一种感应式空气加热方法、装置及应用与流程

本发明涉及电磁感应加热装备领域，具体而言，涉及一种感应式空气加热装置。

背景技术：

用于常规高超声速风洞以及热喷流试验的加热器，有体积大的蓄热式和功率大的连续式加热器两种。随风洞配套设备数量的增加，试验场所占地紧张，要求热喷流试验系统小型化、结构紧凑，效率高，能够方便移动，原有的蓄热式加热系统体积大不能满足要求，连续式加热系统体积满足要求，但是要求的电功率很大，也限制了这种加热器的应用；近年来，用感应加热方式对空气预热受到关注，感应加热是相对于传统电阻的电流热效应加热及火焰加热而言的一种新型加热方式，它是一种高效、节能环保、安全的先进加热技术，相关设备相继制造出来并开始投入使用。

感应加热技术广泛应用于热处理、熔炼、焊接、预热等工业领域和科技领域，利用电磁感应的方法使被加热材料的内部产生涡电流，依靠这些涡流的能量达到加热的目的。感应发热装置基于感应加热原理设计，主要是由空心紫铜管绕制的感应加热线圈和耐高温的金属材料做成的感应件组成。感应加热具有加热迅速、非接触、温度可精确控制，高效低污染。

根据法拉第电磁感应定律，对感应加热线圈施加交变电流时，线圈周围和内部会产生交变磁场，放置于线圈内部的感应加热件被磁力线切割，感应加热件内部产生感应电动势，感应电动势使得感应加热件的表面形成电流回路，产生电涡流，行成集肤效应，由于感应加热件是有电阻值的金属导体，电涡流会使得感应加热件表面迅速升温，产生大量热量。如果感应加热件的热量用于加热空气，会把空气加热到需要的高温，通过调整感应加热电源的功率可控制感应加热件的涡电流，进而对加热气流温度进行精确控制。

感应加热设备是一个工程系统，组成部分的核心部件包括感应加热电源和感应发热装置；感应加热电源为感应加热提供电能，其核心器件是电力半导体功率器件，电力半导体功率器件的制造水平决定了感应加热电源的技术水平。当前电力半导体功率器件的制造技术水平，比20世纪90年代有了很大提高，随着场效应晶体管(mosfet)模块、绝缘栅双极型晶体管(igbt)模块的高电压、大电流产品的升级，工作频率的提高，大功率逆变感应加热电源采用igbt做为功率开关器件已逐渐成为主流，1200a/4.5kv的igbt已成为商品，感应加热设备电源的市场化，感应发热装置电源型号有了充分的选择余地。另一核心部件是感应发热装置，主要真对不同应用领域，提出创新设计，满足功能需要，据统计，工业领域，感应加热的效率比火焰炉高30％～50％，比电阻炉高20％～30％，具有明显的节能效果，在风洞热喷流系统中应用感应加热技术，实现对空气加热有很好的应用前景。

长春理工大学国电工程学院的田苗在《中频电磁感应加热空气的效果研究》一文中，利用中频电磁感应加热技术，设计了一台空气加热设备，利用感应件中产生的感应热，对空气进行加热，得到接近600℃的空气温度，并对几种形式的感应件进行研究，得出高温空气发生装置的加热功率、加热体表面积、加热件的形状对空气加热特性的影响，由于采用直接感应加热钢棒，然后常压空气换热，设备不能承受压力，无法对高压力的空气流加热，此种设计无法应用到风洞热喷流系统中。

杭州电子科技大学的聂欣与浙江大学周俊虎等合作，设计出一台新型混合器式高温空气加热器，并在《新型高温空气加热器的试验研究》一文中，介绍了中频加热设备和静态混合器相结合的一种新型加热器设计方法，换热空气温度达到950℃，但这种加热器只能用于常压下的高温空气换热后，进行煤粉点火，无法使用高压气源的高压空气，所采用的蓄热方式体积大，输出气流温度控制难度大，当然也无法应用到风洞热喷流系统中。

