一种开式封闭加热器加和式结构的电锅炉的制作方法

本发明涉及电加热技术领域，特别是涉及一种开式封闭加热器加和式结构的电锅炉。

背景技术：

目前，市场现有的电加热器主要以金属管状电热元件为主，作为加热元件组成设备，用来加热水，其结构组成及加热方式见图1，金属管状电热元件，由金属管、电阻丝、绝缘填料组成，并与管端结构一起作成的整体构件，绝缘填料充实并与电阻丝烧结在一起，置于金属管内。由于设计结构和控制等的因素，存在问题：

⑴电阻丝直径小，较大功率的加热器，一般在0.4-0.7mm左右，螺旋直径小，展开长度小，表面积小，热负荷(单位时间单位面积上传递的热量)高，一般金属管状电热元件热负荷取值在50-100w/cm²，甚至更高，高的热负荷使电阻丝长时间工作在高温，易于发生故障，使工作寿命大幅度缩短；

⑵作为水冷壁，金属管直径小，一般为12mm，长度有限，表面积小，热负荷高，一般都在10.0w/cm²以上，因此，要使传热完成额定功率，水冷壁温必置于高温(一般都在380℃以上)，水接触高温金属壁立刻变成蒸汽，产生局部蒸浓，含有钙镁离子的物质就会沉淀析出，结垢于管壁上，结垢产生污垢热阻，使管状电热元件传热链上的热阻增高，热阻增高反馈电阻丝温升提高，水冷壁结垢不停进行，污垢热阻不断增加，传热恶化，当电热元件温升达到熔点时爆管就发生了；

⑶由于绝缘填料的固结约束，电阻丝的热胀冷缩没有空间，电阻丝在多周次循环热疲劳应力状态，由于电阻丝截面积很小，应力集中处无多余金属协同，在极端情况下的局部或微观，产生径缩或剪切，在截面的突变处电阻突然增大，温升急剧增高，电阻丝烧断；

⑷在电加热器电控系统中，其工作原理见图2，使用铁芯、线圈、衔铁、触点簧片式继电器作为开关元件(一般称电磁触点式继电器)，电磁触点式继电器的启动是刚性的，即启动时，电压瞬间由零增加到额定值，电流瞬间增到最大，对电网和用电器产生冲击，大电流超负荷瞬时加载，使用电器性能产生漂移、异常，甚至失效或毁坏，对于直径很小的电热元件危害严重；

⑸金属管状电热元件的水冷壁管直接接触水，电阻丝与水冷壁作成一体，不可拆分，电热元件整体拆除水就会流出，水电不能分离，这种方式给加热器结构方位设计、使用和维护维护带来不便；

⑹目前市场现有电加热器的控制方式是利用plc可编程控制器，对系统进行时序控制和对温度进行位式调节(达到设定温度断电，低于设定温度合闸)，没有温度的微分变量调节，使用电磁触点式接触器作为其开关执行元件，没有智能控制，没有通讯方法，控制和调节方式简单、原始、粗犷。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种开式封闭加热器加和式结构的电锅炉，电加热器采用开式加和式结构，改善了整体工作性能，降低了工作温升，延长使用寿命，并通过微电脑实现智能化控制。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种开式封闭加热器加和式结构的电锅炉，该电锅炉包括：供水装置、三相电加热器和电控系统，所述供水装置包括水箱及与水箱连通的水泵，所述电控系统包括微电脑以及与微电脑电性连接的gprs通信模块，所述微电脑通过所述gprs通信模块与物联网云平台通信连接，所述三相电加热管包括三组单相电加热元件，每组所述单相电加热元件包括容器以及设置在容器腔体内的多个加热组件，所述容器外包裹有保温层，所述加热组件包括电热合金元件以及依次设置在电热合金元件外的瓷管、水冷壁管，所述瓷管与水冷壁管之间浇筑导热层，多个所述加热组件的电加热合金元件串联连接，所述三相电加热器和水泵分别与所述微电脑电性连接；

所述容器的两端设置有容器封头，所述水冷壁管的两端分别与所述容器两端的容器封头一一对应焊接，所述瓷管与电热合金元件的两端不封闭，待加热水位于所述水冷壁管的外壁与所述容器的侧壁以及容器封头构成的通道内，所述容器的侧壁上开设有进水口和出水口，所述水泵通过供水管道与所述进水口连通；

所述容器内设置有温度传感器和水位传感器，所述温度传感器和水位传感器分别与所述微电脑电性连接，所述微电脑内设定温度和水位阈值，根据温度传感器和水位传感器采集到的数据，分别控制所述三相电加热器和水泵的启停。

