用于高压小流量的超低温流体电加热器的制作方法

1.本发明涉及低温加热领域，具体涉及一种用于高压小流量的超低温流体电加热器。


背景技术：

2.在超低温试验中，通常需要将液氮、液甲烷、液氧、液氢、液氦等超低温流体加热升温、气化到常温或控温进行测试、排空、收集。常见低温加热器通常将不锈钢电加热管安装到加热容器中加热流动的介质，适用低压或常压介质，只有加热容器壁厚很厚时才能承受高压，但其结构较为笨重，成本很高，同时内部空间较大，介质流速小，换热系数小，不利于小流量介质换热。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于：
4.现有技术中高压介质加热装置结构笨重、成本高、内部空间大、介质流速小、换热系数小、不利于小流量介质换热的技术问题。
5.本发明是通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
6.一种用于高压小流量的超低温流体电加热器，包括加热器筒体，加热器筒体中设置有电加热管束，电加热管束与加热器筒体内壁之间设置有介质管；
7.所述电加热管束与介质管之间的空间填充导热材料，所述介质管与加热器筒体的第一端之间的空间填充绝热材料；
8.所述加热器筒体的第二端外侧及侧壁外侧设置保温装置，所述介质管的进口、出口均经加热器筒体、保温装置延伸至外部。
9.本发明中的用于高压小流量的超低温流体电加热器在实际应用时，采用电加热管加热，可以通过调节加热功率精确控制介质出口温度；介质管较小的管径、壁厚可承受高压、高低温等工况，且管内介质为湍流，增加了换热系数，有利于提高电加热管与介质之间的热量传输；加热器筒体内填充绝热材料减小加热器筒体第一端到介质管的热传导，可避免低温工况下加热器筒体第一端表面结露结霜；加热器填充导热材料，其导热系数高、粒度小，可以紧密填充在电加热管与介质管之间，便于电加热管到介质管的传热；加热器筒体外部设置保温装置，能够减小外部环境对介质温度的影响，避免加热器自身结霜或高温，同时使得介质出口温度控制更加精确。其整体结构简单、成本较低、内部空间紧凑、介质流速大、换热系数大、利于小流量介质换热。
10.优化的，所述电加热管束包括安装在加热器筒体第一端的固定法兰，固定法兰上设置有伸入到加热器筒体中的加热管，所述加热管为u形，所述介质管位于加热管与加热器筒体内壁之间；
11.所述加热管穿过固定法兰延伸至固定法兰外侧，位于固定法兰外侧的加热管的外部设置有保温盒；
12.所述加热管端部设置有接线盒，加热管的接线接头置于接线盒中。
13.优化的，所述保温装置包括设置在加热器筒体外侧的壳体；
14.所述壳体中采用聚氨酯发泡填充或者采用珠光砂填充；
15.或者，所述壳体内部设置为真空。
16.优化的，还包括功率调节器，所述电加热管束连接至功率调节器。
17.通过功率调节器能够根据不同的出口温度需求及出口温度监测数值实时调节加热功率，实现出口温度的精确控制。
18.优化的，所述加热器筒体为圆筒形，所述加热器筒体的两端均设置有连接法兰；
19.所述加热器筒体第一端的连接法兰与电加热管束连接，所述加热器筒体第二端的连接法兰安装有端盖。
20.优化的，所述介质管位于电加热管束外侧的部分为盘管结构。
21.盘管结构能够有效增加管内介质与管壁的换热系数、换热面积，加热效果较好。
22.优化的，所述介质管的进口、出口等高。
23.将介质管的进口、出口设置成等高，便于与上下游管路的拆装，拆装方便。
24.优化的，所述加热器筒体的第一端位于加热器筒体第二端的上方，所述电加热管束竖直设置，介质管从电加热管束的下端外侧自下而上盘旋设置；
25.所述介质管盘旋部分顶端以上的空间填充绝热材料；
26.所述介质管盘旋部分顶端以下的空间填充导热材料。
27.优化的，所述绝热材料采用珠光砂。
28.珠光砂热容量小、导热系数低，是很好的绝热材料，可以减小加热器筒体第一端到介质管的热量传输，可避免低温工况下加热器筒体第一端表面结露结霜。
29.优化的，所述导热材料采用氧化镁粉。
30.氧化热镁粉容量小、导热系数高，是很好的导热材料，且不燃、无毒，能耐高低温，非常适合低温介质加热器的使用，同时氧化镁粉粒度小，可以更好的与电加热管及介质管接触，增大接触面积，有利于电加热管与介质管之间的传热。
