CN109701473A - 星形-三角形式三相感应热反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了星形‑三角形式三相感应热反应器，属于化工、食品和环境技术领域。包括：三柱磁路、励磁线圈、至少一组磁耦合管、至少一组反应腔室。每组磁耦合管包括三个磁耦合管且呈现三相星形联结，每组反应腔室包括反应腔室且呈现三相三角形联结；进样口和出样口设置于磁耦合管组的联结交汇处或者每个反应腔室的中间位置；三柱磁路由导磁材料构成，励磁线圈缠绕于三柱磁路上；每组磁耦合管分别缠绕于三柱磁路的每根铁芯柱上。该星形‑三角形式三相感应热反应器具有三个进样口和一个出样口，或者三个出样口和一个进样口，实现液体物质在交变磁场中自身直接生热的前提下，具有更多的支路用于进样或出样，有助于样品的分时采集和在线监控。
Description
技术领域
本发明涉及一种星形-三角形式三相感应热反应器，属于化工、食品和环境技术领域。
背景技术
化工、食品和环境技术领域内通常需要对液态样品进行加热并完成化学反应或处理。磁热处理即通过交变磁场使高磁导率的物质产生涡流而生热；但是由于大多数液态样品的磁导率较低，接近于零，将其直接置于交变磁场中并不能产生感应电流，即涡流效应，也就无法实现交变磁场对液态样品的加热处理。
故此，通常利用交变磁场作为激励源来对液体进行加热需要通过高磁导率的铁基类材料，即将高磁导率的铁基类材料置于交变磁场中，使其先加热进而再热传导给需要加热的液体，比如电磁炉；此方法虽然是利用交变磁场实现了对于液体的加热，但是究其根本还是利用传统的热传导方式，未能实现磁导率接近于零的液体在交变磁场中自身直接生热的可能。
发明内容
本发明针对目前磁导率接近于零的液体在交变磁场中自身无法直接生热的难题，提供一种不同于传统思路而设计的一种星形-三角形式三相感应热反应器，包括：三柱磁路、励磁线圈、至少一组磁耦合管、至少一组反应腔室；每组磁耦合管包括三个磁耦合管且呈现三相星形联结，每组反应腔室包括反应腔室且呈现三相三角形联结；进样口和出样口设置于磁耦合管组的联结交汇处或者每个反应腔室的中间位置，保证各支路的连续流物料或反应介质在反应腔室的停留时间相等；三柱磁路由导磁材料构成，励磁线圈缠绕于三柱磁路上；每组磁耦合管分别缠绕于三柱磁路的每根铁芯柱上；一组磁耦合管与一组反应腔室相连接。
该星形-三角形式三相感应热反应器具有三个进样口和一个出样口，或者三个出样口和一个进样口，实现液体样品在交变磁场中自身直接生热的功能前提下，具有更多的支路用于进样或出样，有助于样品的分时采集和在线监控。
该星形-三角形式三相感应热反应器除了能实现对液态样品的高效传热和传质效果外，绿色且无污染。其核心参数为三柱磁路的导磁材料初始磁导率和能承载的总磁通量Φ，其中的总磁通量Φ等于三柱磁路中每个铁芯柱的磁通密度B和三柱磁路中每个铁芯柱的有效导磁面积S之积，即Φ＝BS。
励磁线圈和磁耦合管间的电压比例遵循法拉第电磁感应原理。
同时，反应腔室中的物料或反应介质阻抗Z可采用阻抗分析仪进行测试，以便根据欧姆定律推算其感应电流密度J，即I＝U/Z，J＝I/S，其中U—反应腔室两端的感应电压即有效电势差；I—反应腔室中的感应电流强度；S—反应腔室的截面积。
该星形-三角形式三相感应热反应器可进行模块化的串联，通过将多个该星形-三角形式三相感应热反应器串联起来以达到提高加工效率的目的。
本发明的第一个目的在于提供星形-三角形式三相感应热反应器，包括：三柱磁路、励磁线圈、至少一组磁耦合管、至少一组反应腔室；每组磁耦合管包括三个磁耦合管且呈现三相星形联结，每组反应腔室包括反应腔室且呈现三相三角形联结；进样口和出样口设置于磁耦合管组的联结交汇处或者每个反应腔室的中间位置，保证各支路的连续流物料或反应介质在反应腔室的停留时间相等；三柱磁路由导磁材料构成，励磁线圈缠绕于三柱磁路上；每组磁耦合管分别缠绕于三柱磁路的每根铁芯柱上；一组磁耦合管与一组反应腔室相连接。
在一种实施方式中，所述星形-三角形式三相感应热反应器具有三个进样口和一个出样口，或者三个出样口和一个进样口。
