一种电加热器、储热装置及储换热系统的制作方法

1.本发明属于电加热技术领域，尤其涉及一种基于液体绝缘、液体导热的电加热器、储热装置及电加热与换热一体式储换热系统。


背景技术：

2.现有应用在加热容器内的电加热管的普遍结构为以金属管为外壳，以填充在金属电加热管内的氧化镁粉作为绝缘介质，以沿管内中心轴向方向布置的螺旋电热合金丝作为发热介质。但这种传统电加热管方案存在氧化镁绝缘层导热性能差、绝缘性能和导热性能难以兼顾、电加热丝传热面积过小、电加热丝与被加热介质温差过大等问题。


技术实现要素：

3.针对上述技术问题，本发明的第一目的是提供一种基于液体绝缘、液体导热的电加热器，采用绝缘流体替代传统的氧化镁粉作为绝缘介质，同时采用导电流体替代电加热丝作为发热介质，大幅降低了电加热器的成本，明显提高了电加热管的表面热负荷和工作电压。
4.本发明的第二目的是提供一种储热装置，通过采用绝缘流体作为绝缘介质，采用导电流体作为发热介质，大幅降低储热装置的成本。
5.本发明的第三目的是提供一种电加热与换热一体式储换热系统，将绝缘流体作为换热液体，使其在绝缘的同时实现了与储热介质的换热过程。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
7.一种基于液体绝缘、液体导热的电加热器，包括若干个串联的电加热管，所述电加热管包括绝缘柱和包裹在所述绝缘柱外部的外壳，所述外壳具有绝缘流体流道，所述绝缘流体流道内通入绝缘流体，所述绝缘柱内设置若干个导电流体通道，所述导电流体通道内通入导电流体。
8.本发明一实施方式，所述导电流体通道内壁设置有可膨胀填料层。
9.本发明一实施方式，所述电加热管还包括电极引出件，所述外壳的两端具有相对所述绝缘柱的端部而向外延伸的延伸部，具有与所述导电流体通道相通的容置空间，所述容置空间内通入所述导电流体，所述延伸部连接有所述电极引出件，所述电极引出件从所述容置空间内向所述延伸部外引出。
10.本发明一实施方式，所述电极引出件和所述延伸部之间设有绝缘密封装置，所述导电流体被密封在所述容置空间及所述导电流体通道中。
11.本发明一实施方式，所述绝缘流体通道内设有绝缘支撑段，所述绝缘支撑段用于对所述绝缘柱进行支撑。
12.本发明一实施方式，所述绝缘支撑段为镂空结构。
13.本发明一实施方式，所述绝缘柱外表面设置翅片或螺纹。
14.本发明一实施方式，所述导电流体通道在所述绝缘柱内均匀布置。
15.本发明一实施方式，在所述绝缘柱的横截面上，所述导电流体通道以所述绝缘柱横截面的中心向外呈辐射且错位布置状。
16.本发明一实施方式，所述导电流体通道的横截面形状为圆形、正方形或菱形。
17.本发明一实施方式，所述外壳上具有绝缘流体入口和绝缘流体出口，所述绝缘流体入口与绝缘流体流输入管连通，所述绝缘流体出口与绝缘流体输出管连通。
18.基于相同的发明构思，本发明还提供了一种储热装置，包括容器、储热介质和上述实施例的基于液体绝缘、液体导热的电加热器，所述电加热器用于在所述容器内加热其中的储热介质。
19.其中，所述储热介质为固体、液体或固液混合体。
20.基于相同的发明构思，本发明还提供了一种电加热与换热一体式储换热系统，包括换热器和发电/供热装置，还包括上述的储热装置，所述储热装置内的所述电加热器的所述绝缘流体输出管与所述换热器的第一入口连通，所述储热装置内的所述电加热器的所述绝缘流体输入管和所述换热器的第一出口连通，所述换热器的第二入口和第二出口分别与发电/供热装置连通。
21.本发明一实施方式，所述储热装置与所述换热器连通的管路上设置第一调节阀和所述第一增压泵；
22.所述换热器与所述发电/供热装置连通的管路上设置第二调节阀和第二增压泵。
23.本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
24.(1)本发明在外壳内部设置绝缘流体流道，绝缘液体流道内通入流动的液体绝缘材料替代传统的固体绝缘层，大幅提高绝缘层的导热能力，从而大幅提升电加热管的表面热负荷；绝缘柱内部设置若干导电流体通道，导电流体通道内填充导电流体，可以根据实际需要设置不同数量的通道数量，导电流体替代传统的电加热丝，可以大幅提升发热介质与周围绝缘介质的换热面积，明显提高电加热管的表面热负荷，降低电加热器成本；
25.(2)由于导电流体会通过自然对流使得内部各处温度基本保持一致，从而使得电加热管不同位置功率基本一致，温度均匀，明显提高了电加热效率和电加热器寿命；
26.(3)通过在导电流体通道内壁设置可膨胀填料层，使得加热过程中导电流体通道的横截面的面积减小，保证加热过程中导电流体的整体电阻不变，保证电加热器功率稳定；
