专利名称：一种承压高温空气电加热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及高温空气燃烧技术领域，是一种承压高温空气电加热器，为产生高温高压空气的实验仪器，同时也可应用于其他需要少量高压高温空气的场合。
背景技术：
高温空气燃烧兴起于上世纪90年代，其特点为高燃烧稳定性，极低污染物排放， 该种技术目前已经逐渐应用于冶金、石化、机械、建材、锅炉等行业，具有广阔的发展前景， 目前燃气轮机燃烧领域正试图使用这一技术。在研究领域，高温空气燃烧同样在全球范围 内方兴未艾。目前产生高温空气的方法主要有三1)使用电加热器来提供高温空气，该种 方法易于控制出口条件，然而加热到800°C以上的空气加热器目前并无成品，也无法作为带 有压力的高温空气气源；2)采取预燃提供高温烟气，这种方法的缺点在于预燃室本身会产 生一定的NOx排放，供给的空气不足达到实验室需要的条件；3)采用蓄热体式高温空气发 生器，两个或多个蓄热体交替加热空气，这种装置体积庞大，空气在其中不断换向，出口温 度存在波动。
发明内容
本发明的目的是公开一种承压高温空气电加热器，可以承受一定压力、且有持续 稳定的高压高温空气输出，克服了目前空气加热技术的缺点，并且这种高压高温空气未经 燃烧，不含有CO，NOx, UHC等。。为达到上述目的，本发明的技术解决方案是一种承压高温空气电加热器，包括外壳，承温导流衬套，电热棒安装板，折流板，出 口密封盒，空气导管，电加热棒以及接线端子盒；其承压外壳由两端部和一中部组成，三部 分之间以法兰盘密封连接；一端部侧壁上设有接线端子盒和冷空气入口，在端部与外壳中 部之间的法兰盘中，固接有电加热棒安装板，电加热棒安装板径向隔断承压外壳内腔；外壳中部上侧壁靠近另一端部处，设有垂直向上的出口密封盘根盒；外壳中部空 腔内水平设有一根承温导流衬套和至少一空气导流管，径向设有两空气折流板；空气折流板上设有通孔，多数个大通孔，其内径与承温导流衬套的外径相适配；至 少一个小通孔，其内径与空气导流管的外径相适配；空气折流板一边有一弓形缺口，无缺口 的周缘与外壳中部空腔内壁相适配；两空气折流板位于外壳中部的中段，两者之间有一距 离，且两块空气折流板的缺口分别在相对的两侧；电加热棒安装板上有与空气折流板相同的通孔；承温导流衬套一端侧面设有开 孔，并固接于电加热棒安装板的一大通孔左侧，电加热棒安装板的一大通孔右侧以电加热 棒底座固接密封；承温导流衬套另一端蛇形顺序穿过所有的大通孔，最后由靠近另一端部 的空气折流板上的中心大通孔伸出后，向上弯折，接一垂直的空气出口管下端；空气出口管 上端向上，由出口密封盘根盒的中心孔穿出，接需气场合管道；空气导流管两端为开口，其一端固接于电加热棒安装板的小通孔上，另一端水平穿过两空气折流板上的小通孔，空悬于靠近另一端部的承压外壳内腔中；在承温导流衬套的通道中，轴向布设有电加热棒，电加热棒两引线与接线端子盒 电连接。所述的空气电加热器，其所述空气出口管与出口密封盘根盒之间缠绕着盘根进行 密封从而防止承压外壳内的空气泄露。所述空气电加热器，其所述空气导流管，在位于两空气折流板之间的中段开有多 数个降温小孔。所述空气电加热器，其所述电加热棒安装板与导流衬套之间，以及电加 热棒安装 板与承压外壳之间均通过螺钉连接并通过金属缠绕垫进行密封。所述空气电加热器，其所述一根承温导流衬套，为承温导流衬套管束，是由水平设 置于两空气折流板之间的多根承温导流衬套段，首尾依序以连接管连接而成；轴向布设有 电加热棒，是多根电加热棒经电加热棒安装板上的大通孔伸入承温导流衬套段中，当电热 棒完全伸入承温导流衬套段一端时，电加热棒安装板与承温导流衬套端面贴合，再以连接 管固接。所述空气电加热器，其所述多根电加热棒为串联设置。所述的空气电加热器，其所述承温导流衬套为不锈钢材料，采取渗铝工艺处理，使 不锈钢耐热温度达到1200摄氏度以上。