可选的，所述电热合金元件为高电阻电热合金制造，作成螺旋型。

可选的，所述电控系统还包括塑壳断路器、第一漏电断路器、第二漏电断路器、第三漏电断路器，三相电源接入到塑壳断路器，在塑壳断路器上分接第一漏电断路器、第二漏电断路器、第三漏电断路器和急停开关，所述第一漏电断路器接自锁带灯按钮电源开关，所述第二漏电断路器接第一固态继电器，所述第一固态继电器接所述水泵，所述第三漏电断路器接第二固态继电器，所述第二固态继电器接所述三相电加热管，所述微电脑分别与所述第一固态继电器、第二固态继电器电性连接。

可选的，所述电控系统还包括手自切换电路，所述手自切换电路包括依次电性连接的手自动旋钮开关、线圈和第一中间继电器，所述第一中间继电器与所述微电脑电性连接，所述手自动旋钮开关分为自动和手动两个档位，通过控制所述线圈的吸合与断开，控制所述第一中间继电器的通断，实现所述微电脑的手动控制和自动控制模式的切换。

可选的，所述gprs通信模块连接有卫星天线，物联网云平台与所述卫星天线通信连接。

可选的，所述电控系统还包括散热组件，所述散热组件包括冷却器和风机，所述冷却器为铝合金制造的多孔多肋片型材，所述风机固定在所述冷却器的一端，所述第一固态继电器和第二固态继电器通过螺栓固定连接在所述冷却器表面的t型槽上。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的开式封闭加热器加和式结构的电锅炉，

第一，三相电加热器中的每个单相电加热元件采用开式加和式结构，其中，多个所述加热组件的电加热合金元件串联连接为和式结构，电热合金元件、瓷管及导热层各自独立，瓷管与电热合金元件的两端作热保护，不封闭，为开式结构，电热合金元件可以取出，与绝缘瓷管及水冷壁管脱开，形成水电分离，这种结构使得电热合金元件和水冷壁管传热负荷大幅度降低，工作温升降低，在额定单元功率下，电热合金元件工作温升比传统的金属管状电热元件降低25％以上，水冷壁管工作温升比传统的金属管状电热元件降低65％以上，从根本上保证了电加热器不过热、无故障，长寿命；水冷壁管始终工作在低温，不过热，不产汽，不结垢，不产生冗余热阻，不破坏系统传热，对电热合金元件无热效应反馈，保证电热合金元件始终工作在正常温度下，电热合金元件和水冷壁管温升低还为加热传热系数低的热风创造了条件，故该结构可加热水，也可加热风；单相电加热元件采用开式结构，水与电系统各自独立，为制造提供方便，为维护带来方便，可实现在线维护，也为设计如电热元件的直径、长度尺寸的选择、表面热负荷的选择、连接方式的选择、材料的选择、与之关联的功率系列数的确定等扩展了范围；螺旋型电热合金元件通电后，其周围产生磁场，磁力线穿过瓷管，被水冷壁管斩获封闭，在水冷壁管上感生电流，感生电流以涡流型式分布在水冷壁管表面，涡流热效应被水吸收，没有电磁损失，单相电加热元件能量损耗降到最低，该结构有节能效果；

第二，微电脑设定水位和温度阈值，可以根据温度传感器和水位传感器的数据，控制三相电加热器和水泵的工作状态，实现智能化控制，此外设低温防冻保护功能，电控系统在待机状态或在时段模式时段时间之外，只要检测到当前水温低于用户设定的防冻温度时，电控系统将自动进入低温防冻模式，确保电锅炉的使用安全；

第三，采用第一固态继电器和第二固态继电器作为控制开关，固态继电器作为无触点通断电子开关，利用电子元件大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点、无火花地接通和断开被控电路，实现弱信号对强电的控制，避免了启动时大电流冲击，防止单相电加热元件瞬间过热，保证了三相电加热器的使用安全；

第四，微电脑通过gprs通信模块与物联网卫星云平台，用户通过物联网卫星云平台可以对电锅炉进行远程监控操作和通讯，在远程可视化界面下进行实时和多角度监测和参数设置、温度调节、运行监控、安全控制和异地通讯。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中金属管状电热元件结构示意图；

