CN105953445B - 微型高温熔融盐电加热系统 - Google Patents

Abstract

微型高温熔融盐电加热系统，涉及工程热物理领域。本发明为了满足熔融盐物性参数的测量需求。加热炉壳内的底部固定有隔热板，隔热板上设有莫来石炉膛，莫来石炉膛的顶端开口，莫来石炉膛的外壁与加热炉壳的内壁之间充满高铝纤维棉，莫来石炉膛内的侧壁和底部覆盖有刚玉衬，莫来石炉膛的底部内和侧壁内嵌固有高温电阻加热丝，电阻加热丝紧贴刚玉衬，石英皿固定在莫来石炉膛内，铂金坩埚置于石英皿内，石英皿的上方设有莫来石隔热板，莫来石隔热板的中央开口；热电偶的探测端连接石英皿，热电偶的温度输出端连接温控仪的输入端，温控仪用于控制高温电阻加热丝的温度。本发明可以将熔融盐加热到比较高的温度，控温精度高，适用于加热熔融盐。

Description

微型高温熔融盐电加热系统

技术领域

本发明涉及工程热物理领域，具体涉及用于测量熔融盐物性参数的熔融盐电加热技术。

背景技术

能源是人类生存和社会发展的物质基础，随着物质生活和精神生活不断提高，人们同时也越来越感受到大规模使用化石能源所带来的严重后果。能源的日益枯竭以及化石能源的使用所带来的一系列环境问题。太阳能作为一种新型能源，是一种绿色的可再生能源，以其取之不尽、用之不竭的特点既能满足社会可持续发展的需要，又能解决人类面临的能源短缺问题，还能达到环境保护的目的，因此，人们越来越重视太阳能资源的发展和使用。

太阳能热发电的基本原理是利用聚光装置将能量热流密度低的太阳能转化为能量密度高的能量。利用传热介质吸热，并在换热器内与水进行换热，最后进入传统的发电系统产生电能。传热介质在整个太阳能热发电系统中起到吸热、载热、换热多个作用，影响着整个系统正常高效率地运行。

太阳能高温蓄热技术是太阳能热发电的关键技术。由于太阳辐射强度时刻在变化，太阳能热发电系统在早晚或云遮间隙必须依靠储存的能量维持系统正常运行，为了保证发电相对稳定，必须采取蓄热措施。按照热能存储方式不同，太阳能高温蓄热技术可分为潜热蓄热、化学反应蓄热和显热蓄热三种方式。其中潜热蓄热只是材料自身发生温度变化，过程中材料吸收和放出热量；潜热蓄热即相变蓄热，材料在相变过程中吸收和放出热量；化学反应热是材料之间相互接触，材料接触时发生不可逆的化学反应，在反应过程中存储热量。熔融盐蓄热属于潜热蓄热。

高温熔融盐是盐的熔融态液体。熔融盐在液态下有很多优异的性质；

(1)熔融盐具有高的传热系数和高的热稳定性。熔融盐热载体的热稳定性能好，其传热系数是其他有机热载体的两倍。

(2)具有广泛的使用温度范围。通常的熔融盐使用温度在300℃～1000℃之间，而且通过不同熔点和沸点的无机盐的混合，可以得到不同温度要求的复合盐。

(3)熔融盐与金属材料的相容性也比较好。

由于以上的这些特性，高温熔融盐广泛用于太阳能热电站中的传热介质。目前国际上已经有多座采用熔融盐作为传蓄热介质的太阳能电站，积累了大量熔融盐在传蓄热应用的经验和实验数据。可见熔融盐已经成为传热系统中一种极佳的介质，然而熔融盐的热物性数据却非常缺乏，即使是最比较常用的传蓄热熔盐的物性参数都难以找到全面而准确的数据用于传热系统热工及物理计算。熔融盐的热物性参数大都可通过实验直接测得。自20世纪40年代开始的ANP项目，ORNL测定了大量的熔融盐体系的热物性，留下了大量的研究数据，但由于当时实验条件的限制，很多数据可靠性较低。随着实验手段的升级，大量新的测量技术的涌现，需要对这些物性参数重新予以评估并进行测定。特别的，熔融盐的光谱吸收系数的数据比较缺乏。

