旁各孔底電位CfX;19.交流電源0;20.對(duì)于碳鋼管從內(nèi)徑至外徑的電位ilz;21.周圍環(huán)境；22.碳鋼管電阻！Jc;23.合金電熱絲電阻ilL。具體實(shí)施方式現(xiàn)用一個(gè)工業(yè)用的集膚電熱元件，20#碳鋼管規(guī)格為0l8*3.5mm,長(zhǎng)7,5m其孔中穿一右旋螺旋絲，材質(zhì)為Cr20Ni80，0l.3mm，電阻率為1.05Qmm2/m,螺旋絲外徑為05nm，螺距為8.4m邊，展開長(zhǎng)度8.16mm，制作前直流電阻6.45Q。按圖1結(jié)構(gòu)，兩端焊上兩個(gè)引出棒，一個(gè)引出櫸連接合金電熱絲，另一個(gè)引出棒連接，金屬堵頭與碳鋼管尾端焊接，連接合金電熱絲的引出棒接到工頻電源相線，碳鋼管的首端表面接到工頻電源零線連成電回路發(fā)熱。等長(zhǎng)定位在碳鋼管中間，在碳鋼管與螺旋絲之間緊密填充結(jié)晶氧化鎂。經(jīng)縮管工藝使碳鋼管內(nèi)裝螺旋絲引出棒，結(jié)晶氧化鎂使管長(zhǎng)7.5m，伸長(zhǎng)8.2m，使原直流電阻6.45Q增大7.3Q，電熱絲表面熱負(fù)荷17w/em2，電熱管表面熱負(fù)荷1,8w/cm、將本實(shí)施的集膚電熱元件接上220V50HZ工頻電源，其功率為5588W，電流25.4A。在碳鋼管兩端測(cè)出電壓為(Jc為0,4V，在合金電熱絲兩端的電壓測(cè)出電壓ilL為216V，可以計(jì)算功率因數(shù)(216V+0.4V)*25.4A/220V*25.4A=0.98。由上述可算出碳鋼管交流電阻率0.33Qmm2/m。本集膚電熱元件屬性電阻負(fù)載e并按圖3接成試驗(yàn)電路。由圖3可見，集膚電熱元件從首端至尾端集膚導(dǎo)電環(huán)厚度是相同的，可以取靠尾端附近取8個(gè)部位分別鉆05mm的孔，其深度從碳鋼管從外徑向內(nèi)徑分別取0.5、1.0、1.5、2.0、2.3、2.7、3.0、3.3mm，并分別測(cè)量管孔底與碳鋼管首端表面的電位O數(shù)值，圖4如下表<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>另一方面，018x3.5碳鋼管表面的漏電壓1Jw從首端每相隔2mm至尾端測(cè)量能找出成正比例增加的規(guī)律。尾端最大可見表下長(zhǎng)度m2468.2漏電壓V0.090.170.240.33由圖4表明集膚絕緣環(huán)和集膚導(dǎo)電環(huán)非常明顯，由于碳鋼管外漏電壓雖然存在，但其已非常微弱已不會(huì)對(duì)人體造成危險(xiǎn)，也就是碳鋼管已自身絕緣了。為了安全可靠，碳鋼管厚度應(yīng)取是"趨膚厚度"的5倍，即安全又經(jīng)濟(jì)合理。雖然鋼管自身具有絕緣性，碳鋼管客觀的漏電壓是存在的，必須將其接地保護(hù)(見圖2)。從上表和趨膚厚度圖4明顯可見找到"趨膚厚度"為0.4)邁左右。用(3)式進(jìn)行驗(yàn)算具有指導(dǎo)性。>=5030Vu.f5030V100x50hz與本實(shí)施例符合。另外，本集膚電熱元件可以在碳鋼管套上耐腐蝕耐高溫，不鍰鋼如Ineolog600、Monel400等，采用縮管工藝緊密套上并拋光。權(quán)利要求1、本發(fā)明為一種集膚電熱元件，由碳鋼管、合金電熱絲、氧化鎂粉、引出棒、金屬堵頭組成，有兩個(gè)引出棒，一個(gè)引出棒連接合金電熱絲，另一個(gè)引出棒連接金屬堵頭，金屬堵頭與碳鋼管尾端焊接，在合金電熱絲與碳鋼管之間是氧化鎂粉，連續(xù)合金電熱絲的引出棒引出接到碳鋼管首端工頻工頻電源的相線，碳鋼管的首端表面接到工頻電源的零線，連成電回路發(fā)熱，其特征是電流回路經(jīng)過合金電熱絲，金屬堵頭和碳鋼管的內(nèi)壁，碳鋼管整個(gè)表面沒有電流通過。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的集膚電熱元件，其特征是經(jīng)內(nèi)璧電流回路的導(dǎo)體材料是碳鋼管。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的集膚電熱元件〗其特征是碳鋼管是厚度取為3倍以上的集膚厚度。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的集膚電熱元件，其特征是碳鋼管上面有耐腐蝕不銹銅護(hù)套。全文摘要一種集膚電熱元件，由碳鋼管、合金電熱絲、氧化鎂粉、引出棒、金屬堵頭和耐腐蝕不銹鋼套管等組成。用于石油、化工、電廠等行業(yè)的各種大型電加熱設(shè)備。因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、壽命長(zhǎng)、尤其碳鋼管整個(gè)表面沒有電流通過，解決了集束大功率的絕緣問題。市場(chǎng)前景廣闊。文檔編號(hào)H05B3/02GK101128072SQ20071014846公開日2008年2月20日申請(qǐng)日期2007年8月30日優(yōu)先權(quán)日2007年8月30日發(fā)明者放趙申請(qǐng)人:放趙