CN105597850B - 一种实验室用的电加热载物台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实验室用的电加热载物台，属于热工技术领域。其包括水冷支撑板、阳极上夹持片、阳极下夹持片、阴极上夹持片、阴极下夹持片、进水中空铜柱、出水中空铜柱以及第二云母片，第二云母片设置在水冷支撑板上，阳极下夹持片和阴极下夹持片分别设置在水冷支撑板两个相对的侧面处，阳极上夹持片和阴极上夹持片分别压住电阻丝网两端并分别固定在阳极下夹持片和阴极下夹持片上，水冷支撑板上具有通孔，通孔位于电阻丝网下方，水冷支撑板内部还设置有水冷通道，进水中空铜柱和出水中空铜柱分别固定在水冷支撑板上并连通水冷通道。本发明载物台能使反应样品温度更均匀，还便于直接测量电阻丝网反应区的温度，并能最小化交互反应。

Description

一种实验室用的电加热载物台

技术领域

本发明属于固体燃料热解、气化和燃烧的热工技术领域，更具体地，涉及一种实验室用的小型水冷电加热载物台。

背景技术

煤、生物质、固体废弃物等固体燃料的利用方式通常包括热解、气化和燃烧等。这些固体燃料样品在热利用的过程中会产生一些挥发性产物，这些挥发性产物除了自身发生均相反应之外，还可能与正在反应的样品或者生成的固、液残留物发生交互反应，这使得研究固体燃料热解、气化和燃烧等热利用反应的初始过程变得异常复杂。

国内外绝大多数关于固体燃料高效无污染利用的研究都是采用热天平、固定床、流化床、反应釜、沉降炉、携带流反应器等台架，用这些台架研究固体燃料热利用反应的初始过程存在种种问题或缺陷：譬如热天平、固定床、反应釜等台架升温速率很小，与实际工业运用相差很大，样品的堆积效应造成反应过程中样品温度分布不均匀，并且堆积的样品之间及样品与产物之间会发生比较严重的交互反应。流化床、沉降炉、携带流反应器等台架中颗粒的升温速率可以达到10³～10⁵℃/s，与实际相符，但无法实现程序升温，并且仍无法避免产物之间及产物与样品之间的交互反应。另外，这些实验室用的固体燃料热研究台架的实验温度都是间接测定的，一般测定反应器管壁的温度或者是反应烟气的温度来代表反应样品的反应温度，极少有实验台架直接采集反应样品的实际温度作为控制对象。

由于样品之间、产物之间及样品与产物间交互反应的存在，不同固体燃料热利用研究设备中影响热利用产物析出的传热传质、流动等条件不同，使得交互反应的程度也不同，得到的数据往往缺乏可比性。若能在固体燃料热反应的过程中迅速将挥发性产物与反应中的样品分离开，则可以更清楚的观测固体燃料热利用的初始反应过程；若能在固体样品反应的过程中直接采集反应样品的实际温度来作为控制对象用来控制反应过程的温度历程，并且确保样品反应过程中温度分布均匀，则可更准确地展示实际反应温度对固体燃料热反应的影响，特别是对研究一些反应温度区间窄的固体燃料的热特性及机理很有帮助。

因此，有需要开发出可供直接测量固体燃料样品反应温度、能最小化反应样品及生成产物之间交互反应并且温度分布均匀的实验装置。

发明内容

针对现有实验台架中反应样品与生成产物之间交互反应大、不能直接采集固体样品实际温度的不足，本发明提供了一种实验室用的电加热载物台，可以直接采集反应固体样品的实际温度，并且该载物台的水冷通道布置可有效增大换热面积，使得反应样品温度更均匀，并且在高温下可以运行更长时间，此外，还能方便直接测量电阻丝网反应区的温度。

为实现上述目的，本发明提供了一种实验室用的电加热载物台，用于夹持电阻丝网并对电阻丝网加热，其特征在于，其包括水冷支撑板、阳极上夹持片、阳极下夹持片、阴极上夹持片、阴极下夹持片、进水中空铜柱、出水中空铜柱、第二云母片，其中，

