一种交替加热振动的锅炉的制作方法

2021-02-26 01:02:13|

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本发明涉及一种蒸汽发生设备，尤其涉及一种间歇式振动除垢的锅炉。

背景技术：

锅炉用于产生蒸汽，是是利用燃料或其他能源的热能把水加热成为蒸汽的机械设备。蒸汽发生器应用领域广泛，广泛适用于制衣厂，干洗店，饭店，馍店，食堂，餐厅，厂矿，豆制品厂等场所。在申请人在先的申请中，开发和研究了新式的盘管式的电加热盘管，例如cn106123306a，从而使得因为加热导致的其中流体的膨胀而导致的弹性管束振动，从而实现加热以及除垢效果。

但是在应用中发现，持续性的电加热器的加热会导致内部电加热装置的流体形成稳定性，即流体不在流动或者流动性很少，或者流量稳定，导致盘管振动性能大大减弱，从而影响盘管的除垢以及加热的效率。

青岛科技大学的在先的申请中，（例如申请号2019101874848），参见附图10，采用了间断式加热的方式使得盘管产生振动，但是间断式加热方式会导致一段时间内不能进行加热，导致加热功率下降。因此本发明进行了改进，采取了更合理的加热方式，提高加热效率。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中锅炉的不足，提供一种新式加热装置布局安排的电加热锅炉。该锅炉能够提高了加热效率，从而实现很好的除垢以及加热效果。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种锅炉，所述锅炉包括电加热装置、汽包，所述电加热装置设置在汽包中，所述汽包包括进水管和蒸汽出口，所述电加热装置包括第一管箱、第二管箱和盘管，盘管与第一管箱和第二管箱相连通，形成加热流体封闭循环，电加热器设置在第一管箱内；盘管为一个或者多个，每个盘管包括多根圆弧形的管束，多根圆弧形的管束的中心线为以第一管箱为同心圆的圆弧，相邻管束的端部连通，从而使得管束的端部形成管束自由端；在第一管箱和第二管箱内分别设置第一电加热器和第二电加热器；第一管箱和/或第二管箱内填充相变流体；其特征在于，第一电加热器和第二电加热器随着时间的变化周期性的交替进行加热。