发明内容

本发明的目的是为了满足熔融盐物性参数的测量需求，从而提供微型高温熔融盐电加热系统。

本发明所述的微型高温熔融盐电加热系统，包括加热炉壳、隔热板、高铝纤维棉、莫来石炉膛、热电偶、高温电阻加热丝、刚玉衬、莫来石隔热板、石英皿、铂金坩埚和温控仪；

加热炉壳内的底部固定有隔热板，隔热板上设有莫来石炉膛，莫来石炉膛的顶端开口，莫来石炉膛的外壁与加热炉壳的内壁之间充满高铝纤维棉，莫来石炉膛内的侧壁和底部覆盖有刚玉衬，莫来石炉膛的底部内和侧壁内嵌固有高温电阻加热丝，电阻加热丝紧贴刚玉衬，石英皿固定在莫来石炉膛内，铂金坩埚置于石英皿内，石英皿的上方设有莫来石隔热板，莫来石隔热板的中央开口；

热电偶的探测端连接石英皿，热电偶的温度输出端连接温控仪的输入端，温控仪用于控制高温电阻加热丝的温度。

本发明的有益效果为：

1、一般的加热炉实现的温度范围比较窄，温度也比较低，本发明的熔融盐测试的温度范围达300℃～1000℃，可以将熔融盐加热到比较高的温度，可以测试较高温度条件下的熔融盐的辐射特性。

2、本方案中采用温控仪控制温度，可以比较精确的控制莫来石炉膛的温度，精度小于±1℃。

3、熔融盐具有很高的腐蚀性，特别是高温条件的熔融盐，一般的加热坩埚会被熔盐辐射，受到腐蚀后的坩埚熔盐会分布不均，会对测量结果产生很大的影响。本发明中采用了耐腐蚀性能比较高的铂金坩埚，不仅可以耐腐蚀而且可以经受高温条件。

4、炉膛周围采用耐火材料莫来石，形成与周围环境的隔热层，以免使周围环境的温度过高，而且可以使得炉腔的温度也比较稳定。

5、本发明的装置小巧，熔融盐盛放在具有高强度耐腐蚀性的铂金坩埚中，傅里叶光谱仪通过莫来石隔热板中央的开口收集由熔融盐发射的光谱能量，本发明可以实现通过傅里叶光谱仪测定给定温度条件下的高温熔融盐在某一波段范围内的辐射能量，以进行后续的对熔融盐光谱吸收系数等物性参数的计算。

本发明适用于加热熔融盐。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的微型高温熔融盐电加热系统的结构示意图；

图2是具体实施方式一所述的微型高温熔融盐电加热系统的俯视图，A为进水口，B为出水口。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的微型高温熔融盐电加热系统，包括加热炉壳1、隔热板2、高铝纤维棉3、莫来石炉膛4、热电偶5、高温电阻加热丝6、刚玉衬7、莫来石隔热板8、石英皿9、铂金坩埚10和温控仪；

加热炉壳1内的底部固定有隔热板2，隔热板2上设有莫来石炉膛4，莫来石炉膛4的顶端开口，莫来石炉膛4的外壁与加热炉壳1的内壁之间充满高铝纤维棉3，莫来石炉膛4内的侧壁和底部覆盖有刚玉衬7，莫来石炉膛4的底部内和侧壁内嵌固有高温电阻加热丝6，电阻加热丝6紧贴刚玉衬7，石英皿9固定在莫来石炉膛4内，铂金坩埚10置于石英皿9内，石英皿9的上方设有莫来石隔热板8，莫来石隔热板8的中央开口；