所述第二云母片设置在所述水冷支撑板上，用于将设置在该第二云母片上的电阻丝网和所述水冷支撑板电绝缘，

所述阳极下夹持片和所述阴极下夹持片分别设置在所述水冷支撑板两个相对的侧面处，所述阳极上夹持片和所述阴极上夹持片分别压住所述电阻丝网两端并分别固定在所述阳极下夹持片和所述阴极下夹持片上，

所述水冷支撑板上具有设置在电阻丝网下方的通孔，该水冷支撑板内部还设置有水冷通道，所述进水中空铜柱和所述出水中空铜柱分别固定在所述水冷支撑板上并连通所述水冷通道。

通过以上发明构思，(1)在水冷支撑板上设置有通孔，电阻丝网位于水冷支撑板的通孔上方，以水冷支撑板通孔处的电阻丝网为反应区，方便在电阻丝网下方设置载气吹扫装置，能用于将反应物质吹扫走，能最小化反应样品及生成产物之间交互反应；(2)在水冷支撑板内部还设置有水冷通道，电阻丝网设置在水冷支撑板上，能通过设计水冷通道的布局而使电阻丝网的温度分布均匀，并能确保电阻丝网非反应区域良好散热，使得电阻丝网可以在高温下长时间受热；(3)可通过水冷支撑板下方的通孔将热电偶丝直接穿插在电阻丝网的反应区，用于直接测量反应区的温度，避免了现有技术中间接测量反应样品温度带来的不利影响。

进一步的，所述水冷支撑板内部的水冷通道包括围绕所述通孔周围的一段，并且，该段水冷通道至少围绕所述通孔周长的一半。

进一步的，所述水冷支撑板内部的水冷通道包括围绕所述通孔周围的一段，并且，该段水冷通道至少围绕所述通孔周长的五分之四。

以上发明构思中，同时设置水冷通道围绕通孔周长的长度，能改变对电阻丝网非反应区的冷却能力以确保电阻丝网反应区温度的均匀性。

进一步的，还包括第一云母片，该第一云母片设置在所述阳极下夹持片和所述水冷支撑板侧面之间，起到电绝缘的作用。

进一步的，还包括阳极接线柱，所述阳极接线柱固定在所述阳极下夹持片上，用于向阳极通电。

进一步的，所述阴极下夹持片内也设置有水冷通道，位于阴极下夹持片的水冷通道通过不锈钢弯管连通所述水冷支撑板内部的水冷通道。实际情况下，可灵活设计水冷通道，譬如在水冷支撑板周围设计直线型的水冷通道，该直线型的水冷通道再进一步连通位于阴极下夹持片的水冷通道和围绕通孔的环形水冷通道，这样增大换热面积，能强化水冷系统的换热效果，使得反应样品温度分布更均匀，并且在高温下可以运行更长时间。

本发明载物台主要包括供电加热与循环水冷却两个部分，阳极的上下夹持片、阴极的上下夹持片以及阳极接线柱为供电加热的主要部分，通电后，电阻丝网会发热升温；水冷支撑板、进水中空铜柱、出水中空铜柱以及不锈钢弯管组成冷却水循环通路的主要部分，用于均匀冷却电阻丝网非反应区并能使电阻丝网反应区温度更均匀。本发明将供电加热电路与冷却水循环通路整合为一体，加热电极采用中空结构，既是供电通路也是冷却水循环通路。

本发明中，少量的固体燃料样品由两层电阻丝网夹持，均匀地分布一层，通过控制电阻丝网两端的电压可以准确地控制样品的反应温度并实现快速及慢速的程序升温。在样品反应区下端采用载气快速垂直吹扫，可以将反应过程中生成的挥发性产物快速吹离反应区，减小反应样品及生成产物之间的交互反应。

本发明中，通过直径为微米级的热电偶丝直接采集反应样品的实际温度，并以该温度作为后续的温度控制对象，通过调节电阻丝网两端的功率输入大小来控制反应过程的温度历程，实现程序升温及保温，可更准确地展示温度对固体燃料热反应的影响。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得下列有益效果：

1、水冷支撑板上设置有通孔，通孔上方的电阻丝网区域作为反应区，这样的设计，使得在电阻丝网反应区下方设置载气或者冷却气体快速吹扫，可以将反应过程中生成的挥发性产物快速吹离反应区，减小反应样品及生成产物之间的交互反应。