27.(4)在储换热系统中，通过换热器回收绝缘流体携带的热量，使得导电流体和外壳始终处在相对较低的温度下工作，相当于提升电加热管可以承受的热负荷，从而减少电加热管的使用数量，降低系统成本；
28.(5)在储换热系统中，可将绝缘流体同时作为换热液体，使其在绝缘的同时实现了与储热介质的换热过程，不用为储热介质另外单独设置换热系统和换热介质，大幅精简了系统结构，明显降低了系统成本。
附图说明
29.图1为本发明实施例1的基于液体绝缘、液体导热的电加热器结构示意图；
30.图2为本发明实施例1的电加热管的结构示意图；
31.图3为本发明实施例1的电加热管横断面的结构示意图；
32.图4为本发明实施例3的电加热与换热一体式储换热系统示意图。
33.附图标记说明：1-储热装置；2-过滤器；3-第一增压泵；4-第二调节阀；5-发电/供热装置；6-第二增压泵；7-换热器；8-第一调节阀；9-电加热器；10-电加热管；101-电极引出件；102-绝缘流体入口；103-绝缘流体出口；104-绝缘流体输入管；105-绝缘流体输出管；106-导电流体填充区域；107-外壳；108-绝缘支撑段；109-绝缘密封装置；110-绝缘柱；111-导电流体通道；112-可膨胀填料层。
具体实施方式
34.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种电加热器、储热装置及储换热系统作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。
35.实施例1
36.参看图1-3，一种基于液体绝缘、液体导热的电加热器，包括若干个电加热管10，电加热管10包括绝缘柱110和包裹在绝缘柱110外部的外壳107，外壳107具有绝缘流体流道，绝缘液体流道内通入绝缘流体，绝缘柱110内设置若干个导电流体通道111，导电流体通道111内通入导电流体，导电流体通道111的横截面形状可以为圆形，也可以为正方形、菱形等其他形状。
37.在本实施例中的电加热器9中，具有多个电加热管10，其中外壳107可以为套管形式，套设在绝缘柱110外，而本体的内部也是空心而可作为绝缘流体流道并通入绝缘流体，此种方式绝缘柱110不直接接触绝缘流体；外壳107也可以只作为保护外壳，在外壳107与绝缘柱110之间即作为绝缘流体通道并通入绝缘流体，此种方式绝缘柱110直接接触绝缘流体。多个电加热管10之间的绝缘流体连通，在外壳107上设置绝缘流体入口102和绝缘流体出口103，优选绝缘流体入口102和绝缘流体出口103分别设置在外壳107的两端，采用绝缘流体输入管104与绝缘流体入口102连通，绝缘流体输出管105与绝缘流体出口103连通。
38.绝缘柱110内部可设置若干个导电流体通道111，绝缘柱110可以为陶瓷柱，可以根据实际需要设置不同数量的通道数量，电加热管10连通供电电源后，导电流体通道111内的导电流体因通电而发热，导电流体的热量传递给绝缘柱，绝缘柱110将热量传递给绝缘流体流道内的绝缘流体，并被绝缘流体传递给电加热管10之外的被加热介质；进一步地，为强化绝缘柱110与绝缘流体的传热效果，绝缘柱110外表面设置翅片或螺纹。
39.导电流体通道111内壁设置有可膨胀填料层112，可膨胀填料层112可以选择高温硅橡胶、膨胀石墨等，可膨胀填料层112可随着温度升高或降低而膨胀或缩小，改变导电流体通道的管径。由于导电流体的电导率随温度发生变化，因此为保证导电流体通道111内的导电流体的整体电阻不随温度变化，需要温度变化时可膨胀填料层112厚度也随之变化，从而改变导电流体通道111的管径，改变导电流体通道111的横截面积，进而使得导电流体的整体电阻基本不随温度变化。选择热膨胀系数与导电流体的电导率尽可能相匹配的可膨胀填料层112，以尽可能取得前述的使导电流体在工作过程中整体电阻基本保持不变的效果。
40.例：当温度升高时，导电流体的电导率增大，则电阻减小，这会影响导电流体的输出功率，也即影响电加热管的表面热负荷；但由于设置了可膨胀填料层112，温度升高时可膨胀填料层112会因为热膨胀而增大厚度，使得导电流体通道111的管径减小，即横截面积减小，整体导电流体的电阻就会增大(长度一定时，电阻与横截面积呈反比)，因此，弹性调
料层112的设置，可保证使用过程中，整体的导电流体电阻始终保持不变，确保导电流体的输出功率稳定且足够，确保电加热管的表面热负荷不受温度变化影响。电加热管还包括电极引出件101，外壳107的两端具有相对绝缘柱110的端部向外延伸的延伸部，延伸部具有与导电流体通道111相通的容置空间，容置空间内通入导电流体，延伸部连接有电极引出件101，电极引出件101从所述容置空间内向所述延伸部外引出，容置空间内电极引出件101与绝缘柱110间隔的空间为导电流体填充区域106，与电极直接接触。