热电偶5的探测端连接石英皿9，热电偶5的温度输出端连接温控仪的输入端，温控仪用于控制高温电阻加热丝6的温度。

这些结构主要分为四大系统，分别是加热系统、温控系统、炉壳以及一些特殊部件。

加热炉壳1整体呈圆柱状，炉壳由冷轧钢板加工而成，莫来石炉膛4外包覆高铝纤维棉3，高铝纤维棉具有如下优点：(1)低热容量、低热导率，(2)优良的热稳定性，(3)优良的抗拉强度，(4)优良的化学稳定性等。炉膛由耐火材料莫来石制成，莫来石是一种耐火材料，具有耐高温、强度高、导热系数小、节能效果显著等特点，适用于石油裂介炉、冶金热风炉、陶瓷辊道窑、隧道窑、电瓷抽屉窑、玻璃坩埚窑及各种电炉的内衬，可直接接触火焰。炉腔内部就是熔盐加热区，加热元件采用高温电阻加热丝6，高温电阻加热丝6沿炉腔内壁和底部分布，高温电阻加热丝6不是直接将辐射照射给熔融盐，而是要经过刚玉衬7的阻挡，刚玉衬用于阻挡高温电阻加热丝6被加热时产生的污染物。熔融盐通过高温电阻加热丝加热，加热丝将熔融盐提高到某一指定的温度。熔融盐盛放在铂金坩埚10，铂金坩埚10放置在石英皿9中，这样可以让坩埚和炉膛分离，以保证样品的洁净度，因为熔融盐具有高强度的腐蚀性，因此采用耐腐蚀性能比较好的石英皿。熔融盐的温度通热电偶5测得，热电偶5连接温控仪，温控仪用于调节被加热熔融盐的温度，温度的精度控制在±1℃。熔融盐上方除了莫来石隔热板8的中央开口外均采用莫来石隔热板以减少高温熔融盐向外辐射能量，傅里叶光谱仪通过莫来石隔热板8的中央开口收集由熔融盐发射的光谱能量。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的微型高温熔融盐电加热系统作进一步说明，本实施方式中，它还包括多个调平螺栓11，加热炉壳1的底部均匀分布有多个调平螺栓11。

铂金坩埚必须要保持水平，以保证熔融盐的均匀分布，本实施方式中采用了调平螺栓11实现对角度的微小调整，使铂金坩埚保持水平。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的微型高温熔融盐电加热系统作进一步说明，本实施方式中，它还包括水冷顶盖12，水冷顶盖12盖合在加热炉壳1的上部，水冷顶盖12的中央开有小孔，该小孔与莫来石隔热板8的开口相通。

在莫来石隔热板8的上面装有厚30mm的不锈钢环形水冷顶盖12，水冷顶盖的主要作用是进一步减少熔盐向外的热辐射，防止周围环境温度过高，与水冷顶盖相通的循环水箱的工作容积为40L，并配有高效循环水泵。

水冷顶盖12下方出光口周围区域设有一层耐热保温材料莫来石(非挥发无毒性)即莫来石隔热板，在水冷顶盖与加热样品之间形成隔离层，减少样品向外散热，减小温度波动，屏蔽炉内杂光。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的微型高温熔融盐电加热系统作进一步说明，本实施方式中，它还包括抽气排气装置，抽气排气装置包括抽气风机13和排气管路14；

排气管路14与莫来石隔热板8的开口相通，抽气风机13抽取排气管路14内的气体。

熔融盐在加热过程中会产生一定量的杂质气体，如果杂质气体不及时排出、积累过多便会直接影响辐射传输，影响到傅里叶光谱仪对熔融盐辐射能量的采集。因此水冷顶盖12的上方设有抽气排气装置，抽气风机13为2个4cm轴流风机，并配置排气罩，排气罩可连接排气管路，抽气排气装置抽出莫来石炉膛4中的废气，减少熔融盐加热过程中产生的废气对测量的结果的影响。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一或四所述的微型高温熔融盐电加热系统作进一步说明，本实施方式中，所述温控仪采用PID温控仪实现。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一或四所述的微型高温熔融盐电加热系统作进一步说明，本实施方式中，它还包括温度报警装置，热电偶5的温度输出端连接温度报警装置，温度报警装置控制电源的通断。