现存的感应式空气加热装置，有的原理上给出了用于高压空气预热的可行性，通过感应线圈和中心金属发热体的组合设计，发热体产生高温能够预热空气，加热器壳体采用耐高压设计，并紧贴加热器壳体内壁缠绕很厚的隔热层，实际工程应用中，密封问题很难处理，目前还没有相关的设计方法和应用。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种感应式空气加热方法、装置及应用。

本发明的技术解决方案是：一种感应式空气加热方法，通过下述方式实现：

通过感应加热方式对蓄热体进行加热；

利用蓄热体对流经蓄热体内部的空气进行对流换热，输出需要的高温空气。

一种感应式空气加热装置，包括感应线圈、蓄热体、换热管、固定板；

所述的蓄热体为中空结构，其空腔内安装感应线圈；换热管固装在蓄热体内部且通过排列使换热管的换热面积满足预设的要求；所述的蓄热体固定在固定板上，换热管的两端作为整个加热装置的输入、输出端；所述的感应线圈对蓄热体加热，从换热管输入的空气经对流换热后输出。

优选的，所述的蓄热体包括外蓄热体和内蓄热体，外蓄热体和内蓄热体均为中空结构，内蓄热体置于外蓄热体空腔内；内蓄热体的空间内以及内外蓄热体之间的间隙内安装感应线圈，内、外蓄热体内部均固装换热管且换热管之间通过连接管连接，连通后的换热管一端为空气进口，另一端为高温空气出口。

优选的，所述的外蓄热体的内腔、内蓄热体的外壁均为锥型，二者之间形成的间隙均匀。

优选的，所述的换热管的排列形状为螺旋形。

优选的，所述的换热管的排列形状为等直径螺旋形，且内蓄热体的锥形小端处换热管的自由端作为高温空气出口端。

优选的，所述的感应线圈缠绕成螺旋状，内通冷却水，外层缠绕绝缘耐热层，感应线圈截面形状为矩形或者圆形，材料为紫铜。

优选的，所述的蓄热体由内外两层金属组合而成，两层金属上分别设置与换热管排列形状对应的安装槽，换热管放置在内层金属的安装槽内通过外层金属扣装并固定。

优选的，所述的金属选带磁性材料。

所述的感应式空气加热装置适用于压力6～8mpa、温度大于650℃的ma9、10的风洞试验中。

所述的感应式空气加热装置，通过通入压缩空气，出口输出试验用高温高压气流，进行热喷流试验。

本发明与现有技术相比有益效果为：

本发明采用感应加热方式制造的感应加热装置，能够在通电连续运行时，同时发挥感应发热体的蓄热功能，气流换热面积大，换热效率高，能快速加热气流，气流温度控制稳定，可满足不同试验场地的空气加热需求。本发明感应加热设备制造成本低，移动方便，结构简单，装配容易实现。

本发明通过内外层发热体的中间空隙安装矩形感应线圈，螺旋形感应线圈内外同时与发热体感应，感应发热面积大，结构设计上满足高效感应发热要求；

本发明蓄热体结构上由内外两部分组成；在感应加热时，靠近感应线圈的金属内层作为发热体；安装外罩后组成蓄热体。蓄热体储存热量的能力大，加热温度高、时间短，由于感应发热快，热量损耗少，具有稳定的感应加热功率，易于控制气流温度；

换热管，加工成螺旋状，固定在蓄热体内，与蓄热体接触面积大，热交换充分，同时，管子在蓄热体的螺旋槽内采用紧密配合尺寸固定，管外收到蓄热体保护，对高温下管子的耐压强度有很大提升，内部承受高压气体的安全性提高；