作为优选，在一个周期时间t内，第一电加热器的加热功率为p1，第二电加热器的加热功率为p2，p1、p2变化规律如下：

0-t/2的半个周期内，p1＝n，p2=0，其中n为常数数值，单位为瓦（w），即第一电加热器加热功率保持恒定,第二电加热器不加热；

t/2-t的半个周期内，p1=0，p2=n。即第一电加热器不加热，第二电加热器加热功率保持恒定。

作为优选，在一个周期时间t内，第一电加热器的加热功率为p1，第二电加热器的加热功率为p2，p1、p2变化规律如下：

0-t/2的半个周期内，p2＝n，p1=0，其中n为常数数值，单位为瓦（w），即第一电加热器加热功率保持恒定,第二电加热器不加热；

t/2-t的半个周期内，p2=0，p1=n；即第一电加热器不加热，第二电加热器加热功率保持恒定。

作为优选，t是50－80分钟，其中2000w<n<2500w。

本发明具有如下优点：

1、本发明锅炉的多个电加热器在周期内交替式的加热，能够实现弹性盘管周期性的频繁性的振动，从而实现很好的除垢以及加热效果。

2、本发明设计了一种新式结构的电加热装置在汽包中的布局图，可以进一步提高加热效率。

3、本发明将盘管周期性不断增加加热功率以及降低加热功率，使得加热流体受热后会产生体积不停的处于变化状态中，诱导盘管自由端产生振动，从而强化传热。

4、本发明通过大量的实验和数值模拟，优化了盘管的参数的最佳关系，从而实现最优的加热效率。

附图说明：

图1为本发明电加热装置的俯视图。

图2为电加热装置的主视图。

图3是电加热装置间隙式加热的坐标示意图。

图4是电加热装置周期性增加以及降低加热功率坐标示意图。

图5是电加热装置周期性增加以及降低加热功率的另一个实施例坐标示意图。

图6是电加热装置加热功率线性变化的坐标示意图。

图7是圆形汽包中设置电加热装置的布局示意图。

图8是盘管结构示意图。

图9是汽包结构示意图。

图10是背景技术附图。

图中：1、盘管，2、第一管箱，3、自由端，4、自由端，5、进水管，6、蒸汽出口，7、自由端，8、第二管箱，9、连接点，10、电加热装置，11、汽包，12管束，13电加热器。

具体实施方式

一种锅炉，所述锅炉包括电加热装置10、汽包11，所述电加热装置10设置在汽包11中，所述汽包11包括进水管5和蒸汽出口6。蒸汽出口6设置在汽包上部。

作为优选，所述汽包是圆柱形结构。

图1展示了电加热装置10的俯视图，如图1所示，所述电加热装置10包括第一管箱2、第二管箱8和盘管1，盘管1与第一管箱2和第二管箱8相连通，流体在第一管箱2和第二管箱8以及盘管1内进行封闭循环，所述电加热装置10内设置电加热器131、132，所述电加热器13用于加热电加热装置10的内流体，然后通过加热的流体来加热汽包内的水。

如图1－2所示，在第一管箱2和第二管箱8内分别设置第一电加热器131和第二电加热器132；第一管箱2和/或第二管箱8内填充相变流体；盘管1为一个或者多个，每个盘管1包括多根圆弧形的管束12，多根圆弧形的管束12的中心线为以第一管箱2为同心圆的圆弧，相邻管束12的端部连通，流体在第一管箱2和第二管箱8之间形成串联流动，从而使得管束的端部形成管束自由端3、4；所述流体是相变流体，汽液相变液体，所述第一电加热器131和第二电加热器132与控制器进行数据连接，所述控制器控制第一电加热器131和第二电加热器132随着时间的变化周期性加热。

作为优选，所述第一管箱2和第二管箱8沿着高度方向上设置。

研究以及实践中发现，持续性的功率稳定性的电加热器的加热会导致内部电加热装置的流体形成稳定性，即流体不在流动或者流动性很少，或者流量稳定，导致盘管1振动性能大大减弱，从而影响盘管1的除垢以及加热的效率。因此需要对上述电加热盘管进行如下改进。

作为一个优选，电加热器131、132随着时间的变化周期性的交替进行加热。

如图3所示，在一个周期时间t内，第一电加热器的加热功率为p1，第二电加热器的加热功率为p2，p1、p2变化规律如下：

0-t/2的半个周期内，p1＝n，p2=0，其中n为常数数值，单位为瓦（w），即第一电加热器加热功率保持恒定,第二电加热器不加热；

t/2-t的半个周期内，p1=0，p2=n。即第一电加热器不加热，第二电加热器加热功率保持恒定。

t是50－80分钟，其中2000w<n<2500w。

作为一个选择，在一个周期时间t内，第一电加热器的加热功率为p1，第二电加热器的加热功率为p2，p1、p2变化规律如下：

0-t/2的半个周期内，p2＝n，p1=0，其中n为常数数值，单位为瓦（w），即第一电加热器加热功率保持恒定,第二电加热器不加热；

t/2-t的半个周期内，p2=0，p1=n；即第一电加热器不加热，第二电加热器加热功率保持恒定。

通过上述的时间变化性的进行加热，可以使得流体在弹性管束内频繁的蒸发膨胀，因为不断的周期性改变蒸汽的膨胀以及流动方向，破坏了单一加热的稳定性，从而不断的带动弹性管束的振动，从而能够进一步实现加热效率以及除垢操作。

