电磁加热式蒸汽发生器
技术领域
本实用新型属于蒸汽加热设备技术领域，具体涉及一种电磁加热式蒸汽发生器。
背景技术
蒸汽发生器，常用设备如锅炉，是利用燃料或其他能源的热能把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。目前工业车间中使用的蒸汽发生器大部分还是以锅炉为主，通过煤或天然气燃烧产生热量加热水产生水蒸气，这种方式需要专用的锅炉房，占地面积大，同时燃料燃烧会产生大量的有害污染气体。
具体到现有工业领域中，如造纸行业中，大型设备需要大量蒸汽加热，必须添置采用燃烧介质的蒸汽锅炉，由于锅炉属于特种设备，需要专业人员操作和维护且需要远离生产区域，因此需要铺设较长的输送管道，成本高，同时长距离输送管道带来输送损耗较大，此外，由于采用燃烧介质（通常是燃煤或天然气）存在空气污染和PM2.5排放问题。比较大型的锅炉还必须增加除尘和烟气脱硫等环保装置，并且需要频繁维护以保证设备的有效性，维护保养成本较高。而且锅炉的工作特性决定其对设备的蒸汽需求响应反应缓慢，无法与设备控制系统连线。
而对于一些小型的工业设备，其需要快速蒸汽加热（如蒸汽杀菌），这类多采用电加热方式，但由于电阻丝、红外管等加热速度慢、预热时间长，不利于小批量间歇式工作，存在成本高、耗电量大、控制难度高、老化速度快等缺点。
鉴于存在以上一些问题，本实用新型对现有技术中的蒸汽发生设备进行了进一步的研究。
实用新型内容
针对以上现有技术中的不足，本实用新型提供了一种电磁加热式蒸汽发生器，体积小，加热迅速，无污染物排放，节能高效，使用方便。
为了解决上述技术问题，本实用新型通过下述技术方案得以解决。
电磁加热式蒸汽发生器，包括蒸汽发生器主体、设于该蒸汽发生器主体上的控制柜，所述蒸汽发生器主体中设有电磁热转换组件、电源组件、冷却组件、闪闪蒸汽及余热回收系统、储水箱、用于连接的管道和相关传感器；其中：所述电磁热转换组件包括保温隔热体、设于该保温隔热体中的柱状的电磁热发生器，所述电磁热发生器的外周设有电磁感应圈管；电磁热发生器中设有外层加热流道、中层加热流道、芯部加热流道，各流道采用多种汇流腔体连接形成联通；所述电磁热发生器的一端为进水端，水从外层加热流道流入，另一端为出蒸汽端，蒸汽从芯部加热流道排出；所述进水端设有连通中层加热流道和芯部加热流道的增压汇流腔，所述出蒸汽端设有连通外层加热流道和中层加热流道的初级汇流腔。电磁热发生器的进水端通过管道和水泵与储水箱相连，电磁热发生器的出蒸汽端与输送蒸汽的管道相连；所述电源组件与电磁感应圈管电连接，用于输出电流；所述冷却组件用于冷却电源组件和气液分离器；所述闪闪蒸汽及余热回收系统包括气液分离器，所述气液分离器的进口与做功后返回的低温蒸汽的管道相连，所述气液分离器的水出口通过管道与储水箱相连，气液分离器的用于分离的闪蒸汽出口通过管道与电磁热发生器上的进水管相连；所述储水箱包含外接水源接口和液位控制器。
本实用新型中提供了一种电磁加热式蒸汽发生器，相比于传统的煤燃烧的锅炉设备，体较小，占地少，无污染物排放。