31.本发明的优点在于：
32.1.本发明中的用于高压小流量的超低温流体电加热器在实际应用时，采用电加热管加热，可以通过调节加热功率精确控制介质出口温度；介质管较小的管径、壁厚可承受高压、高低温等工况，且管内介质为湍流，增加了换热系数，有利于提高电加热管与介质之间的热量传输；加热器筒体内填充绝热材料减小加热器筒体第一端到介质管的热传导，可避免低温工况下加热器筒体第一端表面结露结霜；加热器筒体填充导热材料，其导热系数高、粒度小，可以紧密填充在电加热管与介质管之间，便于电加热管到介质管的传热；加热器筒体外部设置保温装置，能够减小外部环境对介质温度的影响，避免加热器自身结霜或高温，同时使得介质出口温度控制更加精确。其整体结构简单、成本较低、内部空间紧凑、介质流速大、换热系数大、利于小流量介质换热。
33.2.通过功率调节器能够根据不同的出口温度需求及出口温度监测数值实时调节加热功率，实现出口温度的精确控制。
34.3.盘管结构能够有效增加管内介质与管壁的换热系数、换热面积，加热效果较好。
35.4.将介质管的进口、出口设置成等高，便于与上下游管路的拆装，拆装方便。
36.5.珠光砂热容量小、导热系数低，是很好的绝热材料，可以减小加热器筒体第一端到介质管的热量传输，可避免低温工况下加热器筒体第一端表面结露结霜。
37.6.氧化热镁粉容量小、导热系数高，是很好的导热材料，且不燃、无毒，能耐高低温，非常适合低温介质加热器的使用，同时氧化镁粉粒度小，可以更好的与电加热管及介质管接触，增大接触面积，有利于电加热管与介质管之间的传热。
附图说明
38.图1为本发明实施例中用于高压小流量的超低温流体电加热器的示意图；
39.图2为本发明实施例中电加热管束的示意图；
40.其中，
41.电加热管束-1；接线盒-11；保温盒-12；固定法兰-13；加热管-14；
42.加热器筒体-2；
43.介质管-3；
44.绝热材料-4；
45.导热材料-5；
46.保温装置-6。
具体实施方式
47.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。
48.如图1所示，一种用于高压小流量的超低温流体电加热器，可满足压力在25mpa以下，流量在0-25m3/h之间，温度在77-300k甚至4-400k之间的介质加热及控温，包括电加热管束1、加热器筒体2、介质管3、绝热材料4、导热材料5、保温装置6。
49.如图1所示，所述加热器筒体2为圆筒形，其竖直设置，所述加热器筒体2的两端均设置有连接法兰；加热器筒体2中设置有电加热管束1，所述电加热管束1竖直设置，所述加热器筒体2第一端的连接法兰与电加热管束1连接，所述加热器筒体2第二端的连接法兰安装有端盖。本实施例中，所述加热器筒体2的第一端位于加热器筒体2第二端的上方。
50.具体的，如图2所示，所述电加热管束1包括安装在加热器筒体2第一端的固定法兰13，固定法兰13上设置有伸入到加热器筒体2中的加热管14，加热管14焊接在固定法兰13上，加热管14采用不锈钢加热管，其内部轴向布有加热丝，所述加热管14为u形，本实施例中，所述加热管14设置两根，两加热管14垂直设置，即两加热管14轴线所在平面之间垂直，其中一个加热管14位于另一个加热管14u形开口内侧。
51.如图1所示，所述介质管3位于加热管14与加热器筒体2内壁之间；所述加热管14穿过固定法兰13延伸至固定法兰13外侧，位于固定法兰13外侧的加热管14的外部设置有保温盒12；所述保温盒12包括固定在固定法兰13顶部的盒体，盒体内部采用聚氨酯发泡填充。
52.如图2所示，所述加热管14端部设置有接线盒11，接线盒11采用现有技术中的防爆接线盒，加热管14的接线接头置于接线盒11中。还包括功率调节器，功率调节器为现有技
术，所述电加热管束1连接至功率调节器，实际应用时，可通过功率调节器调节电加热管束1加热功率，实现出口温度的精确控制。
53.如图1所示，电加热管束1与加热器筒体2内壁之间设置有介质管3；所述介质管3位于电加热管束1外侧的部分为盘管结构。介质管3从电加热管束1的下端外侧自下而上盘旋设置。即介质管3螺旋缠绕在电加热管束1外侧。