在一种实施方式中，电源对励磁线圈施加三相电压后，三柱磁路中每个铁芯柱承载的总磁通量范围为0-8Wb，三柱磁路材料的初始磁导率为900-80000。
在一种实施方式中，反应腔室和磁耦合管为反应介质流动的支撑物且具有电绝缘性，磁耦合管内径大于反应腔室内径。
在一种实施方式中，反应腔室截面积与磁耦合管的截面积之比为1:1.5～1:48。
在一种实施方式中，进样口设置于磁耦合管组的联结交汇处；出样口设置于每个反应腔室的中间位置；磁耦合管组和反应腔室组的连接呈现三相电路的星形-三角形结构，此时反应腔室两端的瞬时感应电压极性相反，反应腔室中的感应电流密度为1-120A/cm2，以导致其中的物料或反应介质迅速生热。
在一种实施方式中，物料或反应介质的电导率在0.1-40S/m范围。
在一种实施方式中，感应电流回路仅存在于磁耦合管和反应腔室之间，进样口和出样口无漏电，安全。
本发明的第二个目的在于提供一种加热装置，所述加热装置采用上述星形-三角形式三相感应热反应器，所述加热装置对电导率在0.1-40S/m范围内的物质进行加热。
在一种实施方式中，所述物质为可流动物质。
本发明的第三个目的在于提供上述星形-三角形式三相感应热反应器和/或上述加热装置在化工、食品和环境领域中的应用。
本发明有益效果
本发明提供的星形-三角形式三相感应热反应器克服了低磁导率的液态物质在交变磁场中自身无法直接生热的技术难题，基于电力系统的运行规律设计，采用三相三柱的铁芯磁路作为交变磁场通路。其中，三个磁耦合管呈现三相电路的星形联结，而三个反应腔室呈现为三相电路的三角形联结；使得反应腔室中的电导性物料或反应介质产生出更高的有效电势差，进而导致料液或反应介质的温升效率更高。且该星形-三角形式三相感应热反应器具有三个进样口和一个出样口，或者三个出样口和一个进样口，实现液体物质在交变磁场中自身直接生热的功能前提下，具有更多的支路用于进样或出样，有助于样品的分时采集和在线监控。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为星形-三角形式感应热反应器I的示意图；
图2为三相电路结构的星形-三角形连接形式示意图；
其中，星形-三角形式三相感应热反应器I；101-三柱磁路；102-励磁线圈；103-磁耦合管组(星形联结)；104-反应腔室组(三角形联结)；201-进样口；202-出样口。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本申请发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
实施例1
星形-三角形式三相感应热反应器I，如图1所示，包括三柱磁路101，励磁线圈102，磁耦合管组103，反应腔室组104；其中，磁耦合管组103包括三个磁耦合管且呈星形联结，反应腔室组104包括三个反应腔室且呈三角形联结；磁耦合管组103和反应腔室组104的连接呈现三相电路的星形-三角形结构；励磁线圈102缠绕于三柱磁路101的每个铁芯柱上，每个铁芯柱上的励磁线圈102的匝数均为6匝，采用三相电源对励磁线圈102施加500V的均值电压，则三柱磁路101中每个铁芯柱的磁通量为0.06Wb，本实施例中三柱磁路101的导磁材料以采用冷轧硅钢为例进行说明，其初始相对磁导率为1000，工作时的磁通密度为1.2T；
三柱磁路101中每个铁芯柱的有效导磁截面积均为0.05m2；
三个星形联结的磁耦合管构成磁耦合管组103并缠绕于三柱磁路101的每个铁芯柱上，每个磁耦合管的匝数为36匝；
三个反应腔室构成一个基于三角形联结的反应腔室组104，磁耦合管组103和反应腔室组104作为连续流动的反应介质的支撑物，进一步，磁耦合管组103与反应腔室组104呈现基于三相电路结构的星形-三角形连接形式，见图2；每个反应腔室的截面积为0.36cm2，每个磁耦合管的截面积为1cm2，当电导率为2.35S/m的反应介质(25℃，0.2％HCl和0.3％Na2CO3)泵送并流通反应腔室组104时，每个反应腔室两端的有效电势差为5142V，反应腔室组104的每个反应腔室长度为20cm，当反应介质充满每个反应腔室时则阻抗为2000Ω，感应电流为2.57A，感应电流密度为7.14A/cm2；
