电加热器和电加热系统的制作方法

本发明涉及用于流体的电加热器和用于流体的电加热系统。

背景技术：

1、已知包括电加热管的电加热器和电加热系统，待加热的流体通过该电加热管传导。

2、us 4233494公开了一种用于流体的通流加热器，特别是用于使空气精馏系统中的二氧化碳吸附器再生的空气加热器。空气从圆柱形壳体中的上部腔室通过布置成平行组的ni-cr钢加热管被泵送到与二氧化碳吸附器连通的下部腔室。管组在其上端处悬挂在相应的al2o3陶瓷保持器板上，所述al2o3陶瓷保持器板安置在突出到承载板的相应开口中的凸缘上，该承载板又以可移除方式紧固到壳体的内部。每一组中的管彼此串联地连接到电压源。

3、如us 927173中所公开的另一可选方案是引导待加热的流体不仅通过管，而且还在管的外部上通过。us 927173公开了一种具有镍管形式的电阻构件的电加热器。在壳体中，大量薄壁镍管通过绝缘安装在横向金属板壁中。待加热的空气从电加热器的进气口流过镍管和镍管的外部而流到出气口。

技术实现思路

1、尽管已知的利用电加热管的电加热器，诸如us 4233494和us 927173中公开的那些电加热器，提供了对流体的高效加热，但是仍然需要更有效和高效的流体加热器。

2、实现用于流体的高效电加热器和/或用于流体的有效且高效的电加热系统将是有利的。特别地是，期望的是提供一种用于流体的紧凑电加热器。为了更好地解决这些问题中的一个或多个问题，提供了一种用于流体的电流体加热器和/或用于流体的电加热系统，其具有在一个或多个独立权利要求中限定的特征。

3、根据本发明的一个方面，这通过一种用于流体的电加热器来实现，所述电加热器包括：多个导电管，所述多个导电管布置成管束，以用于电阻加热，所述管束具有轴向延伸部；电连接器，所述电连接器布置在所述多个导电管中的管之间；以及电导体，所述电导体被配置用于将所述多个管与外部电源连接。电加热器被配置用于使流体平行于轴向延伸部且在与管的内表面和外表面直接接触的情况下流过管束。每个管的外直径在6-40mm的范围内，并且每个管的外直径与壁厚的比率在5-15的范围内或在7-12的范围内。在管束的垂直于轴向延伸部的横截面中，管之间的总横截面表面积与管内部的总横截面面积之间的比率在所述管中的一个管的外直径与内直径之间的比率的-10％至+30％的范围内，或在-5％至+25％的范围内。

4、由于电加热器被配置用于使待加热的流体在与管的内表面和外表面直接接触的情况下流过管束，由于管的外直径在6至40mm的范围内且管的外直径与壁厚的比率在5至15的范围内或在7至12的范围内，因此这些管是薄壁类型的管，当被这样电加热时，该薄壁类型的管为管壁的径向内部部分和径向外部部分之间的均匀温度分布提供了条件，同时为这种流体加热器设计提供足够的机械稳定性。此外，由于管之间的总横截面表面积与管内部的总横截面面积之间的比率在管中的一个管的外直径与内直径之间的比率的-10％至+30％的范围内或在-5％至+25％的范围内，因此提供了流体（质量）流通过管束中的管的内部且沿着管的外部的基本上均匀的分布。因此，管的可用的流体接触加热表面被高效地利用起来以加热流过电加热器的流体。电加热器提供每体积加热器的较高的流体加热能力，即，电加热器是紧凑的。

5、更具体地说，本发明的电加热器使得在管束中在这些管的内部的通流面积基本上等于在这些管之间的通流面积。因此，确保了热量基本上相等地传递到通过这些管的内部的流体和通过这些管之间的流体。因此，当流体流过电加热器的管束时，管内部的流体流和管外部的流体流将受到均匀的温度增加。结合所限定的管直径的范围以及外直径与壁厚的比率，避免了在管内部流动的流体与在管外部朝向管束的出口端流动的流体之间的任何大的温度差。这意味着避免了由管的外部和内部之间的温度差引起的管的管壁中的应力，即由径向温度差引起的热应力。