图2为现有技术中电加热器的电路结构示意图；

图3为本发明实施例单相电加热元件的结构示意图；

图4为本发明实施例电锅炉的电路结构示意图；

图5为本发明实施例手自切换电路结构示意图；

图6为本发明实施例散热组件的正面结构示意图；

图7为本发明实施例散热组件的右侧面结构示意图；

图8为本发明实施例散热组件的俯视图；

图9为本发明微电脑连接结构示意图；

图10为本发明多组三相电加热器的连接结构示意图；

图11为本发明电加热器物联网远程测控系统拓扑图；

附图标记：1＇、外包壳；2＇、保温层；3＇、容器；4＇；绝缘填料；5＇、金属管(水冷壁)；6＇、电热元件；7＇、电热元件用电磁触点式继电器；8＇、电阻丝；10＇、水泵用电磁触点式继电器；

1、外壳；2、保温层；3、容器封头；4、容器；5、水冷壁管；6、瓷管；7、导热层；8、电热合金元件；9、待加热水；10、进水口；11、焊接点；12、出水口；13、接地线；14、手自切换电路；15、温度调节开关；16、三相电加热器；17、微电脑；18、温度传感器；19、第二固态继电器；20、水位传感器；21、第三漏电断路器；22、微电脑温控按钮；23、直流电源中间继电器；24、卫星天线；25、直流电源；26、第二漏电断路器；27、第一固态继电器；28、水泵；29、电流互感器；30、第一漏电断路器；31、自锁带灯按钮电源开关；32、电压电流表；33、塑壳断路器；34、急停开关；35、冷却器；36、风机；37、螺栓；38、第一中间继电器；39、线圈；40、手自动旋钮开关；41、t型槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种开式封闭加热器加和式结构的电锅炉，电加热器采用开式加和式结构，改善了整体工作性能，降低了工作温升，延长使用寿命，并通过微电脑实现智能化控制。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图3至图4、图11所示，本发明实施例提供的开式封闭加热器加和式结构的电锅炉，包括供水装置、三相电加热器和电控系统，所述三相电加热器设置在电锅炉的本体内，所述电控系统设置在电锅炉的电控柜内，所述供水装置包括水箱及与水箱连通的水泵28，所述电控系统包括微电脑17以及与微电脑17电性连接的gprs通信模块，所述微电脑17通过所述gprs通信模块与物联网云平台通信连接，所述三相电加热管16包括三组单相电加热元件，每组所述单相电加热元件包括容器4以及设置在容器4腔体内的多个加热组件，所述容器4外包裹有保温层2和外壳1，所述加热组件包括电热合金元件8以及依次设置在电热合金元件8外的瓷管6、水冷壁管5，所述瓷管6与水冷壁管5之间浇筑导热层7，多个所述加热组件的电加热合金元件8串联连接，所述三相电加热器16和水泵28分别与所述微电脑17电性连接；

所述容器4内部的两端设置有容器封头3，所述水冷壁管5的两端分别与所述容器两端的容器封头3一一对应焊接，形成焊接点11，所述瓷管6与电热合金元件8的两端不封闭，即电热合金元件8可以抽出，待加热水位于所述水冷壁管5的外壁与所述容器4的侧壁以及容器封头3构成的通道内，所述容器4的侧壁上开设有进水口10和出水口12，所述水泵28通过供水管道与所述进水口10连通；

所述容器4内设置有温度传感器18和水位传感器20，所述温度传感器18和水位传感器20分别与所述微电脑17电性连接，所述微电脑17内设定温度和水位阈值，根据温度传感器18和水位传感器20采集到的数据，分别控制所述三相电加热器16和水泵28的启停；所述电热合金元件8为高电阻电热合金制造，作成螺旋型。电热合金元件8的每个螺旋段加上与之结构的瓷管6、导热层7、水冷壁管5构成一个电热元件单元，记为r。n个电热元件单元构成一个单相，与单相对应构成的是漏电断路器和固态继电器的单相，加和式构成记为∑ri。三个单相(a、b、c)的加和为一个功率单元，一个功率单元的结构装载于一个容器内，并有与之结构的保温层，则结构加和式记为∑3ri，一个功率单元的功率记为e。n个容器构成一台设备，整个设备的结构加和通式为∑3nri，设备的总功率为ne。