2、水冷支撑板上设置有围绕电阻丝网反应区的水冷通道，能有效冷却电阻丝网的非反应区，能使得电阻丝网反应区温度更均匀。

3、通过水冷支撑板的通孔将热电偶丝直接穿插在电阻丝网的反应区，能直接采集反应样品的实际温度来作为温度控制对象，避免了现有技术中间接测量反应样品温度带来的不利影响。

附图说明

图1为本发明实施例的一种实验室用的电加热载物台的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的电加热载物台装配体爆炸视图；

图3为本发明实施例的电加热载物台的内部水冷回路的剖视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-阳极上夹持片 2-阳极下夹持片 3-第一螺栓

4-第二螺栓 5-聚四氟乙烯电绝缘套筒 6-阳极接线柱

7-第一云母片 8-第三螺栓 9-螺母

10-垫片 11-阴极上夹持片 12-电阻丝网

13-第二云母片 14-水冷支撑板 15-阴极下夹持片

16-不锈钢弯管 17-O型橡胶圈 18-进水中空铜柱

19-出水中空铜柱

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明实施例的一种实验室用的小型水冷电加热载物台的整体结构示意图，图2为本发明实施例的水冷载物台装配体爆炸视图，由以上两图可知，本发明的水冷载物台主要包括：阳极上夹持片1，阳极下夹持片2，第一螺栓3，第二螺栓4，聚四氟乙烯电绝缘套筒5，阳极接线柱6，第一云母片7，第三螺栓8，螺母9，垫片10，阴极上夹持片11，电阻丝网12，第二云母片13，水冷支撑板14，阴极下夹持片15，不锈钢弯管16，O型橡胶圈17，进水中空铜柱18，出水中空铜柱19。

其中，阳极上夹持片1、阳极下夹持片2之间及阴极上夹持片11、阴极下夹持片15之间均用螺栓螺母配合连接。电阻丝网12两端分别由阳极上下夹持片1,2及阴极上下夹持片11,15夹持固定，具体的，第三螺栓8穿过阳极上夹持片1和阳极下夹持片2上设置的通孔后，再套上垫片10，最后以螺母9旋紧在端部，将阳极上夹持片1和阳极下夹持片2进行固定连接。阴极上夹持片11和阴极下夹持片15的固定方式稍有不同，将第三螺栓8旋入螺母9后，再套上垫片10，穿过阴极上夹持片11两端设置的通孔，然后穿过第二云母片13两端设置的通孔，最后与阴极下夹持片15上钻有的内螺纹孔进行螺纹配合连接固定，通过旋紧或松开螺母9，可固定压紧或松开阴极上夹持片11和阴极下夹持片15。

电阻丝网12两端分别插入阳极上下夹持片1,2及阴极上下夹持片11,15之间，通过旋紧螺母9实现被阳极上下夹持片1,2及阴极上下夹持片11,15固定夹持。

第二云母片13开有与水冷支撑板14同样大小的通孔，并且第二云母片13放置在电阻丝网12的正下方，使得电阻丝网12与水冷支撑板14之间既保持电绝缘，同时又保持热传导。

不锈钢弯管16与水冷支撑板14及阴极下夹持片15之间采用焊接方式固定为一个整体。具体的，水冷支撑板14成矩形块状，其中间开有一个圆形的通孔用于实验过程中载气吹扫，其一个侧面通过焊接方式和不锈钢弯管16固定，不锈钢弯管16呈“U“型状，不锈钢弯管16的一端通过焊接方式固定在水冷支撑板14底面，并其另一端同可通过焊接方式固定在阴极下夹持片15的底面。

阳极接线柱6与阳极下夹持片2通过第一螺栓3连接，具体的，第一螺栓3穿过阳极接线柱6上设置的通孔，与阳极下夹持片2中间开有的内螺纹孔进行配合固定。

阳极下夹持片2与水冷支撑板14通过第二螺栓4连接固定，且确保阳极下夹持片2与水冷支撑板14之间电绝缘，具体的，聚四氟乙烯电绝缘套筒5可以直接插入阳极下夹持片2两端的设置的通孔固定，第二螺栓4穿过聚四氟乙烯电绝缘套筒5，再穿过第一云母片7设置的通孔，最后与水冷支撑板14一面设置的内螺纹孔进行配合固定，保证了阳极下夹持片2与水冷支撑板14电绝缘。