同时本实用新型中的电磁热转换组件加热水的效率高，工作时，电磁热发生器外壁上的电磁感应圈管通电，在电磁热发生器内部形成电涡流，电涡流加热电磁热发生器，通过控制施加电流大小和频率高低可以控制加热速度和电涡流在电磁热发生器形成的位置，达到快速精确加热的目的，启动初始状态下电磁热发生器的内芯处温度最高，外围处温度逐渐减低，水流经后快速转换成饱和蒸汽，进入运行稳定状态后，电磁热发生器的中层温度升高到与芯部一致，水流经后能持续转换成干蒸汽或高温蒸汽；因此，工作状态下，当水从电磁热发生器的进水端进入到外层加热流道中，进行初步加热，接着通过初级汇流腔后进入到中层加热流道中，进一步加热，同时由于中层加热流道处于内部，整体的流道截面积小于初级汇流腔，因此水流的流速加快，接着通过增压汇流腔进入到芯部加热流道中，此处温度最高，水汽化成高温的水蒸气，同时流速变大，压力变大，该状态下高温高压的水蒸气从出蒸汽端进入到管道中，输送到工作场所。整个过程无污染物产生，节能环保。
此外，本实用新型中的闪闪蒸汽及余热回收系统用于回收低温的水蒸气，达到热能和水源回收利用的目的。回收后，冷凝水流入到储水箱中，由于此阶段冷凝水是具有一定温度的，能达到预热进水的目的。同时闪蒸气与进入到电磁热发生器中的水为混合有闪蒸汽的水，提高热交换效率。
作为优选，电磁热转换组件中，电磁热发生器为圆柱状结构，电磁感应圈管分布于电磁热发生器的圆周外壁上；所述外层加热流道、中层加热流道、芯部加热流道具有上下贯通的结构，且外层加热流道、中层加热流道、芯部加热流道中具有用于增加热交换面积的凹凸结构，该凹凸结构可以为波浪形结构、异形凸起凹槽结构等。
作为优选，电磁热转换组件中，所述外层加热流道和中层加热流道的单个截面积相同，但外层加热流道的数量为中层加热流道数量的两倍；所述中层加热流道的截面积总和为芯部加热流道的截面积总和的两倍。该结构保证了每次汇流后水的流速加倍，高温水蒸气输出量大且快。
作为优选，所述外层加热流道环形分布在电磁热发生器外层，所述中层加热流道环形分布在电磁热发生器中层，所述芯部加热流道设于电磁热发生器的轴心处。
作为优选，电磁热发生器的进水端上设有用于隔离外层加热流道和中层加热流道的进水隔板，该进水隔板中间的区域为增压汇流腔；所述进水隔板和电磁热发生器外壁之间形成进水腔，外层加热流道与进水腔相通，该结构紧凑，水从外到内逐步加热，磁热转换效率高。
作为优选，电磁热发生器的出蒸汽端上设有若干个初级汇流腔，每个初级汇流腔使相邻的两个外层加热流道和一个中层加热流道相通，该结构使两个流道汇流成一个流道，流速加倍。
作为优选，所述外层加热流道、中层加热流道、芯部加热流道的截面具有雪花状轮廓，且外层加热流道数量为十二个，中层加热流道数量为六个、芯部加热流道数量为一个。其中外层单个流道截面积与中层单个流道截面积相等，芯部流道截面积是中层单个流道截面积的三倍。
作为优选，流道和汇流腔的内壁涂有非亲水性耐高温涂层，避免结垢和过快腐蚀。
作为优选，所述储水箱通过配合的供水泵和管道与电磁热发生器的进水腔相连，用于供水。
作为优选，所述冷却组件为包括配合组装的壳体、冷却液储存罐、散热风扇、冷却液水泵、热交换器，主要通过冷却液循环用于冷却电源组件和协助气液分离器冷却。
作为优选，所述储水箱和管道上设有传感器，该传感器选自：液位传感器、流量传感器、压力传感器、温度传感器；所述管道上还设有调节机构，该调节机构选自：流量调节器、压力调节器。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：提供了一种电磁加热式蒸汽发生器，体积小，通过水体从外到内循环流动的方式，使磁热转换效率高，加热迅速，高温蒸汽出量大且流速快，无污染物排放，节能高效，使用方便。
附图说明
图1为本实用新型中的电磁加热式蒸汽发生器的示意图一。
图2为本实用新型中的电磁加热式蒸汽发生器的示意图二。
图3为本实用新型中的电磁加热式蒸汽发生器的内部结构示意图一。