感应加热装置结构紧凑，占地面积小，便于移动。

附图说明

图1为本发明一种感应式空气加热装置结构示意图；

图2为本发明感应式空气加热装置的感应线圈结构图；

图3为本发明感应式空气加热装置的外筒结构图；

图4为本发明感应式空气加热装置的外发热体组合件结构图；

图5为本发明感应式空气加热装置的外层发热体左固定板结构图；

图6为本发明感应式空气加热装置的外发热体的内层结构图；

图7为本发明感应式空气加热装置的外换热管结构图；

图8(a)为本发明感应式空气加热装置的外发热体上部结构图；

图8(b)为本发明感应式空气加热装置的外发热体下部结构图；

图9为本发明感应式空气加热装置的内发热体组合结构图；

图10为本发明感应式空气加热装置的内发热体的右固定板结构图；

图11为本发明感应式空气加热装置的内发热体内层结构图；

图12为本发明感应式空气加热装置的内换热管结构图；

图13(a)为本发明感应式空气加热装置的内发热体外层上部结构图，

图13(b)为本发明感应式空气加热装置的内发热体外层下部结构图。

具体实施方式

下面结合附图1-13(b)及实例对本发明做详细说明。

本发明原理是：接于电源输出端的感应线圈为一次侧，被加热的金属蓄热体为二次侧，构成一个无磁芯的空心变压器，由于二次侧的被加热金属件接成短路闭合状态，金属件闭合回路中的低压大电流会产生焦耳热对金属发热件进行加热。

如图1所示，一种感应式空气加热装置结构示意图，包括感应线圈1，连接管2，发热体左固定板3，内换热管4，外换热管5，外发热体外层6，外层发热体的内发热体7，内发热体的外层8，内发热体内层9，外筒10和发热体右固定板11；装置中与感应线圈1发生进行感应加热作用的蓄热体，由外蓄热体和内蓄热体组成；

如图4所示，本发明外蓄热体结构图，其组成部分有外发热体的外层6、外发热体的内层7和端面法兰盘11(亦称发热体右固定板)；外发热体的外层6为等直径圆筒，为上下两个半圆结构，可以扣在一起，通过焊接固定，组成一个圆筒，外层发热体的内层7是一根圆柱管，管子外表面加工成螺旋槽，用于安装换热管5，这样布局，高温条件下，换热管不产生变形软化，耐压能力高，换热能力强，外层发热体的内层7的内筒，直径不同，形状为锥筒。安装换热管时，先缠绕在内层7上，外层6扣在发热管5上，配合紧密，通过焊接方式，把上、下两部分焊接成一个整体，然后焊接端面法兰，内外层换热管通过连接管相同，组成换热管道，两端引出换热管接头。

如图9所示，本发明内蓄热体结构图，内蓄热体也有内外两层组成，内蓄热体内层9是圆柱状螺旋管，内蓄热体的外层8为锥型结构，分为上下两个半圆，内蓄热体的外层8和内层9内部的螺旋槽用于安装换热管4，螺旋槽的尺寸正好与换热管配合紧密，安装换热管时，先缠绕在内蓄热体内层9上，内蓄热体外层8上下两部分扣在发热管上，通过焊接方式，把上、下两部分组成一个整体，然后焊接端面法兰，通过焊接组成一个整体，两端引出换热管接头。换热管4和换热管5通过连接管2相通，组成换热气流通道，通过气流进口端，输入高压空气，气流通过与发热体换热，在气流出口端，输出满足要求的高温高压气流。

如图2所示，感应线圈1安装在内蓄热体和外蓄热体之间的空隙内，感应线圈1内通冷却水，外层缠绕绝缘耐热层，感应线圈形状为矩形或者圆形，材料为紫铜；感应线圈形状与外蓄热体和内蓄热体匹配，感应距离满足感应加热的高效率要求。

如图7，换热管5，材料为310s无缝钢管，加工成螺旋状，本实施例不锈钢管延伸长度达到17m，具有大的换热面积和换热长度，气流换热充分。

如图12，换热管4加工成螺旋状，无缝管材质为310s，本实施例，内层换热管4的长度为11m，满足气流的换热需要。

如图3，外筒10为一圆筒结构，两段部的侧面位置开有螺钉孔，固定发热体左、右固定板，保证加热装置的整体尺寸。

图5，发热体右固定板，板上开孔，用于通过换热管；图10，发热体左固定板，板上开孔，用于通过感应线圈，和高温高压气体的换热管。

本发明装置的部件以焊接成整体部件进行组装，降低了加工难度，提高装配效率。工作时，感应加热预热内、外层发热体，换热管5温度上升到650℃，通入气流，可用于ma9风洞试验；另一种应用，通入压缩空气，通过换热管4出口输出高温高压气流，进行热喷流试验，性能优于目前的空气加热设备。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。