当炉腔内部温度过高时会发出报警信号并会自动断电保护。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一或四所述的微型高温熔融盐电加热系统作进一步说明，本实施方式中，隔热板2采用纤维板实现。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式六所述的微型高温熔融盐电加热系统作进一步说明，本实施方式中，熔融盐电加热系统整体呈井式结构，顶部开口，莫来石炉膛4为圆柱形，莫来石炉膛4的内径为100mm，深度为100mm，高温电阻加热丝6采用0Cr21Al6Nb型高温电阻丝，高温电阻加热丝6沿莫来石炉膛4内的侧壁和炉膛底部分布，工作电源的电压为220V，频率为50Hz，额定功率为2.5KW，被加热样品的工作温度范围为室温至1000℃，样品的升温速率≤30℃/min。为了减少加热样品向外散热，减小的温度波动，炉膛周围采用耐火保温材料莫来石晶体制成。测温方式采用S分度(铂铑-铂)热电偶测量，热电偶连接接可编程PID温控仪，控温精度为±1℃，通过温控仪调控炉膛内温度，炉膛内超温时系统便会自动报警并且断电保护。水冷顶盖12上方出光口位置设置有气帘，有微量室温空气流过即可，起到吹扫挥发气体的作用，且不能有振动。

Claims (7)

1.微型高温熔融盐电加热系统，其特征在于，包括加热炉壳(1)、隔热板(2)、高铝纤维棉(3)、莫来石炉膛(4)、热电偶(5)、高温电阻加热丝(6)、刚玉衬(7)、莫来石隔热板(8)、石英皿(9)、铂金坩埚(10)和温控仪；

加热炉壳(1)内的底部固定有隔热板(2)，隔热板(2)上设有莫来石炉膛(4)，莫来石炉膛(4)的顶端开口，莫来石炉膛(4)的外壁与加热炉壳(1)的内壁之间充满高铝纤维棉(3)，莫来石炉膛(4)内的侧壁和底部覆盖有刚玉衬(7)，莫来石炉膛(4)的底部内和侧壁内嵌固有高温电阻加热丝(6)，高温电阻加热丝(6)紧贴刚玉衬(7)，石英皿(9)固定在莫来石炉膛(4)内，铂金坩埚(10)置于石英皿(9)内，石英皿(9)的上方设有莫来石隔热板(8)，莫来石隔热板(8)的中央开口；

热电偶(5)的探测端连接石英皿(9)，热电偶(5)的温度输出端连接温控仪的输入端，温控仪用于控制高温电阻加热丝(6)的温度。

2.根据权利要求1所述的微型高温熔融盐电加热系统，其特征在于，它还包括多个调平螺栓(11)，加热炉壳(1)的底部均匀分布有多个调平螺栓(11)。

3.根据权利要求1或2所述的微型高温熔融盐电加热系统，其特征在于，它还包括水冷顶盖(12)，水冷顶盖(12)盖合在加热炉壳(1)的上部，水冷顶盖(12)的中央开有小孔，该小孔与莫来石隔热板(8)的开口相通。

4.根据权利要求3所述的微型高温熔融盐电加热系统，其特征在于，它还包括抽气排气装置，抽气排气装置包括抽气风机(13)和排气管路(14)；

排气管路(14)与莫来石隔热板(8)的开口相通，抽气风机(13)抽取排气管路(14)内的气体。

5.根据权利要求1或4所述的微型高温熔融盐电加热系统，其特征在于，所述温控仪采用PID温控仪实现。

6.根据权利要求1或4所述的微型高温熔融盐电加热系统，其特征在于，它还包括温度报警装置，热电偶(5)的温度输出端连接温度报警装置，温度报警装置控制电源的通断。

7.根据权利要求1或4所述的微型高温熔融盐电加热系统，其特征在于，隔热板(2)采用纤维板实现。