图4为本实用新型中的电磁加热式蒸汽发生器的内部结构示意图二。
图5为本实用新型中的电磁加热式蒸汽发生器的内部结构示意图三。
图6为本实用新型中的电磁加热式蒸汽发生器的内部结构示意图四。
图7为省略保温隔热体的电磁热转换组件的示意图。
图8为电磁热转换组件的剖视状态示意图。
图9为电磁热转换组件的工作状态示意图。
图10为电磁热发生器的立体图一。
图11为电磁热发生器的立体图二。
图12为电磁热发生器的出蒸汽端的示意图。
图13为电磁热发生器的进水端的示意图。
图14为电磁加热原理图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。
参照图1至图13，本实用新型中涉及的电磁加热式蒸汽发生器，包括蒸汽发生器主体01、设于该蒸汽发生器主体01上的控制柜03，控制柜03上设有控制面板02，控制柜03中设有电路控制组件；所述蒸汽发生器主体01中设有电磁热转换组件6、电源组件17、冷却组件、闪蒸汽及余热回收系统、储水箱3、用于连接的管道和相关传感器；其中的具体结构如下。
电磁热转换组件6，所述电磁热转换组件6包括保温隔热体114、设于该保温隔热体114中的柱状的电磁热发生器111，所述电磁热发生器111的外周设有电磁感应圈管113，所述保温隔热体114中填充的保温材料石墨复合纤维，电磁热发生器111置于其中；电磁热发生器111中设有外层加热流道104、中层加热流道106、芯部加热流道108，各流道采用多种汇流腔体连接形成联通，所述电磁热发生器111的一端为进水端，水从外层加热流道104流入，另一端为出蒸汽端，蒸汽从芯部加热流道108排出；所述进水端设有连通中层加热流道106和芯部加热流道108的增压汇流腔116，所述出蒸汽端设有连通外层加热流道104和中层加热流道106的初级汇流腔105；电磁热发生器111的进水端通过管道和水泵与储水箱3相连，电磁热发生器111的出蒸汽端与输送蒸汽的管道相连。本实用新型中的电磁热发生器111由高碳钢制成，同时在流道内壁表面上设有氧化钛涂层，该氧化钛涂层为非亲水性材料，耐高温，具有很好的防气蚀、防锈、防水垢能力，提高产品使用寿命。
所述电源组件17为中频电源，与电磁感应圈管113电连接，用于输出电流；所述冷却组件设于电源组件17的上方。所述冷却组件为包括配合组装的壳体、冷却液储存罐15、散热风扇12、冷却液水泵18、热交换器、冷却液液位观察窗16，主要通过冷却液循环用于冷却电源组件和协助气液分离器20冷却。
闪蒸汽及余热回收系统，所述闪蒸汽及余热回收系统包括气液分离器20，所述气液分离器20的进口与做功后返回的低温蒸汽的管道相连，所述气液分离器20出口内有自动排水装置通过管道与储水箱3相连，气液分离器20的用于分离的闪蒸汽通过闪蒸汽增压泵19与电磁热发生器111上的闪蒸汽管道109相连；为维持气液分离器20的稳定运作，所述冷却组件在极端情况下可同时用于冷却气液分离器20，加速气液分离。
此外，本实施方式的电磁热转换组件6中，电磁热发生器111为圆柱状结构，电磁感应圈管113螺旋缠绕分布于电磁热发生器111的圆周外壁上，电磁感应圈管113的感应圈管受电接口112与电源组件17电连接；所述外层加热流道104、中层加热流道106、芯部加热流道108具有上下贯通的结构，且外层加热流道104、中层加热流道106、芯部加热流道108中具有用于增加热交换面积的凹凸结构，可以为波浪形结构、凸起凹槽结构等。本实施方式中，所述外层加热流道104、中层加热流道106、芯部加热流道108的截面具有雪花状轮廓。