与在先申请相比，此种加热方式既保证了电加热装置在整个周期内进行加热，又能够使得弹性管束频繁振动，从而能够进一步实现加热效率以及除垢操作。

作为一个优选，所述第一电加热器131和第二电加热器132分别都设置为多个电加热器,每个电加热器独立控制,随着时间的变化,电加热器启动的数量进行周期性变化。

作为一个优选，第一电加热器131、第二电加热器132分别都设置为n个电加热器，一个周期为t，则0-t/2的半个周期内，t=0时，第一电加热器131的n个全部关闭，第二电加热器132的n个全部开启；

然后每隔t/2n的时间，第一电加热器131启动一个电加热器，直到t/2时间加热器全部启动，同时第二电加热器132关闭一个电加热器，直到t/2时间第二加热器全部关闭。

t/2-t的半个周期内，每隔t/2n的时间，第二电加热器132启动一个电加热器，直到周期t第二加热器全部启动，同时第一电加热器131关闭一个电加热器，直到周期t第一加热器全部关闭。

作为优选，每个电加热器加热功率都相同。关系图如图4所示。

作为一个选择，一个周期为t，则0-t/2的半个周期内，t=0时，第二电加热器132的n个全部关闭，第一电加热器131的n个全部开启；

然后每隔t/2n的时间，第二电加热器132启动一个电加热器，直到t/2时间加热器全部启动，同时第一电加热器131关闭一个电加热器，直到t/2时间第一加热器全部关闭。

t/2-t的半个周期内，每隔t/2n的时间，第一电加热器131启动一个电加热器，直到周期t第二加热器全部启动，同时第二电加热器132关闭一个电加热器，直到周期t第一加热器全部关闭。

作为优选，沿着高度方向电加热器131、132设置为多段，每段独立控制，随着时间的变化，在0-t/2的半个周期内，t=0时，第一电加热器131的所有段全部关闭，第二电加热器132的所有段全部开启；

然后第一电加热器131沿着高度方向从下端开始依次启动，直到全部段都启动，同时第二电加热器132沿着高度方向从上端开始依次关闭，直到全部段都关闭；

t/2-t的半个周期内，第一电加热器131从上端开始依次关闭，第二电加热器132从下端开始依次开启，直到周期结束，第一电加热器131的所有段全部关闭，第二电加热器132的所有段全部开启。

即假设第一电加热器131、第二电加热器132分别都是n段，则在一个周期t内，t=0时，第一电加热器131的所有段全部关闭，第二电加热器132的所有段全部开启；

然后每隔t/2n的时间，第一电加热器131从下端开始启动一个段，直到t/2时间所有段全部启动，同时第二电加热器132从上端开始关闭一个段，直到t/2时间所有段全部关闭；

然后再每隔t/2n的时间，第一电加热器从上端开始，每隔t/2n的时间关闭一个段，直到t时间第一电加热器全部段关闭，同时第二电加热器从下端开始，每隔t/2n的时间开启一个段，直到t时间第二电加热器全部段开启。

作为一个选择，在0-t/2的半个周期内，t=0时，第一电加热器131的所有段全部开启，第二电加热器132的所有段全部关闭；然后第一电加热器131沿着高度方向从上端开始依次关闭，直到全部段都关闭，同时第二电加热器132沿着高度方向从下端开始依次开启，直到全部段都开启；

t/2-t的半个周期内，第二电加热器132从上端开始依次关闭，第一电加热器131从下端开始依次开启，直到周期结束，第二电加热器132的所有段全部关闭，第一二电加热器131的所有段全部开启。

即假设第一电加热器131、第二电加热器132分别都是n段，则在一个周期t内，t=0时，第二电加热器132的所有段全部关闭，第一电加热器131的所有段全部开启；

然后每隔t/2n的时间，第二电加热器132从下端开始启动一个段，直到t/2时间所有段全部启动，同时第一电加热器131从上端开始关闭一个段，直到t/2时间所有段全部关闭；

然后再每隔t/2n的时间，第二电加热器从上端开始，每隔t/2n的时间关闭一个段，直到t时间第二电加热器全部段关闭，同时第一电加热器从下端开始，每隔t/2n的时间开启一个段，直到t时间第一电加热器全部段开启。

