集肤电热元件制造技术

一种集肤电热元件，由碳钢管、合金电热丝、氧化镁粉、引出棒、金属堵头和耐腐蚀不锈钢套管等组成。用于石油、化工、电厂等行业的各种大型电加热设备。因结构简单、可靠性高、寿命长、尤其碳钢管整个表面没有电流通过，解决了集束大功率的绝缘问题。市场前景广阔。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电致热原理电热元件，尤其结合集肤效应、邻近效应、 焦耳效应一体的电热元件。技术背景目前，全国工业电热设备标准化技术委员发布的《金属管状电热元件JB/T2379-93》机械行业标准，规定了其使用、更换、可靠、耐用 安全、经济合理及节能的要求。对于工业电热元件技术要求除此以外 还应提出功率大，长度长，适合各种高温状态或耐蚀介质的要求，其 中第3.1.1b双端引出，其一端接外壳形式的电热元件是一种较适合的 理想结构(为了理解，见图lh这种结构虽然可以制成较长、教粗、 效率较高、简单安装拆换方便的工业电热元件，但是其外壳(即称金 属管)工作时外壳带电；当人体直接接触时完全可能造成触电；所以 非常危险，即使将许多电热元件焊制成法兰形式的集肤大功率电加热 器，或改变电气接法将更会造成人身危险的可能。如在爆炸性、气体 性场所或爆炸性粉尘性场所将更加危险。
技术实现思路
本专利技术的目的是一种工业电热元件，是利用集肤效应，邻近效应， 焦耳效应原理在上述"其一端接外壳结构"同时在设备改变结构的成 本基础上彻底解决了 "外壳"带电绝缘完全问题。l.公知，碳钢管在工频交流下的阻抗显著大于它的直流电阻。一 般碳钢管也会产生明显的集肤效应。当碳钢管两端和其孔中有螺旋合 金电热丝两端各分别加上工频电压通过电流相反时电流仅在碳钢管内 壁流过，外壁没有电流经过，无电压。出现了 "邻近效应"和集肤效 应。在碳钢管内壁形成了"集肤导电环"，其外面形成了"集肤绝缘环"。 而且电流密度从内往外按自然指数规律变化衰减，其原理基于电磁感 的涡流及磁滞所产生的热量而加热。如将碳钢管和合金电热丝另一端连接一起，在两者的另一端加上电压，也就是JB/T2379-93第3.1.1b "双端引出，其一端接外壳"结构形式完全相同，只不过是其结构形 式与本专利技术原理不同而异。前者是釆用焦耳热原理，后者是利用电磁 涡流及磁滞所产生热量和焦耳热；f者的电回路电流经过合金电热丝 和一般金属管的全部截面，后者的电回路电流经过合金电热丝和碳钢 管的内壁截面。(忽略引出棒和堵头的电阻，可以建立本专利技术的等效电 路模型见图2。根据基尔霍夫第二定律-U=I (r+R) +jI(Xl+Xc),'."......................... (1)式中^为输入交流电压；I为通过合金电热丝和碳钢管的交流电流； r为合金电热丝的电阻； R为碳钢管的电阻；XL为合金电热丝的感抗； Xc为碳钢管的容抗；由(1)式可见；实部r+R合金电热丝电阻和碳钢管电阻部分 形成了焦耳热，部部XL+Xc合金螺旋丝感抗和碳钢管容抗部在碳钢管 内壁电磁涡流及磁滞产生的热量。(其中碳钢管因涉及磁导率的电阻和容抗难以准确计算确定，只有测出有功电量参数才能推算其它参数。)2.碳钢管的壁厚是决定安全的关键，定量地确定碳钢管壁厚d从内壁到外壁的电流密度服从物理指数律衰减j=joe ds…"'(2) 其中> 碳钢管截面的电流密度；j:碳钢管的电流密度；d:碳钢管的厚度；ds:电流密度从内壁到管外已减到jo的37%的深度称为"趋肤深度"。在工频下，趋肤深度与电阻率的平方报成正比，与相对磁导率的 平方根成反比e由于碳钢管相对磁导率很高，且不是一个非线性常数，对于不相同生产管径"3/4~3"规格的10弁、20#碳管或纯铁管就有不相同的相对磁导率，范围约几百左右(取100左右)为了使用安全，实际使用推荐取碳钢管壁厚是趋肤厚度的3倍以上。 / P>5030 VV f……"..,，.""......................…，"...(3)式中j:趋肤深度cm;p:碳钢管电阻率Q.cm; u:相对磁导率； f:频率HZ。跗图说明附图说明图1、是《JB/T2379~93金管状电热元件》机械行业标准，第3,1.1,t> 双端引出，其一端接外壳的结构图。 