电磁热转换组件6中，所述外层加热流道104和中层加热流道106的截面积相同，外层加热流道104的数量为十二个，中层加热流道106的数量为六个，所述芯部加热流道108的截面积为中层加热流道106的截面积的三倍，且中层加热流道106的数量为芯部加热流道108数量的六倍，即芯部加热流道108为一个。所述外层加热流道104环形均匀分布在电磁热发生器111外层，所述中层加热流道106环形均匀分布在电磁热发生器111中层，所述芯部加热流道108设于电磁热发生器111的轴心处。
此外，电磁热发生器111的进水端上设有用于隔离外层加热流道104和中层加热流道106的进水隔板156，该进水隔板156中间的区域为增压汇流腔116；所述进水隔板156和电磁热发生器外壁凸沿之间形成进水腔115，外层加热流道104与进水腔115相通。电磁热发生器111的出蒸汽端上设有若干个初级汇流腔105，每个初级汇流腔105使相邻的两个外层加热流道104和一个中层加热流道106相通。
本实施方式中，所述储水箱3通过配合的供水泵4和管道与电磁热发生器111的进水腔115相连。所述冷却组件为包括配合组装的壳体14、散热风扇12、冷却翅片。所述储水箱3和管道上设有传感器，该传感器选自：液位传感器、流量传感器、压力传感器、温度传感器；所述管道上还设有调节机构，该调节机构选自：流量调节器、压力调节器。
具体的，本实用新型中：在储水箱3的一侧设有进水法兰接口1，用于连接进水管道，储水箱3的一侧还设有液位控制器2，防止储水箱3中水位过满；储水箱3的出水口处配合设有供水泵4和管道，该管道上设有用于测量供水状态的压力传感器和流量传感器5；在电磁热转换组件6的出蒸汽管道上，设置有蒸汽压力传感器和蒸汽流量传感器7，还设有蒸汽压力调节器（设于法兰件8上）、出气温度传感器9，用于检测和调节输出蒸汽的状态。在气液分离器20的进气端的管道上设置有闪蒸汽温度传感器10，该闪蒸汽温度传感器10设于闪蒸气进气法兰连接件11上，用于检测回收的闪蒸汽的状态。
在冷却液储存罐15的上端设有冷却液加注口13。在冷却液储存罐15的下部配合设有管道连接的冷却水泵18，该冷却水泵18用于将冷却液输送到中频电源中的发热元件和气液分离器20冷却位置，然后输送到冷却组件，冷却组件中的散热风扇12吹风将热量带走，随后冷却液返回冷却液储存罐15中。
在气液分离器20的蒸汽出口的闪蒸汽管道109上设有闪蒸气增压泵19，增压泵将闪蒸汽输送到电磁热发生器111上的进水管中。在电磁热发生器111的进水管上设有单向阀102，该单向阀102的下端101连接进水管道，进水管与电磁热转换组件6的结合处设有分流器103，将水流分流到外层加热流道104中；电磁热发生器111的顶部安装有蒸汽出口法兰件110，用于装配蒸汽管道等。
以下为对本设备的工作状态的阐述。
整机参见图1和图2，本实施方式中涉及的1吨级蒸汽发生器装置，主要由蒸汽发生器主体01、设于该蒸汽发生器主体01上的控制柜03、设于控制柜03上的触摸式的控制面板02构成。
蒸汽发生器主体01内部结构参见图3~图6，清洁水经进水法兰接口1输送到储水箱3，水位达到液位控制器2要求后，供水泵4和电源组件17中的中频电源启动。压力传感器和流量传感器5检测泵水达到设定要求，电磁热转换组件6启动，流经水经加热形成蒸汽。待蒸汽压力传感器和蒸汽流量传感器7检测蒸汽达到设定条件时，蒸汽压力调节器8动作，蒸汽输出。