6、此外，在加热管的外部的流体流的压降与内部的流体流的压降分别保持基本相等。压降主要由流体与管的表面之间的摩擦力限定。摩擦力随着密度减小而增加，这是由于沿着轴向方向的温度增加，所述温度增加导致流体速度以二次依赖性加速。通过与（主要与所述加热管的加热表面积成比例的）传递的热量成比例地调节管的间距来划分质量流率，实现了管的内部的流体和外部的流体的相等的温度升高，并且可以通过呈前述比率的布置来实现。

7、通常，电加热器可以被设计用于额定功率在兆瓦范围内的大质量流率和高温。该电加热器可以如此使用，或者该电加热器可以形成流体流加热系统的一部分，该流体流加热系统被配置用于将例如空气、氢、碳氢化合物和其它气体或液体加热到高温，诸如600℃或甚至更高，并且被配置用于兆瓦范围内的大规模加热工艺。尤其是为了这些目的，该电加热器包括直接电加热的薄壁管，该薄壁管关于在管的内部和外部形成的横截面面积且相对于管的内直径和外直径方面特别地是布置成管束，以形成紧凑、有效且高效的加热系统。替代性地是，该直接电加热管可以称为有源管。

8、用于流体的电加热器在本文中替代性地是称为电加热器或简称为加热器。电加热器可用于加热流体，例如工业工艺中的气体。加热器可以例如用于工业工艺中。在加热器中加热的流体可以是工业工艺中的能量载体，并且/或者该流体可以用作工业工艺中的热源，并且/或者该流体可以是工业工艺中使用的工艺流体。

9、该电加热器提供直接电加热的管，并且由此提供直接通电的管，这些管没有任何附加的加热元件或绝缘材料。换句话说，薄管的内部没有延伸穿过薄管的任何发热构件。因此，不存在布置在管中的有源内部元件或绝缘层，诸如金属丝加热元件或矿物绝缘加热元件。因此，为电加热器、特别是管束的不复杂设计提供了基础，并且使其适用于大额定功率。在加热器使用期间供应到加热器的电能被高效地转变成热量，该热量被传递到加热器中的待加热流体，而没有任何热障，该热障将会降低加热器有效性（即，提供高出口温度的能力）并且/或者将会降低其效率（即，将会提供较高的热损失、较低的功率密度和增加的压降）。

10、导电管可以具有在0.05ω·m和5μω·m之间的电阻率。这种电阻率可以由下面讨论的材料提供。

11、因此，相关材料及其电阻率与陶瓷催化剂载体的材料和其电阻率明显不同，陶瓷催化剂载体具有非常不同的电阻率，并且将不适合于构建大型加热器或在稍后描述的典型可用线电压内提供所需的表面负载。

12、电流在流过导电管时使管变热。管的材料可以是氧化铝形成材料。氧化铝将形成保护层，从而管可以承受高温和其它恶劣环境或流体条件，并且因此可以允许将不同气体加热到高温。这些管可以包括替代性材料，例如在待加热的流体是非氧化流体（诸如氢或氮）时，可以使用这些替代性材料。

13、该电加热器具有一种简单构造，仅需要几个不同部件。尽管电加热器的管束可以包括数百或甚至数千个单独的管，但是管可以是一种类型的管，或是有限数量的不同类型的管。这尤其导致加热器在工业工艺中的使用期间在操作上是可靠的。

14、该电加热器可以布置在其中要加热流体的任何期望的且因此合适的位置上，合适地是，布置在待加热的流体可以被引导通过管束的位置上，例如布置在导管、管件、管道或壳体中。电加热器可以布置在壳体中，可选地是与一个或多个另外的电加热器一起布置，从而形成如下所述的电加热系统。