41.电加热管10的电极引出件101外接供电电源，导电流体通道111内的导电流体因通电而发热，从而加热被加热介质。
42.为防止导电流体填充区域106的导电流体泄露，在电极引出件101和外壳107的延伸部之间设置绝缘密封装置109，导电流体被密封在导电流体填充区域106及导电流体通道中，优选绝缘流体入口102和绝缘流体出口103设置在具有绝缘密封装置109的延伸部位置(如图3所示)，同时绝缘密封装置109内部充满绝缘材料防止漏电。
43.所述绝缘流体通道内设有多个绝缘支撑段108，绝缘支撑段108可以为如图3所示的支撑柱，也可以为其他结构，绝缘支撑段108位于外壳107和绝缘柱110之间，起到支撑绝缘柱110的作用，同时防止绝缘柱110因自重导致偏心或变形或断裂。绝缘支撑段108优选为设置为镂空结构，增大绝缘流体流动时的湍流度，从而进一步提高绝缘流体的换热能力。
44.绝缘柱110内的导电流体通道111均匀布置，保证圆周方向电场整体均匀，一方面使得电加热管10不同径向不同方向的绝缘性能一致，防止因局部绝缘性能差出现击穿、漏电等问题，另一方面也使绝缘柱各处受热均匀。进一步地，在绝缘柱110的横截面上，导电流体通道111以绝缘柱110横截面的中心向外呈辐射且错位布置状，既增大不同导电流体通道111之间的距离，既减小不同流体通道间电场的相互干扰，防止电场相互干扰导致的输出功率下降。
45.实施例2
46.一种储热装置，储热装置包括容器、储热介质和上述实施例1的基于液体绝缘、液体导热的电加热器9和储热介质，电加热器9用于在容器内加热其中的储热介质。
47.其中，储热介质可以为固体、液体或固液混合体。
48.实施例3
49.参看图4，一种电加热与换热一体式储换热系统，包括换热器7、发电/供热装置5，还包括实施例2的储热装置1，储热装置1内的电加热器9的绝缘流体输出管105与换热器7的第一入口连通，储热装置1内的电加热器9的绝缘流体输入管104和换热器7的第一出口连通换热器7的第二入口和第二出口分别与发电/供热装置5连通。
50.绝缘流体输出管105与换热器7第一入口连通的管路上设置第一调节阀8，换热器7的第一出口与绝缘流体输入管绝缘流体输入管104的连通管路上设置过滤器2、第一增压泵3；
51.换热器7的第二出口与发电/供热装置5的入口连通管路上设置第二调节阀4，换热器7的第二入口与发电/供热装置5的出口连通管路上设置第二增压泵6。
52.在电加热管10工作期间，加热储热装置1内的储热介质时，同时也加热了电加热器9中的绝缘流体，通过换热器7回收绝缘流体携带的流量，使得导电流体和外壳107始终处在相对较低的温度下工作，进一步提升电加热管10可以承受的热负荷，从而减小电加热管10
的使用数量，降低系统成本。
53.在电加热管10不工作期间，储热装置1内的储热介质放热时，第一调节阀8打开，绝缘流体被储热装置1内的储热介质加热，从绝缘流体输出管105流出，经第一调节阀8调节流量，并经第一入口进入换热器7内，将热量传递给换热器7内的传热介质，第二调节阀4打开，被加热的传热介质进入发电/供热装置5，传热介质驱动发电装置发电或传热介质利用供热装置为外部供热，传热介质在发电/供热装置5工作完成后，通过第二增压泵6进入换热器7；换热后的绝缘流体经第一增压泵3、过滤器2过滤泵入绝缘流体输入管104，而进入每一个的电加热管10内，完成放热循环。
54.本实施例储热装置1内的电加热器9在加热储热装置1内的储热介质时，同时也加热了电加热器9中的绝缘流体，绝缘流体经绝缘流体输入管104和绝缘流体输入管105，流入储换热系统内的换热器7，通过换热器7回收绝缘流体携带的热量，使得导电流体和外壳107始终处在相对较低的温度下工作，进一步提升电加热管10可以承受的热负荷，从而减少电加热管10的使用数量，降低系统成本；换热器7回收的绝缘流体携带的热量还可以进一步发电或供热，实现节能效果。
55.现有技术中，常用的电加热丝加热储热介质后，储热介质储存的热量若进一步进行发电或供热，则需要储热介质流通的换热系统，将储热介质的热量传递给发电工质等。而在本实施例中，在电加热管10工作期间，需要换热器7回收绝缘流体携带的热量，使导电流体和外壳107始终处在相对较低的温度下工作；在电加热管10不工作时，在储热装置1需要放热时，利用绝缘流体作为换热液体，参与储热介质的换热过程，直接将储热装置1内的热量传递给绝缘流体，绝缘流体作为换热介质，利用换热器7传递给发电介质或供热介质，不用为储热装置1内的储热介质设置单独的换热系统和换热介质，大幅精简了系统结构，明显降低了系统成本。
56.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明做出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。