用气设备返回的闪蒸气经闪蒸气进气法兰连接件11返回，闪蒸汽温度传感器10实时监测返回的闪蒸气的温度变化。返回的闪蒸气经气液分离器20分离成低温蒸汽和冷凝水。冷凝水经自动排水器返回储水箱3中，低温蒸汽通过闪蒸气增压泵19输入到电磁热发生器111的进水管上，与供水泵4供水混合。
控制器根据蒸汽压力传感器和蒸汽流量传感器7和出气温度传感器9的实时检测参数信号以及闪蒸气温度传感器10监测的参数信号控制供水泵4的转速和中频电源的输出功率以及闪蒸气增压泵19的速度已达稳定的蒸汽输出。
由于中频电源工作时会产生一定的热量，且气液分离器20需在一个稳定的温度下工作，系统设计有冷却系统。通过冷却液加注口13往冷却液储存罐15中加注冷却液，通过冷却液液位观察窗16检查液位是否符合要求。冷却水泵18将冷却液输送到中频电源的发热元件和气液分离器20的冷却位置，然后输送到冷却组件，散热风扇12吹风将热量带走，随后冷却液返回冷却液储存罐15中。
图7~13展示了电磁热转换组件6的内部结构和工作原理。供水泵4来水经过单向阀102与闪蒸汽管道109反馈回来的闪蒸气混合形成混合有闪蒸气的水。混合水经分流器103分流进入电磁热发生器111的外层加热流道104进行第一次加热，加热后的混合水进一步气化。随后经初级汇流腔105进入中层加热流道106进行第二次加热，混合水完全气化。后经增压汇流腔107到芯部加热流道108第三次加热后形成175℃0.8MPa左右的蒸汽由蒸汽出口法兰件110处的管道输出至用气设备。
图14所示为本实用新型中的中频感应加热的原理：通过中频电源产生经调制的交变电流在电磁热发生器111内部产生交变感应电流，所产生的交变感应电流在电磁热发生器111内部产生涡流以达到加热作用。根据感应电趋肤效应原理，不同频率电流在金属内产生涡流深度不同，可通过控制中频电源的输出电流和频率改变电磁热发生器111内部加热位置深度，对应改变不同加热流道受热效果。
具体的，本实用新型中的设备加热时，控制系统通过调整中频电源的输出电流和频率，使电磁感应圈管113在电磁热发生器111芯部或中层产生热量，并沿径向方向内外传递。由于电磁热发生器111内部的三层加热流道结构特性使得外层流道单位面积受热量最小，中层或芯部受热量最高。水在流经外层加热流道时由于流道数量最多所以流速较慢，流经中层和芯部是流速逐级变快。配合控制系统控制调整电磁热发生器111热量产生位置深度，从而实现流经水稳定、快速、精确的转换成符合使用要求的蒸汽。
以上结构中，感应加热从电磁热发生器111内部向外部传导。由于感应加热速度很快配合电磁热发生器111内部特殊的水流通道和多次分流汇流动作，致使流经水实现逐级加热增压效果，最终输出满足需要的蒸汽。通过调整感应电流大小和频率高低，可以控制电磁热发生器111内部涡流产生的深度，配合用气需求从而实现迅速、精确的加热控制。
同时本系统设计有闪蒸气回收再用机构，闪蒸气与来水混合后进入电磁热转换组件6中后增大了水与电磁热发生器111内加热流道接触面提高了热交换效率。
本实用新型中的设备，加热速度快，可在1秒中将电磁热发生器111加热到600摄氏度，可瞬间将水转换成蒸汽。控制简单，只需要控制电磁热发生器111的加热功率与供水压力就能很好的输出稳定蒸汽。反应快速，能实现与受气设备自动连线控制。应用适应性好，可长时间稳定供气也可间歇供气。无污染排放，冷凝水也可回收再循环，且可充分利用冷凝水余热。体积小，安装简易，可直接与用气设备并接使用。高效节能，无需预热等待。