所述的空气电加热器，其所述多数个大通孔，为九个，呈矩阵排列，大通孔A、B、C、 D位于四角，大通孔E、F、G、H位于四边的中点，大通孔I位于中心；承温导流衬套为穿过A 至I个大通孔首尾相连的管束，空气首先经承温导流衬套一端侧面的开孔，进入大通孔A中 的承温导流衬套，然后通过大通孔A、B间的连接管进入后续的承温导流衬套中，如此往复， 依次通过C、D、E、F、G、H、I孔间的连接管进入后续的承温导流衬套中，最后从中心大通孔 I的承温导流衬套中流出，该管束排列方式保证了在承温导流衬套中，冷空气在管束的外围 流动，随着空气的依次加热，通过热空气的管道靠近中心，以避免热量损失。所述空气电加热器，其所述电加热棒为直型电加热棒，由电阻丝外裹耐热材料，电 加热棒上缠有肋片，该电热棒两个接线端子均放置在电加热器一端。本发明的一种承压高温空气电加热器，其有益效果1.是一种全新的电加热器设计，提出了承压部件与承温部件为不同部件的方案， 可以持续输出带有压力的高温空气，避免承压部件在高温下工作造成寿命短、气体泄露等 缺点，是高温空气燃烧高温气源的理想解决方案。2.通过电压空气加热温度，具有升温速率快，操作简便，使用安全，体积小等特点。3.可以应用于其他需要少量高温空气的场合
图1是本发明的一种承压高温空气电加热器整体结构示意图；图2是本发明的电加热器承温导流衬套布置示意图；图3是本发明的空气折流板示意图；图4是本发明空气导流管示意图。
具体实施例方式以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。请参阅图1、图2、图3。图1是本发明的承压高温空气电加热器整体结构示意图。其中，承压外壳1，承温导流衬套2，空气折流板3，出口密封盘根盒4，空气出口管5，接线端子盒6，电加热棒安装板 7，空气导流管8。承压外壳1由两端部11、12和一中部13组成，三部分之间以法兰盘密封 连接。一端部11侧壁上设有接线端子盒6和冷却空气入口 15。在端部11与外壳中部13 之间的法兰盘14中，固接有电加热棒安装板7，电加热棒安装板7径向隔断承压外壳1内 腔。外壳中部13上侧壁靠近另一端部12处，设有垂直向上的出口密封盘根盒4 ；外壳 中部13空腔内水平设有一根承温导流衬套2和一空气导流管8，径向设有两空气折流板3。
见图3是本发明的空气折流板示意图。空气折流板3上设有通孔，多数个大通孔 32，其内径与承温导流衬套2的外径相适配；一个小通孔33，其内径与空气导流管8的外径 相适配。本实施例中设有九个大通孔32，分别为々、8、(、034、6、!1、1;只设有一根空气导 流管8，也可以设为多根。空气折流板3—边有一弓形缺口 31，无缺口 31的周缘与外壳中 部13空腔内壁相适配。两空气折流板3位于外壳中部13的中段，两者之间有一距离。两 块空气折流板3的缺口 31分别布置在相对的两侧。见图2是承温导流衬套布置示意图。电加热棒安装板7上有与空气折流板3同心 的通孔，承温导流衬套2 —端侧面设有开孔，并通过螺栓固接于电加热棒安装板7的大通孔 A左侧，电加热棒安装板7的大通孔A右侧以电加热棒底座通过螺栓固接密封；承温导流衬 套2另一端穿过两空气折流板3上的大通孔A后折回，再顺序穿过两空气折流板3和电加热 棒安装板7上的大通孔B后折回，蛇形顺序穿过所有的大通孔C、D、E、F、G、H、I，最后由靠 近另一端部12的空气折流板3上的中心大通孔I伸出后，向上弯折，接一垂直的空气出口 管5下端。空气出口管5上端向上，由出口密封盘根盒4的中心孔穿出，接需气场合管道。 空气出口管5与出口密封盘根盒4中间缠绕着盘根进行密封从而防止承压外壳1内的空气 泄露。见图4，空气导流管8两端为开口，在位于两空气折流板3之间的中段开有多数个 降温小孔，其一端通过螺栓固接于电加热棒安装板7的小通孔33上，另一端穿过两空气折 流板3上的小通孔33，空悬于靠近另一端部12的承压外壳1内腔中。承温导流衬套2的通道中，轴向布设有电加热棒(图中没示出)，电加热棒两引线 与接线端子盒6电连接。冷空气从端部11的入口 15进入端部11内腔，由唯一入口空气导流管8的端口进 入外壳中部13和另一端部12围成的内腔中。