作为优选，每个段加热功率都相同。关系图如图4所示。

通过电加热器从下部向上逐渐启动，可以使得下部流体充分加热，形成一个很好的自然对流，进一步促进流体的流动，增加弹性振动效果。通过上述的时间变化性的加热功率的变化，可以使得流体在弹性管束内频繁的蒸发膨胀以及收缩，从而不断的带动弹性管束的振动，从而能够进一步实现加热效率以及除垢操作。

作为优选，所述第一电加热器131设置为多个，每个电加热器131功率不同，可以一个或者多个组合形成不同的加热功率，所述第二电加热器132设置为多个，每个电加热器132功率不同。

在周期t内，t=0，多个第一电加热器131全部关闭，多个第二电加热器132全部开启，

作为一个选择，在0-t/2的半个周期内，按照时间循序，先是单个第一电加热器启动，单个第一电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立启动，然后再启动两个第一电加热器，两个第一电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立启动，然后再逐渐增加第一电加热器启动的数量，如果数量为n，则n个第一电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立启动；直到最后所有的第一电加热器启动，保证所述第一电加热器的加热功率依次增加；同时单个第二电加热器关闭，单个第二电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立关闭，然后再关闭两个第二电加热器，两个第二电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立关闭，然后再逐渐增加第二电加热装置关闭的数量，如果数量为n，则n个第二电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立关闭；直到最后所有的第二电加热器关闭，保证所述第二电加热器的加热功率依次降低。

在t/2-t的下半个周期内，先是单个第一电加热器关闭，单个第一电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立关闭，然后再关闭两个第一电加热器，两个第一电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立关闭，然后再逐渐增加第一电加热器关闭的数量，如果数量为n，则n个第一电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立关闭；直到最后所有的第一电加热器关闭，保证所述第一电加热器的加热功率依次降低。同时，按照时间循序，先是单个第二电加热器启动，单个第二电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立启动，然后再启动两个第二电加热器，两个第二电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立启动，然后再逐渐增加第二电加热器启动的数量，如果数量为n，则n个第二电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立启动；直到最后所有的第二电加热器启动，保证所述第二电加热器的加热功率依次增加。

例如所述第一电加热器为三个，分别是第一电加热器d1、第一电加热器d2和第一电加热器d3，加热功率分别为p1，p2和p3，其中p1<p2<p3，p1+p2>p3；即d1、d2之和大于d3，上半个周期内按照时间顺序依次启动d1，d2，d3，d1加d2，d1加d3，d2加d3，然后是d1+d2+d3，在下半个周期内关闭的顺序是d1，d2，d3，d1加d2，d1加d3，d2加d3。

所述第二电加热器为三个，分别是第二电加热器m1、第二电加热器m2和第二电加热器m3，加热功率分别为p1，p2和p3，其中p1<p2<p3，p1+p2>p3；即m1、m2之和大于m3，上半个周期内按照时间顺序依次关闭m1，m2，m3，m1加m2，m1加m3，m2加m3，然后是m1+m2+m3，在下半个周期内开启的顺序是m1，m2，m3，m1加m2，m1加m3，m2加m3。

作为一个选择，在周期t内，t=0，多个第二电加热器132全部关闭，多个第一电加热器131全部开启，

在0-t/2的半个周期内，按照时间循序，先是单个第二电加热器启动，单个第二电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立启动，然后再启动两个第二电加热器，两个第二电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立启动，然后再逐渐增加第二电加热器启动的数量，如果数量为n，则n个第二电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立启动；直到最后所有的第二电加热器启动，保证所述第一电加热器的加热功率依次增加；同时单个第一电加热器关闭，单个第一电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立关闭，然后再关闭两个第一电加热器，两个第一电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立关闭，然后再逐渐增加第一电加热装置关闭的数量，如果数量为n，则n个第一电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立关闭；直到最后所有的第二电加热器关闭，保证所述第二电加热器的加热功率依次降低。