15、在本文中，替代性地是，多个导电管可以称为多个管或简称为管。

16、在管束中，所述多个导电管中的管可以布置为彼此平行或基本上彼此平行，且彼此相距一定距离。

17、电连接器布置在所述多个导电管中的管之间，并且连接到这些管，使得允许来自外部电源的电流以串联、并联或串并联组合的方式流过管束的管。

18、外部电源可以包括干线电源，或者可以经由变压器连接到干线电源，所述变压器用于调整供应给电加热器的电流的电压。

19、外直径与壁厚比率也称为标准尺寸比率sdr。因此，sdr被定义为管的外直径与管的壁厚的比率。本文限定的sdr在5-15范围内或7-12范围内的管通常被认为是薄壁管。在本上下文中，在5至15的较大sdr范围内的管提供足够大的热传递表面，即足够大的管的内部和外部上的表面，以向待加热的流体提供有效热传递，并且在管壁的径向上的内部部分与和外部部分之间提供上述均匀的温度分布。在7-12的较小sdr范围内的管不仅提供了足够大的热传递表面和管壁的径向上的内部部分和外部部分之间的均匀温度分布，而且还为由相关材料制成的管提供了足够的强度和电阻，例如下面例示的材料，即每个管中的材料都被以最佳方式利用。

20、这些管之间的总横截面表面积与这些管内部的总横截面面积之间的上述比率在这些管中的一个管的外直径与内直径之间的比率的特定范围内，这允许管束中的流体的流速（每单位时间的体积或质量）沿着由管的内部提供的热传递表面和沿着由管的外部提供的热传递表面的基本上均匀的分布。因此，管的内部和外部上的可用的流体接触热传递表面被有效地用来加热流过电加热器的流体，同时避免了由径向温度差引起的管的管壁中的应力，或者将其至少保持在最小值。另外，在管内部和管外部流动的流体的温度升高保持相等或基本相等。因此，在加热器的稳态操作中，在管内部流动的流体与在管外部流动的流体之间的比率将在流过加热器的各种流率下保持恒定，因为在管内部和管外部两者上的压降是相等或基本上相等的。

21、关于管之间的总横截面表面积与管内的总横截面面积之间的上述比率，该比率位于这些管中的一个管的外直径与内直径之间的比率的-10％至+30％的较高范围内，通过加热器提供了足够好的热传递特性。具体地是，在该范围内，表现出上面讨论的在管的内部和外部之间的热传递的均匀分布以及相关的低热应力和在可变流率下的均匀压降的优点。该范围在实践中主要涉及加热器和潜在必要部件的所应用的制造公差，这些潜在必要部件诸如是在这些管之间或在这些管的内部的电连接器、间隔元件和支架元件。管的内部和外部之间的热传递的非常均匀的分布以及在管的径向方向上不存在或至少基本上不存在的热应力表征了该范围。

22、关于管之间的总横截面表面积与管内部的总横截面面积之间的上述比率，该比率位于这些管中的一个管的外直径与内直径之间的比率的-5％至+25％的较低范围内，通过加热器提供了非常好的热传递特性。例如，当例如在这些管之间或在这些管的内部的电连接器、间隔元件和支架元件被优化以用于低压降时，可以实现这一点。

23、根据实施例，所述多个导电管中的每个管可以以布置为与相邻的管成0至15度或0至5度的范围内的角度。以这种方式，这些管可以布置为在管束中彼此平行或基本上彼此平行，或者这些管可以布置为在管束中彼此倾斜。

24、例如，由于各个管之间的角度，管束可以具有一定的锥度。

25、替代性地是，各个管中的一些管可以布置成使得在其间的角度指向第一方向，并且各个管中的一些管可以布置成使得在其间的角度指向相反的第二方向，从而使得沿着管束的轴向延伸部，管束具有垂直于轴向延伸部的基本上类似的横截面。

26、管束中的各个管之间的角度可用于使管束内的管和管束在壳体、反应器或管道内在机械上稳定。例如，在其中在加热器的使用期间，管束被布置成使得轴向延伸部具有竖直分量（例如，轴向延伸部是竖直延伸的）的实施例中，可以利用这种稳定。