图2、是本专利技术的等效电路模型原理图。 图3、是本专利技术的试测电路。 图4、本专利技术的趋肤厚度曲线图。 图中l.合金电热丝；2.氧化镁粉； 3.金属管 4.金属堵头； 5.端部密封料； 6.引出棒7. 合金电热丝的电阻，符号R;8. 合金电热丝的感抗，符号XL;'9. 碳钢管的电阻，符号r;10. 碳钢管的容抗，符号XC;11. 集肤导电环，S; 12.集肤绝缘环，T;13.碳钢管内径,d; 14.碳钢管外径,D; 15.碳钢管壁厚5;16,对于趋肤厚度的临界电位fi。； 17,零线对尾端电位IJW;,18.首端相线对尾端旁各孔底电位CfX; 19.交流电源0; 20.对于碳钢管从内径至外径的电位ilz; 21.周围环境；22.碳钢管电阻！Jc; 23.合金电热丝电阻ilL。具体实施方式现用一个工业用的集肤电热元件，20#碳钢管规格为0l8*3.5mm,长 7,5m 其孔中穿一右旋螺旋丝，材质为Cr20Ni80， 0l.3mm，电阻率为 1.05Qmm2/m,螺旋丝外径为05nm，螺距为8.4m边，展开长度8.16mm，制 作前直流电阻6.45Q。按图1结构，两端焊上两个引出棒， 一个引出 櫸连接合金电热丝，另一个引出棒连接，金属堵头与碳钢管尾端焊接， 连接合金电热丝的引出棒接到工频电源相线，碳钢管的首端表面接到 工频电源零线连成电回路发热。等长定位在碳钢管中间，在碳钢管与 螺旋丝之间紧密填充结晶氧化镁。经縮管工艺使碳钢管内装螺旋丝引 出棒，结晶氧化镁使管长7.5m，伸长8.2m，使原直流电阻6.45Q增大 7.3Q，电热丝表面热负荷17w/em2，电热管表面热负荷1,8 w/cm、将 本实施的集肤电热元件接上220V50HZ工频电源，其功率为5588W，电 流25.4A。在碳钢管两端测出电压为(Jc为0,4V，在合金电热丝两端的 电压测出电压ilL为216V，可以计算功率因数(216V+0.4V) *25.4A /220V*25.4A=0.98。由上述可算出碳钢管交流电阻率0.33Qmm2/m。本 集肤电热元件属性电阻负载e并按图3接成试验电路。由图3可见， 集肤电热元件从首端至尾端集肤导电环厚度是相同的，可以取靠尾端 附近取8个部位分别钻05mm的孔，其深度从碳钢管从外径向内径分别 取0.5、 1.0、 1.5、 2.0、 2.3、 2.7、 3.0、 3.3mm，并分别测量管孔底与碳钢管 首端表面的电位O数值，图4如下表<table>table see original document page 7</column></row><table>另一方面，018x3.5碳钢管表面的漏电压1Jw从首端每相隔2mm至尾 端测量能找出成正比例增加的规律。尾端最大可见表下长度m2468.2漏电压V0.090.170.240.33由图4表明集肤绝缘环和集肤导电环非常明显，由于碳钢管外漏 电压虽然存在，但其已非常微弱已不会对人体造成危险，也就是碳钢 管已自身绝缘了。为了安全可靠，碳钢管厚度应取是"趋肤厚度"的 5倍，即安全又经济合理。虽然钢管自身具有绝缘性，碳钢管客观的 漏电压是存在的，必须将其接地保护(见图2)。从上表和趋肤厚度图 4明显可见找到"趋肤厚度"为0.4)迈左右。用(3本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术为一种集肤电热元件，由碳钢管、合金电热丝、氧化镁粉、引出棒、金属堵头组成，有两个引出棒，一个引出棒连接合金电热丝，另一个引出棒连接金属堵头，金属堵头与碳钢管尾端焊接，在合金电热丝与碳钢管之间是氧化镁粉，连续合金电热丝的引出棒引出接到碳钢管首端工频工频电源的相线，碳钢管的首端表面接到工频电源的零线，连成电回路发热，其特征是：电流回路经过合金电热丝，金属堵头和碳钢管的内壁，碳钢管整个表面没有电流通过。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵放，
申请(专利权)人：赵放，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]