在t/2-t的下半个周期内，先是单个第二电加热器关闭，单个第二电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立关闭，然后再关闭两个第二电加热器，两个第二电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立关闭，然后再逐渐增加第二电加热器关闭的数量，如果数量为n，则n个第二电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立关闭；直到最后所有的电加热器关闭，保证所述第二电加热器的加热功率依次降低。同时，按照时间循序，先是单个第一电加热器启动，单个第一电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立启动，然后再启动两个第一电加热器，两个第一电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立启动，然后再逐渐增加第一电加热器启动的数量，如果数量为n，则n个第一电加热器按照加热功率依次增加的顺序独立启动；直到最后所有的第一电加热器启动，保证所述第一电加热器的加热功率依次增加。

例如所述第二电加热器为三个，分别是第二电加热器d1、第二电加热器d2和第二电加热器d3，加热功率分别为p1，p2和p3，其中p1<p2<p3，p1+p2>p3；即d1、d2之和大于d3，上半个周期内按照时间顺序依次启动d1，d2，d3，d1加d2，d1加d3，d2加d3，然后是d1+d2+d3，在下半个周期内关闭的顺序是d1，d2，d3，d1加d2，d1加d3，d2加d3。

所述第一电加热器为三个，分别是第一电加热器m1、第一电加热器m2和第一电加热器m3，加热功率分别为p1，p2和p3，其中p1<p2<p3，p1+p2>p3；即m1、m2之和大于m3，上半个周期内按照时间顺序依次关闭m1，m2，m3，m1加m2，m1加m3，m2加m3，然后是m1+m2+m3，在下半个周期内开启的顺序是m1，m2，m3，m1加m2，m1加m3，m2加m3。

通过电加热器逐渐增加减少加热功率，进一步促进流体的流动，增加弹性振动效果。通过上述的时间变化性的加热功率的变化，可以使得流体在弹性管束内频繁的蒸发膨胀以及收缩，从而不断的带动弹性管束的振动，从而能够进一步实现加热效率以及除垢操作。

作为优选，在前半个周期内，电加热装置的加热功率是线性增加的，后半个周期内，电加热装置的加热功率是线性减少的，参见附图6。

通过输入电流或电压的变化实现加热功率的线性变化。

通过设置多个电加热器，实现电加热器的逐渐数量增加的启动，实现线性变化。

作为优选，周期是50－300分钟，优选50－80分钟；电加热装置平均加热功率为2000－4000w。

作为优选，所述第一管箱2的管径等于第二管箱8的管径。通过第一管箱和第二管箱的管径相等，能够保证流体进行相变在第一箱体内和第二管箱保持同样的传输速度。

作为优选，盘管在第一管箱的连接位置9低于第二管箱与盘管的连接位置。这样保证蒸汽能够快速的向上进入第二管箱。

作为优选，第一管箱和第二管箱底部设置回流管，保证第一、二管箱内冷凝的流体能够快速流动。

作为优选，第一管箱和第二管箱沿着高度方向上设置，沿着第一管箱的高度方向，所述盘管设置为多个，从上向下方向，盘管的管径不断变小。

作为优选，沿着第一管箱的从上向下方向，盘管的管径不断变小的幅度不断的增加。

通过盘管的管径幅度增加，可以保证更多的蒸汽通过上部进入第一、二箱体，保证所有盘管内蒸汽的分配均匀，进一步强化传热效果，使得整体振动效果均匀，换热效果增加，进一步提高换热效果以及除垢效果。通过实验发现，采取此种结构设计可以取得更好的换热效果以及除垢效果。

作为优选，沿着第一管箱的高度方向，所述盘管设置为多个，从上向下方向，相邻盘管的间距不断变大。

作为优选，沿着第一管箱的高度方向，盘管之间的间距不断变大的幅度不断的增加。

通过盘管的间距幅度增加，可以保证更多的蒸汽通过上部进入第一、二箱体，保证所有盘管内蒸汽的分配均匀，进一步强化传热效果，使得整体振动效果均匀，换热效果增加，进一步提高换热效果以及除垢效果。通过实验发现，采取此种结构设计可以取得更好的换热效果以及除垢效果。