冷空气经空气导流管8中段的降温小孔喷出， 对承压外壳1内腔降温，可通过控制降温小孔的面积来控制冷却空气在外壳中部13和端部 12内的流量分配，大部分冷空气从空气导流管8的尾部开口进入另一端部12内，然后冷空 气经两块空气折流板3的缺口 31回到电加热棒安装板7的左端。由于电加热棒安装板7的 阻碍，冷空气只能由承温导流衬套2位于大通孔A左侧的开孔进入承温导流衬套2中。承 温导流衬套2为管束，电加热棒(图中没示出)布置于其中，最后经加热后的空气从空气出 口管5中流出，以供应带压高温空气。承温导流衬套2由于承温导流衬套2与承压外壳1内的压力基本相同，所以承温导流衬套2作为高温部件不承担压力。而冷空气由于空气导流管8的作用首先对承压外壳1进行冲击冷却，所以承压外壳1的温度不超过100°C。电加 热器安装板7与承温导流衬套2接触部分通过螺栓连接。图2是本发明的承压高温空气电加热器的承温导流衬套2的管路布置图。图2表 示的是从承压外壳1头部向后看的状态，点画线上的小圆为连接法兰的螺栓孔。空气导流 衬套2即为A至I首尾相连的管束，空气首先进入承温导流衬套中的A管的头部，然后通过 A管，再从A管与B管尾部的连接进入B管中。在B管中，空气则由尾部流向头部，之后在通 过22mm的连接管进入C管的头部。C管中空气流向为从头部进入尾部，而后进入D管。如 此往复，依次通过D、E、F、G、H管，最后从中心的I管流出。该种管束排列方式保证了在承 温导流衬套中，冷空气在管束的外围流动，随着空气的依次加热，通过热空气的管道靠近中 心，这样可以避免热量损失。本发明是一种承压高温空气电加热器，与目前已有的空气电加热器完全不同，该 承压高温空气电加热器通过将承压部件与承温部件分开。高温部件安置在电加热器内部， 无需承压，保证了原件的寿命。而承压部件被内部循环空气冷却，在外壳无需额外的保温措 施，这样一方面保证了使用者的安全，另一方面充分利用热量，保证了电加热器的能量转换 效率。承压外壳材料为铸造碳钢管，一端通过法兰和金属缠绕垫与球形封头相连，一段 通过法兰和金属缠绕垫与头部接线端子盒相连。本发明的实施例中，钢管外径273mm，内径 250mm，长度 1. 35m。承温空气导流衬套为不锈钢管束，不锈钢材料为lCol8Ni9Ti，不锈钢管材通过不 锈钢弯头以及短管首尾相连，使空气依次通过所有不锈钢管，整个管束通过渗铝处理，提高 耐温温度。本发明中，使用九根不锈钢管，呈矩阵排列，空气首先通过四角的钢管，然后进入 边上四根钢管，最后通过中心钢管。钢管外径38mm，厚度3mm。在靠近尾端这些钢管通过不 锈钢弯头焊接连接，靠近头部通过外径为22mm，厚度为2mm的短管连接。空气折流板为不锈钢板；空气导管为不锈钢管。空气进入电加热器壳体内部后，通 过空气导管进行流量分配，不同流量空气射流进入电加热器的不同部位，对承压外壳进行 冷却。最多的空气进入到电加热器尾端，通过两道折流板整流后，回到电加热器头部，与之 前射流进入空气一同流入空气导流衬套。折流不锈钢板厚度5mm。电加热器安装板为不锈钢板，电加热器安装于电加热器安装板上，伸入导流衬套 中对空气进行加热。安装板另一侧在接线端子盒中。电加热器安装板通过螺栓与导流衬套 相连接，在拆修维修时，只需取下电加热器安装板就可以对电加热棒进行处理，无需对承温 导流衬套以及电加热器其他部件进行修改。电加热器上开10个孔，九个为安装电热棒，剩 下的一个安装空气导管。头部接线端子盒为碳钢结构，空气进入电加热器后，首先进入头部接线端子盒，而 后进入空气导管，这样接电部分可以保证为整个空气电加热器中温度最低部分，避免由于 导热与辐射的温度对电线的损伤，进一步避免了短接或熔断的风险。带压高温空气管路通过一个密封的盘根盒弓I出空气电加热器，避免空气泄露的问 题。盘根使用直径6mm的石墨盘根。电加热棒采用直型结构，接线端子在加热棒同一侧，加热棒上缠有金属肋片增强换热效果。电加热棒外径29mm，加热有效长度0. 95m.