所述电控系统还包括塑壳断路器33、第一漏电断路器30、第二漏电断路器26、第三漏电断路器21，三相电源接入到塑壳断路器33，在塑壳断路器33上分接第一漏电断路器30、第二漏电断路器26、第三漏电断路器21和急停开关34，所述第一漏电断路器30接自锁带灯按钮电源开关31，所述第二漏电断路器26接第一固态继电器27，所述第一固态继电器27接所述水泵28，所述第三漏电断路器21接第二固态继电器19，所述第二固态继电器19接所述三相电加热管16，所述微电脑分别与所述第一固态继电器27、第二固态继电器19电性连接。所述gprs通信模块连接有卫星天线，gprs物联网云平台与所述卫星天线通信连接。电控系统的总电路采用塑壳式断路器33控制，保证各分路漏电短路情况下，总线不掉电，三相电加热器16和水泵28的电源输入端采用漏电断路器，在各漏电断路器与执行元件之间，由电子开关式的固态继电器连接，替代了传统式铁芯、线圈、衔铁、触点簧片式继电器。各个漏电断路器同时为过流、缺相、短路、漏电保护的执行元件，在设备漏电、外壳呈现危险的对地电压等情况下自动切断电源，保证设备和人身安全。如图9所示，所述三相电加热器16还可以设置有多组，并联在电控系统的电路上。

如图5和图9所示，所述电控系统还包括手自切换电路14，所述手自切换电路14包括依次电性连接的手自动旋钮开关40、线圈39和第一中间继电器38，所述第一中间继电器38与所述微电脑17电性连接，所述手自动旋钮开关40分为自动和手动两个档位，通过控制所述线圈39的吸合与断开，控制所述第一中间继电器38的通断，实现所述微电脑17的手动控制和自动控制模式的切换；切换方式：手自动旋钮开关40的开为自动：线圈39不吸合，第一中间继电器38处于断路，电锅炉由微电脑17根据设定程序自动控制通断；手制动旋钮开关40的闭为手动，线圈39吸合，第一中间继电器38接通，微电脑17对于被控对象处于开路，固态继电器触发电路电源w通过r1-1、r2-2、r3-3、r4-4、r5-5、r6-6与微电脑连接，并直接由24v直流电源供电，第一中间继电器38断开时，固态继电器触发电路与微电脑接通，第一中间继电器38接通时，固态继电器触发电路与微电脑17断开。

如图6至图8，所述第一固态继电器27和第二固态继电器19处设置有散热组件，所述散热组件包括冷却器35和风机36，所述冷却器35为铝合金制造的多孔多肋片型材，所述风机36固定在所述冷却器35的一端，所述第一固态继电器27和第二固态继电器19通过螺栓37固定连接在所述冷却器35表面的t型槽上，所述t型槽为本领域常见结构，所述螺栓37也采用t型槽用螺栓。所述冷却器35为铝合金制造的多孔多肋片型材，铝合金导热性好，多孔多肋片可增加表面积，有利散热，第一固态继电器和第二固态继电器通过接触面传递热量到冷却器。

所述开式封闭加热器加和式结构的电锅炉的工作原理如下：

a.操作

a1.设备上电，微电脑连接的显示器进入主页，显示整个系统运行状态，当前出水水温、当前回水水温、系统的工作状态(开机或关闭)、当前工作模式、水泵是否运转、加热体工作情况、报警、操作启停开启或关闭等；

a2.进入参数设置页面，输入密码，设置参数:工作模式、目标温度、回差温度、超温报警温度、防冻温度值，时段时间值、时段目标温度等；

a3.进入操作说明页面，确权设备id号和二维码(设备识别标识)，通过微信公众号对二维码扫码绑定设备，上位机人机界面在手机屏幕上展开，通过手机对设备执行开关、远程查看运行状态及参数状态设置控制等操作。

b.设水泵故障保护和水泵优先控制

电锅炉上电后，水泵优先启动，电锅炉方能进入工作状态，微电脑控制固态继电器工作，若水泵有故障，则第二漏电断路器断开并报警，微电脑停止工作，三相电加热器停止供电，加热停止，即水泵不启动，加热不进行。

c.设水位控制和调节，系统设置水位传感器，用于监测容器中的水位和报警，水位传感器的位置设在容器最上部位，见图3。多容器组成的设备，设置水位传感器的容器应是最上边的。当水位感应器检测水位低于下限设定时，微电脑不工作，三相电加热器停止供电。

d.水温保护和超温控制，设计为三级：一级温度控制设计在微电脑智能控制器程序中，方法是设置温度阈值，实现超温控制；二级旋钮式温度控制调节，即采用温度调节开关15，用于直接监控容器内水温；三级温度控制，设置出水口温度传感器，监测出水温度。每一级温度控制在行使控制权力时，都可使微电脑指令停止供电。