54.具体的，本实施例中，介质管3采用无缝不锈钢管制成，其内径、壁厚根据介质流速、压力计算，通常不锈钢管选择合适壁厚可以满足25mpa以下的介质压力，通常最大液体流量可达2m3/h，最大气体流量可达25m3/h。根据所需的换热面积计算长度后，将不锈钢钢管缠绕成所需的盘管形状，经焊缝检测、打压检漏后采用过渡接管焊接在加热器筒体2上，低温流体经介质管3的进口进入加热器筒体2后，在介质管3里先经直管流到加热器底部，再经盘管盘旋而上流到出口，这样便于更好的气液分离或气体流动。或者，所述介质管3可采用翅片管，以增加换热面积。
55.如图1所示，所述电加热管束1与介质管3之间的空间填充导热材料5，所述介质管3与加热器筒体2的第一端之间的空间填充绝热材料4；具体的，所述介质管3盘旋部分顶端以上的空间填充绝热材料4；所述介质管3盘旋部分顶端以下的空间填充导热材料5。所述绝热材料4采用珠光砂。所述导热材料5采用氧化镁粉。本实施例中，绝热材料4与导热材料5之间的填充界限位于介质管3盘旋部分顶端以上、介质管3在加热器筒体2上连接位置以下的空间内，具体填充时，将加热器筒体2倒置，取下加热器筒体2的端盖，向加热器筒体2内填充珠光砂，待珠光砂没过介质管3在加热器筒体2上的连接位置且未抵达盘管端部时，停止填充珠光砂，并改填充氧化镁粉，直至氧化镁粉没过盘管并填充满加热器筒体2内部，氧化镁粉填充后需夯实，夯实后填满加热器筒体2内部，填充完成后，安装端盖。
56.如图1所示，所述加热器筒体2的第二端外侧及侧壁外侧设置保温装置6，所述保温装置6包括设置在加热器筒体2外侧的壳体，壳体外形呈圆柱结构，壳体内部通过聚氨酯发泡填充或者填充珠光砂，或者，可对壳体内部抽真空实现绝热，更适用于80k及以下的温度。
57.如图1所示，所述介质管3的进口、出口均经加热器筒体2、保温装置6延伸至外部。所述介质管3的进口、出口等高。具体的，介质管3的进口、出口均安装高压活接头，两高压活接头均放置在同一高度，便于与上下游管路的拆装。
58.工作原理：
59.本发明中的用于高压小流量的超低温流体电加热器在实际应用时，能够使液氮、液甲烷、液氧等高压小流量超低温流体经电加热管加热气化到常温或控制到恒定温度。其采用电加热管加热，可以通过功率调节器调节加热功率，可精确控制介质出口温度；采用无缝不锈钢盘管作为介质管，其较小的管径、壁厚就可承受高压、高低温等工况，而且盘管内介质为湍流，增加了换热系数，有利于提高电加热管与介质之间的热量传输；加热器筒体内上部填充珠光砂减小固定法兰13到介质管的热传导，可避免低温工况下固定法兰13表面结露结霜，下部填充氧化镁粉，氧化镁粉导热系数高、粒度小，可以紧密填充在电加热管于介质管之间，便于电加热管到介质管的传热；加热器筒体外部进行聚氨酯发泡或珠光砂填充，减小外部环境对介质温度的影响，避免加热器自身结霜或高温，同时使得介质出口温度控制更加精确。
60.当低温介质流经介质管路时，电加热管不断向氧化镁粉传递热量，再通过介质管
传递给介质，实现介质加热，通过控制电加热管输出功率，可以控制介质在出口处的温度。
61.当介质需要控变温时，只需根据出口温度要求调节加热功率，由于介质管容积很小，管内介质量少，同时换热面积大，可以短时间内实现变温及温度稳定，提高温度控制的精度和时效。不锈管可承受高低温、高压等多种工况，制作简单，成本低廉，容积小，便于实现介质温度控制和变换，控温灵敏高效。适当增加不锈钢管直径可实现较大流量介质的加热控温。其整体结构简单、成本较低、内部空间紧凑、介质流速大、换热系数大、利于小流量介质换热。
62.通过功率调节器能够根据不同的出口温度需求及出口温度监测数值实时调节加热功率，实现出口温度的精确控制，可以将超低温流体从4k加热控温到400k。盘管结构能够有效增加管内介质与管壁的换热系数、换热面积，加热效果较好。将介质管3的进口、出口设置成等高，便于与上下游管路的拆装，拆装方便。珠光砂热容量小、导热系数低，是很好的绝热材料，可以减小加热器筒体2第一端到介质管的热量传输，可避免低温工况下加热器筒体2第一端表面结露结霜。氧化热镁粉容量小、导热系数高，是很好的导热材料，且不燃、无毒，能耐高低温，非常适合低温介质加热器的使用，同时氧化镁粉粒度小，可以更好的与电加热管及介质管接触，增大接触面积，有利于电加热管与介质管之间的传热。
63.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。