权利要求
一种承压高温空气电加热器，包括外壳，承温导流衬套，电热棒安装板，折流板，出口密封盒，空气导管，电加热棒以及接线端子盒；其特征在于，承压外壳由两端部和一中部组成，三部分之间以法兰盘密封连接；一端部侧壁上设有接线端子盒和冷空气入口，在端部与外壳中部之间的法兰盘中，固接有电加热棒安装板，电加热棒安装板径向隔断承压外壳内腔；外壳中部上侧壁靠近另一端部处，设有垂直向上的出口密封盘根盒；外壳中部空腔内水平设有一根承温导流衬套和至少一空气导流管，径向设有两空气折流板；空气折流板上设有通孔，多数个大通孔，其内径与承温导流衬套的外径相适配；至少一个小通孔，其内径与空气导流管的外径相适配；空气折流板一边有一弓形缺口，无缺口的周缘与外壳中部空腔内壁相适配；两空气折流板位于外壳中部的中段，两者之间有一距离，且两块空气折流板的缺口分别在相对的两侧；电加热棒安装板上有与空气折流板相同的通孔；承温导流衬套一端侧面设有开孔，并固接于电加热棒安装板的一大通孔左侧，电加热棒安装板的一大通孔右侧以电加热棒底座固接密封；承温导流衬套另一端蛇形顺序穿过所有的大通孔，最后由靠近另一端部的空气折流板上的中心大通孔伸出后，向上弯折，接一垂直的空气出口管下端；空气出口管上端向上，由出口密封盘根盒的中心孔穿出，接需气场合管道；空气导流管两端为开口，其一端固接于电加热棒安装板的小通孔上，另一端水平穿过两空气折流板上的小通孔，空悬于靠近另一端部的承压外壳内腔中；在承温导流衬套的通道中，轴向布设有电加热棒，电加热棒两引线与接线端子盒电连接。
2.如权利要求1所述的空气电加热器，其特征在于，所述空气出口管与出口密封盘根 盒之间缠绕着盘根进行密封从而防止承压外壳内的空气泄露。
3.如权利要求1所述空气电加热器，其特征在于，所述空气导流管，在位于两空气折流 板之间的中段开有多数个降温小孔。
4.如权利要求1所述空气电加热器，其特征在于，所述电加热棒安装板与导流衬套之 间，以及电加热棒安装板与承压外壳之间均通过螺钉连接并通过金属缠绕垫进行密封。
5.如权利要求1所述空气电加热器，其特征在于，所述一根承温导流衬套，为承温导流 衬套管束，是由水平设置于两空气折流板之间的多根承温导流衬套段，首尾依序以连接管 连接而成；轴向布设有电加热棒，是多根电加热棒经电加热棒安装板上的大通孔伸入承温 导流衬套段中，当电热棒完全伸入承温导流衬套段一端时，电加热棒安装板与承温导流衬 套端面贴合，再以连接管固接。
6.如权利要求5所述空气电加热器，其特征在于，所述多根电加热棒为串联设置。
7.如权利要求1所述的空气电加热器，其特征在于，所述承温导流衬套为不锈钢材料， 采取渗铝工艺处理，使不锈钢耐热温度达到1200摄氏度以上。
8.如权利要求1或5所述的空气电加热器，其特征在于，所述多数个大通孔，为九个， 呈矩阵排列，大通孔A、B、C、D位于四角，大通孔E、F、G、H位于四边的中点，大通孔I位于中 心；承温导流衬套为穿过A至I个大通孔首尾相连的管束，空气首先经承温导流衬套一端侧 面的开孔，进入大通孔A中的承温导流衬套，然后通过大通孔A、B间的连接管进入后续的承 温导流衬套中，如此往复，依次通过C、D、E、F、G、H、I孔间的连接管进入后续的承温导流衬套中，最后从中心大通孔I的承温导流衬套中流出，该管束排列方式保证了在承温导流衬 套中，冷空气在管束的外围流动，随着空气的依次加热，通过热空气的管道靠近中心，以避 免热量损失。
9.如权利要求1、5或6所述空气电加热器，其特征在于，所述电加热棒为直型电加热 棒，由电阻丝外裹耐热材料，电加热棒上缠有肋片，该电热棒两个接线端子均放置在电加热器一端。
全文摘要
本发明公开了一种承压高温空气电加热器，涉及高温空气燃烧技术，包括承压外壳，承温导流衬套，电热棒安装板以及电热棒等。该电加热器通过电压控制出口温度，通过不同部件分别承压与承温的设计可以最高在15atm压力下工作；在内部导流衬套采取渗铝工艺处理后，出口空气温度可以达到1000℃；通过冷却设计，该电加热器产生高温空气同时，外壳无需额外保温。在高温空气燃烧成为研究热点的背景下，本发明的电加热器可以安全有效地提供稳定的带有压力的高温空气，同时，可以满足其他需要高温空气的场合。
文档编号F24H9/18GK101813372SQ20091007855
公开日2010年8月25日 申请日期2009年2月25日 优先权日2009年2月25日
发明者吕煊, 崔玉峰, 徐纲, 房爱兵 申请人:中国科学院工程热物理研究所