进水中空铜柱18、出水中空铜柱19与水冷支撑板14之间采用螺纹配合固定。具体的，进水中空铜柱18及出水中空铜柱19的一端设置有外螺纹，穿过O型橡胶圈17后与水冷支撑板14一面设置的内螺纹孔进行螺纹连接固定，O型橡胶圈17起密封作用。

本发明中，为了减小整个载物台电路在供电情况下不必要的产热，阳极接线柱6、阳极上下夹持片1,2、阴极上下夹持片11,15、水冷支撑板14、进水中空铜柱18、出水中空铜柱19均采用导电性良好的铜材料制成。

本发明中，进水中空铜柱18、出水中空铜柱19均设置在水冷支撑板14上，水冷支撑板和阳极通过第一云母片进行了电绝缘，相当于，冷却水均处于阴极端。进水中空铜柱18和出水中空铜柱19分别起到通入冷却水和排出冷却水的作用，此外，相对于阳极接线柱6，进水中空铜柱18和出水中空铜柱19相当于是“阴极接线柱”。

在工程实践过程中，譬如，实验时将单层电阻丝网折叠为两层电阻丝网12，取8mg左右实验样品置于两层重合相叠的电阻丝网12之间，电阻丝网12的材料可以选用譬如325目金属网。实验样品平铺在两层电阻丝网12的中间圆形区域内，电阻丝网12两端被阳极上下夹持片1,2和阴极上下夹持片11,15夹持住，电阻丝网12与水冷支撑板14之间用1.5mm～2mm厚第二云母片13保持电绝缘，第二云母片13具有良好的耐高温性能及热传导性能，可以保证电阻丝网12非反应区域的良好散热。在金属丝网反应区布置譬如一对或者两对热电偶丝，热电偶丝与温度采集模块相连，以实时采集反应区域的温度，布置热电偶丝的方式选用譬如直接物理穿插，与反应样品及电阻丝网直接接触，由于反应样品颗粒直径为微米级，热惯性小，可以认为采集到的温度就是反应样品的实际温度。通过控制两端电极供电功率就可以控制实验样品在设定的温度下反应。

水冷支撑板14中间开有一个直径30mm的通孔，实验载气由通孔的下端直接吹扫过电阻丝网12的样品反应区，可以将实验过程中生成的挥发性产物迅速吹离反应区，可有效减小生成产物与反应样品间的交互反应。电阻丝网反应区的上方，对应水冷支撑板14通孔正上方的位置可以布置一个冷凝器，用来收集实验过程产生的焦油。流速较大的载气可以直接冷却电阻丝网反应区部分，控制载气的流量恒定不变，通过调整两端电极供电功率，以控制发热量，可以精确有效的调节反应温度。

图3为本发明的水冷载物台的内部水冷回路的剖视图。冷却水循环通路主要用来冷却电阻丝网12非反应区的温度，避免电阻丝网受热变形过于严重。由图3可知，在阴极下夹持片15和水冷支撑板14中具有用于冷却水流通的通道，该通道的具体布置为：在水冷支撑板14中有一条形状为“Ω”的环流通道(也称为水冷通道)，该水冷通道入口处设置有一个垂直的内螺纹孔，用来连接进水中空铜柱18，该通道出口处有一个垂直的光滑孔，与不锈钢弯管16焊接连接，在水冷支撑板14中还有一条直线型的水冷通道，其一端设置有一个垂直的光滑孔，与不锈钢弯管16焊接连接，另一端设置有一个垂直的内螺纹孔，用来连接出水中空铜柱19。

在阴极下夹持片15内部布置有一条直线型的水冷通道，其两端分别设置有一个垂直的光滑孔，与不锈钢弯管16焊接连接。将载物台的水冷通道布置为这种直线加环形的结构，增大了换热面积，强化水冷系统的换热效果，使得反应样品温度分布更均匀，并且在高温下可以运行更长时间。不锈钢弯管16、阴极下夹持片15、水冷支撑板14内部冷却水路直径约为3mm～4mm,可以根据热处理温度的高低选用不同的冷却水流量，满足降温需求。