e.设低温防冻保护功能

电控系统在待机状态或在时段模式时段时间之外，只要检测到当前水温低于微电脑设定的防冻温度时，系统将自动进入低温防冻模式，具体如下：

e1.当检测到出水温度低于防冻设定温度，系统三组加热器中的二组进入加热状态，水泵开始工作；

e2.当检测到出水温度大于防冻温度10度时，三相电加热器关闭，水泵按微电脑设定的方式运行。

f.在供电电路上设置电流互感器29和电压电流表32，如图4，显示并监测工作电压电流及其变化。

g.设置防止攻击设施，在安全方面，严格遵循了web安全的规范，前后台双重验证，参数编码传输，密码md5加密存储，shiro权限验证，从根本上避免被攻击。

h.设使用权限管理，非权限范围内的禁用，设备管理可以监控所辖全部设备的工作状态，可以分配同一个设备到多个管理者。

i.内置硬件防死机设施，内置硬件看门狗，永不死机。

j.加热器远程监测系统能分别统计各个加热器的出水温度、回水温度、3小时出水、3小时回水等，还能通过颜色变化反映温度高低，对电锅炉的实时监测及时了解运行状态，即时发现问题及时进行解决，并设有历史数据记录分析功能。

k.产品内置存储，可以根据客户需求存储相应的数据，当数据传输网络出现中断或工业库故障停机时，数据将缓存到本地，当网络设备恢复后，本地缓存的数据将逐步恢复到数据库中。

如图10所示，微电脑通过所述gprs通信模块与物联网云平台通信连接，构成电加热器物联网远程测控系统，电加热器物联网远程测控系统由微电脑、大数据平台、设备管理软件及web、手机客户端组成。系统拓扑图和原理如下：微电脑通过gprs或nb-iot无线传输方式，负责将用户指定的数据信息，温度、压力、4-20ma或0-5v模拟量数据、开关量数据(阀门或监控箱门开关)、工业照相机等数据实时采集并发送至服务器，同时上位机远程控制modbus协议可以对设备进行远程控制。微电脑与服务器之间的链路维持报文能完成通讯异常检测，电锅炉设备在线及数据变化情况做到实时监测。

本发明提供的开式封闭加热器加和式结构的电锅炉，第一，三相电加热器中的每个单相电加热元件采用开式加和式结构，其中，多个所述加热组件的电加热合金元件串联连接为和式结构，电热合金元件、瓷管及导热层各自独立，瓷管与电热合金元件的两端作热保护，不封闭，为开式结构，电热合金元件可以取出，与绝缘瓷管及水冷壁管脱开，形成水电分离，这种结构使得电热合金元件和水冷壁管传热负荷大幅度降低，工作温升降低，在额定单元功率下，电热合金元件工作温升比传统的金属管状电热元件降低25％以上，水冷壁管工作温升比传统的金属管状电热元件降低65％以上，从根本上保证了电加热器不过热、无故障，长寿命；水冷壁管始终工作在低温，不过热，不产汽，不结垢，不产生冗余热阻，不破坏系统传热，对电热合金元件无热效应反馈，保证电热合金元件始终工作在正常温度下，电热合金元件和水冷壁管温升低还为加热传热系数低的热风创造了条件，故该结构可加热水，也可加热风；单相电加热元件采用开式结构，水与电系统各自独立，为制造提供方便，为维护带来方便，可实现在线维护，也为设计如电热元件的直径、长度尺寸的选择、表面热负荷的选择、连接方式的选择、材料的选择、与之关联的功率系列数的确定等扩展了范围；螺旋型电热合金元件通电后，其周围产生磁场，磁力线穿过瓷管，被水冷壁管斩获封闭，在水冷壁管上感生电流，感生电流以涡流型式分布在水冷壁管表面，涡流热效应被水吸收，没有电磁损失，单相电加热元件能量损耗降到最低，该结构有节能效果；

第二，微电脑设定水位和温度阈值，可以根据温度传感器和水位传感器的数据，控制三相电加热器和水泵的工作状态，实现智能化控制，此外设低温防冻保护功能，电控系统在待机状态或在时段模式时段时间之外，只要检测到当前水温低于用户设定的防冻温度时，电控系统将自动进入低温防冻模式，确保电锅炉的使用安全；

第三，采用第一固态继电器和第二固态继电器作为控制开关，固态继电器作为无触点通断电子开关，利用电子元件大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点、无火花地接通和断开被控电路，实现弱信号对强电的控制，避免了启动时大电流冲击，防止单相电加热元件瞬间过热，保证了三相电加热器的使用安全；

第四，微电脑通过gprs通信模块与物联网卫星云平台，用户通过物联网卫星云平台可以对电锅炉进行远程监控操作和通讯，在远程可视化界面下进行实时和多角度监测和参数设置、温度调节、运行监控、安全控制和异地通讯。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。