27、在其中所述多个导电管中的每个管布置为与相邻的管成>0度的角度的实施例中，这些管之间的总横截面表面积与管的内部的总横截面面积之间的的上述比率（该比率在这些管中的一个管的外直径与内直径之间的比率的特定范围内）可以根据以下中的至少一种来实现：在管束的整个延伸部上的平均值，在沿着管束的延伸部上看的管束的中间部分处的平均值，和/或在整个管束上的平均值。

28、根据实施例，电加热器可以包括布置在这些管之间的间隔元件，以支撑管束中的管。间隔元件可以是不导电的。间隔元件可以布置成沿着轴向延伸部以间隙布置，所述间隙小于管束的沿着轴向延伸部的总长度的40％。以这种方式，可以使管束内的管以及管束在壳体或管道中稳定。

29、间隔元件沿着轴向延伸部以比总长度的40％小的间隙布置，意味着沿着轴向延伸部看，至少两个间隔元件布置在两个相邻的管之间。例如，两个或三个间隔元件可以沿着一个管沿着轴向延伸部布置。取决于管束的总长度，沿着一个管的间隔元件的数量可以大于三。

30、间隔元件可以抵靠管，以支撑管。每个间隔元件可以抵靠围绕相关间隔元件的所有管。

31、间隔元件可具有任何合适的形状，诸如管状、圆柱形、球形、盒形等。

32、根据实施例，管可以包括结构元件，该结构元件被构造用于与间隔元件形状锁定接合。以这种方式，可以确保当管经受热运动时，间隔元件保持被定位在管束内。

33、术语形状锁定接合涉及一种接合或连接，该接合或连接利用配合元件来特别地防止间隔元件相对于一个或多个管的轴向位移。

34、根据实施例，电加热器可以包括布置在管内的支架元件，用以机械地支撑管。

35、由于管是薄管，即具有高sdr，并且它们会被加热到它们失去其至少其中一些固有稳定性的温度，因此支架元件可以确保薄管保持足够的形状稳定性，以便它们在相关材料的软化温度下不会塌缩。支架元件可以由与管相同或相似的材料制成，以例如通过使每个管在布置支架元件的部分处的电势均匀化来改善电压分布。替代性地是，支架元件可由具有更高软化温度的材料制成，例如陶瓷材料。

36、根据实施例，这些管可以由用于有源电阻加热的导电材料或多于一种用于有源电阻加热的导电材料组成，并且其中导电材料可以在所有管中相同或不同，并且可以选自以下材料构成的组中：铁-铬-铝合金（fecral合金）（即，将在产品的外部上形成氧化铝层的合金）、镍基合金、钨基合金或钼基合金。以这种方式，加热器可以在高温下操作，并且取决于流体的流速，可以实现高流体温度。高流体温度可用于许多工业工艺中。

37、根据实施例，所述多个导电管可以配置为被电加热到高达1300℃的温度，诸如高达600-1300℃范围内的温度。以这种方式，待加热的流体可以被加热到可用于工业工艺的高温。

38、这种温度或温度范围可以应用于其中导电材料选自上述合金中的任一种合金的加热器中。

39、根据一些实施例，这样的温度或温度范围可以应用于其中导电材料为fecral合金或镍基合金的加热器中。

40、根据实施例，所述多个导电管可以配置为被电加热到高达2050℃的温度，诸如高达800-2050℃范围内的温度。

41、根据一些实施例，这样的温度或温度范围可以应用于其中导电材料是钨基合金或钼基合金的加热器中。

42、根据另一方面，提供了一种用于流体的电加热系统，所述电加热系统包括壳体和至少一个根据本文所讨论的方面和/或实施例中的任一个的电加热器。所述至少一个电加热器布置在所述壳体中。用于待加热的流体的流动路径延伸穿过所述管束并且沿着所述轴向延伸部延伸。

43、以这种方式，可以提供一种要安装在工业工厂中的电加热系统。该电加热系统提供了电加热器的上述优点。

44、所述壳体不仅保护电加热器，而且还可以引导流体流向并且/或者流过电加热器的管束，并且附加地是，所述壳体可以被设计为压力容器。

45、当研究所附权利要求和以下详细描述时，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。