本发明中，不锈钢弯管16为两个对称的U型管，起着连接水冷支撑板14和阴极下夹持片15桥梁的作用，其一端与水冷支撑板14设置的光滑孔焊接，另一端与阴极下夹持片15底部布置的光滑孔焊接，即固定着水冷支撑板14和阴极下夹持片15的位置，也是水冷支撑板14和阴极下夹持片15内部水流通道的连接通道。

载物台的内部水冷的工作工程为：冷却水由进水中空铜柱18进入水冷支撑板14中“Ω”形状的环流通道，最先流经水冷支撑板内部围绕样品反应区的环形区域，然后从水冷支撑板14中“Ω”形状的环流通道的出口流出，流入与环流通道出口焊接连接的不锈钢弯管16中，然后由该不锈钢弯管16与阴极下夹持片15焊接的接口处流入阴极下夹持片15内部布置的直线型的通道中，由该直线型通道的出口流入与该出口焊接连接的不锈钢弯管16中，然后由该不锈钢弯管16流入水冷支撑板14中直线型通道。最后流入与该通道出口螺纹连接的出水中空铜柱19中并流出。

载物台的电通路包括阳极接线柱，阳极上、下夹持片，电阻丝网，阴极上、下夹持片，不锈钢弯管，水冷支撑板，进水中空铜柱，出水中空铜柱。其中，该电通路包括阳极、阴极，阳极和阴极通电后，能对电阻丝网加热。阳极由阳极接线柱、阳极上夹持片以及阳极下夹持片连接而成，阴极有阴极上夹持片、阴极下夹持片、不锈钢弯管、水冷支撑板、进水中空铜柱、出水中空铜柱连接而成。

本发明中，不锈钢弯管具有弹性，可以保持电阻丝网一直处于拉伸的状态。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种实验室用的电加热载物台，用于夹持电阻丝网和对电阻丝网加热，其特征在于，其包括水冷支撑板(14)、阳极上夹持片(1)、阳极下夹持片(2)、阴极上夹持片(11)、阴极下夹持片(15)、进水中空铜柱(18)、出水中空铜柱(19)、第二云母片(13)，其中，

所述第二云母片(13)设置在所述水冷支撑板(14)上，用于使设置在该第二云母片(13)上的电阻丝网和所述水冷支撑板(14)电绝缘，

所述阳极下夹持片(2)和所述阴极下夹持片(15)分别设置在所述水冷支撑板(14)两个相对的侧面处，所述阳极上夹持片(1)和所述阴极上夹持片(11)分别压住所述电阻丝网两端并分别固定在所述阳极下夹持片(2)和所述阴极下夹持片(15)上，

所述水冷支撑板(14)上具有通孔，该通孔位于电阻丝网下方，所述水冷支撑板(14)内部还设置有水冷通道，所述进水中空铜柱(18)和所述出水中空铜柱(19)分别固定在所述水冷支撑板(14)上并连通所述水冷通道，

所述水冷支撑板(14)内部的水冷通道包括围绕所述通孔周围的一段，并且，该段水冷通道至少围绕所述通孔周长的一半。

2.如权利要求1所述的一种实验室用的电加热载物台，其特征在于，所述水冷支撑板(14)内部的水冷通道包括围绕所述通孔周围的一段，并且，该段水冷通道至少围绕所述通孔周长的五分之四。

3.如权利要求2所述的一种实验室用的电加热载物台，其特征在于，还包括第一云母片(7)，该第一云母片(7)设置在所述阳极下夹持片(2)和所述水冷支撑板(14)之间，起到电绝缘的作用。

4.如权利要求3所述的一种实验室用的电加热载物台，其特征在于，还包括阳极接线柱(6)，所述阳极接线柱(6)固定在所述阳极下夹持片(2)上，用于向阳极通电。

5.如权利要求4所述的一种实验室用的电加热载物台，其特征在于，所述阴极下夹持片(15)内也设置有水冷通道，位于阴极下夹持片(15)的水冷通道通过不锈钢弯管(16)连通所述水冷支撑板(14)内部的水冷通道。