[发明专利]集肤电热元件

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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1)。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。

发明内容

本发明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。

1.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发明原理不同而异。前者是采用焦耳热原理，后者是利用电磁涡流及磁滞所产生热量和焦耳热；前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，可以建立本发明的等效电路模型见图2。

根据基尔霍夫第二定律：

＝I(r+R)+jI(X_L+X_C)…………………………(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；

X_L为合金电热丝的感抗；

X_C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X_L+X_C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从内壁到外壁的电流密度服从物理指数律衰减j=joedds......(2)]]>

其中j_o：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j_o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。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#、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。