作为优选，如图7所示，所述汽包是横截面为圆形汽包，汽包中设置多个电加热装置。

作为优选，如图7所示，所述汽包内设置的多个电加热装置，其中一个设置在汽包的中心，成为中心电加热装置，其它的围绕汽包的中心分布，成为外围电加热装置。通过如此结构设计，可以使得汽包内流体充分达到振动目的，提高换热效果。

作为优选，单个外围电加热装置的加热功率小于中心电加热装置的加热功率。通过如此设计，使得中心达到更大的震动频率，形成中心振动源，从而影响四周，达到更好的强化传热和除垢效果。

作为优选，同一水平换热截面上，流体要达到均匀的振动，避免换热分布不均匀。因此需要通过合理分配不同的电加热装置中的加热功率的大小。通过实验发现，中心电加热装置与外围管束电加热装置的加热功率比例与两个关键因素相关，其中一个就是外围电加热装置与汽包中心之间的间距（即外围电加热装置的圆心与中心电加热装置的圆心的距离）以及汽包的直径相关。因此本发明根据大量数值模拟和实验，优化了最佳的脉动流量的比例分配。

作为优选，汽包内壁半径为b，所述中心电加热装置的圆心设置在汽包圆形截面圆心，外围电加热装置的圆心距离汽包圆形截面的圆心的距离为s，相邻外围电加热装置的圆心分别与圆形截面圆心进行连线，两根连线形成的夹角为a，外围电加热装置的加热功率为w2，单个中心电加热装置的加热功率为w1，则满足如下要求：

w1/w2=a-b*ln（b/s）；ln是对数函数；

a,b是系数，其中1.9819<a<1.9823,0.5258<b<0.5264；

1.25<b/s<2.1；

1.6<w1/w2<1.9。

其中35°<a<80°。

作为优选，四周分布数量为4－5个。

作为优选，b为1600－2400毫米，优选是2000mm；s为1200－2000毫米，优选为1700mm；换热管的直径为12－20毫米，优选16mm；脉动盘管的最外侧直径为300－560毫米，优选400mm。立管的管径为100－116毫米，优选108毫米，立管的高度为1.8-2.2米，优选为2米,相邻的脉冲管的间距是65－100mm。优选80毫米左右。

总加热功率优选为6000-14000w，进一步优选为7500w。

进一步优选，a=1.9821,b=0.5261。

所述蒸汽出口设置在汽包上壁的中间位置。

作为优选，所述箱体是圆形截面，设置多个电加热装置，其中一个设置在圆形截面圆心的中心电加热装置和其它的形成围绕圆形截面圆心分布的电加热装置。

盘管1为一组或者多组，每组盘管1包括多根圆弧形的管束12，多根圆弧形的管束12的中心线为同心圆的圆弧，相邻管束12的端部连通，从而使得盘管1的端部形成管束自由端3、4，例如图2中的自由端3、4。

作为优选，所述的加热流体为汽液相变的流体。

作为以优选，所述第一管箱2、第二管箱8以及盘管1都是圆管结构。

作为优选，盘管1的管束是弹性管束。

通过将盘管1的管束设置弹性管束，可以进一步提高换热系数。

作为优选，所述同心圆是以第一管箱2的中心为圆心的圆。即盘管1的管束12围绕着第一管箱2的中心线布置。

如图4所示，管束12不是一个完整的圆，而是留出一个口部，从而形成管束的自由端。所述口部的圆弧所在的角度为65－85度，即图8夹角b和c之和是65－85度。

作为优选，管束在同一侧的端部对齐，在同一个平面上，端部的延长线（或者端部所在的平面）经过第一管箱2的中线。