此外，本实用新型中，采用电磁加热金属换能器电热转换效率可以达到97%以上，水流经转换器时直接变成蒸汽，无其他排放物产生。采用钛合金涂层换能器内胆，解决高温蒸汽对金属的腐蚀问题。采用晶体管的中高频电源，技术稳定成熟，单位体积功率大、效率高，同样1吨蒸汽产出设备是锅炉体积的1/5~1/10。同时，可以与用气设备直接并机或集成到设备内部使用，无需铺设输送管道。减少蒸汽管道热量损耗和维护成本。采用数字调压、调频技术的中高频电源，实现加热功率的灵活调整。采用带有联网功能的PLC做主控，可实现多机联机集群控制。采用多路传感器采集进出压力和温度信号，配合恒压供水系统以及可编程逻辑控制器实现闭环的电气控制系统，能实现与用气设备联机联控。
具体来说，本实用新型中的电磁加热式蒸汽发生器具有以下几方面的优势和特点。
（1）良好的适应性：该设备体积小巧且支持多机联动和集群控制，可多机并联用于大型用气设备，也可单机用于小型项目。采用先进控制系统和传感器，机内所有运行要素设备均可根据输出要求调整，不仅可满足高温高压负载，也可满足低温低压应用。蒸汽产生响应速度快，自带冷却系统，可满足持续不间断高负载率运行，也可随用随启间歇工作。整机设计时已考虑到抑制水垢生成、减少管路腐蚀问题，整机稳定运行时间较普通锅炉大大延长，维护成本降低。整机采用模块化架构，机构简单，维修保养方便。
（2）支持多机联动和集群控制：整机设备设计尺寸控制在长1600mm、宽600~800mm、高2000mm以内，单台每小时蒸汽产出量在1-2蒸汽吨范围。以50吨回收纸造纸线为参照，需要7~9台此类设备，则可以针对造纸线每个烘干缸配套一台，实现烘干缸侧就近安装供气；也可以将多台蒸汽发生器并接以产生更大的蒸汽输出。系统控制部分设计有RS485和RJ45以太网通讯接口，当多机联合给一台设备供气时（如上述纸机例），可通过通讯方式将多台蒸汽发生器以及用气设备主控系统通过网络方式连接起来，根据用气设备每个工序的工艺要求或用气量多少实现灵活的联机控制。如：某烘干缸（如上述纸机例）需要更高的烘干速度，在不改变对应的蒸汽发生器输出情况下，适当修正增加前后关联烘干缸的蒸汽输出，达到最终效果；或者整机线速调快或调慢（如纸机换线）可通过网络控制所有蒸汽发生器同步调高或减少蒸汽输出。
（3）良好的安全性：整机结构特点说明，当电磁热发生器停止加热后，余热和残留蒸汽压力可迅速释放，不存在累计热量和残留压力累积造成的危险。同时系统采用成熟的低压中频感应电源，不存在电磁辐射、干扰等问题。
（4）经济节能：整机采用多项节能措施如闪蒸气回收复用、余热回收技术，同等输出热量（参考锅炉）能源消耗少。同时电磁热发生器转换效率高、速度快，采用多种变频节能元器件使整机自身能耗低。设备运转后只需产生维持性输出即可，不存在输送余量损耗。控制响应速度快，不需要预热或冷却，减少待机损耗。冷凝水回收再用，减少用水量需求。
（5）环保：整机采用标准工频电供电，普通软化水供水。主要产生蒸汽以及排放少量冷凝水，不存在环境污染问题。整机制造和安装过程中大多使用通用材料不存在材料处理、降解、有毒有害物质问题。在整机维护时会消耗少量保温隔热材料，由于使用范围很小，且多可以重复利用，极少存在固体废物产生。在整机保养时需清理管道垢渣，该类废物多数由管道或用气设备内部铁锈和水中无机物凝结而成，生成数量较少且无毒无害。
以上所述，本实用新型的保护范围包括但不限于以上实施方式，本实用新型的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本实用新型的保护范围。