反应介质的进样口201位于磁耦合管组103的星形联结交汇处，而反应介质的出样口202位于每个反应腔室的正中间位置。当进样流量为3ml/min时，各支路反应介质流过每个反应腔室的保留时间均为3.6min，通过红外热像仪测试，室温25℃的反应介质在连续通过三相感应热反应器Ⅰ后，流出的反应介质温度上升为79.1℃。
实施例2
星形-三角形式三相感应热反应器I，如图1所示，包括三柱磁路101，励磁线圈102，磁耦合管组103，反应腔室组104；其中，磁耦合管组103所包括的三个磁耦合管呈星形联结，反应腔室组104所包括的三个反应腔室呈三角形联结；磁耦合管组和反应腔室组的连接呈现三相电路的星形-三角形结构；
励磁线圈102缠绕于三柱磁路101的每个铁芯柱上，本发明实施例中每个铁芯柱上的励磁线圈102的匝数均为12匝，采用三相电源对励磁线圈102施加2000V的均值电压，则三柱磁路101中每个铁芯柱的磁通量为0.12Wb，本发明实施例中，三柱磁路101的导磁材料以采用钴基非晶为例进行说明，其初始相对磁导率为35000，工作时的磁通密度为0.8T，三柱磁路101中每个铁芯柱的有效导磁截面积均为0.15m2；三个星形联结的磁耦合管构成磁耦合管组103并缠绕于三柱磁路101的每个铁芯柱上，每个磁耦合管的匝数为48匝；三个反应腔室构成一个基于三角形联结的反应腔室组104，磁耦合管组103和反应腔室组104作为连续流动的反应介质的支撑物，进一步，磁耦合管组103与反应腔室组104呈现基于三相电路结构的星形-三角形连接形式，见图2；每个反应腔室的截面积为0.16cm2，每个磁耦合管的截面积为2.3cm2，当电导率为3.47S/m的反应介质(25℃，0.6％NaOH和0.2％KCl)泵送并流通反应腔室组104时，每个反应腔室两端的有效电势差为13736V，反应腔室104的每个反应腔室长度为10cm，当反应介质充满每个反应腔室时则阻抗为1600Ω，感应电流为8.58A，感应电流密度为53.65A/cm2；反应介质的进样口201位于磁耦合管组103的星形联结交汇处，而反应介质的出样口202位于每个反应腔室的正中间位置。当进样流量为2.4ml/min时，各支路反应介质流过每个反应腔室的保留时间均为1min，通过红外热像仪测试，室温25℃的反应介质在连续通过三相感应热反应器Ⅰ后，流出的反应介质温度上升为93.2℃。
需要进行说明的是，三柱磁路的导磁材料还可以采用铁基非晶、铁镍基非晶、铁基纳米晶、坡莫合晶、铁氧体中的任意一种，本发明对此不做限定。
本发明提供的星形-三角形式三相感应热反应器，克服了低磁导率在交变磁场中自身无法直接生热的技术难题，基于电力系统的运行规律而设计，采用三相三柱的铁芯磁路作为交变磁场通路。其中，三个磁耦合管呈现三相电路的星形联结，而三个反应腔室呈现为三相电路的三角形联结；使得反应腔室中的电导性物料或反应介质会产生出更高的有效电势差，该有效电势差来源于三相电路的线电压，其值为正常相电压的倍，进而导致料液或反应介质的温升效率更高。且该星形-三角形式三相感应热反应器具有三个进样口和一个出样口，或者三个出样口和一个进样口，实现液体物质在交变磁场中自身直接生热的前提下，具有更多的支路用于进样或出样，有助于样品的分时采集和在线监控。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (10)
1.星形-三角形式三相感应热反应器，其特征在于，包括：三柱磁路、励磁线圈、至少一组磁耦合管、至少一组反应腔室；每组磁耦合管包括三个磁耦合管且呈现三相星形联结，每组反应腔室包括反应腔室且呈现三相三角形联结；进样口和出样口设置于磁耦合管组的联结交汇处或者每个反应腔室的中间位置，保证各支路的连续流物料或反应介质在反应腔室的停留时间相等；三柱磁路由导磁材料构成，励磁线圈缠绕于三柱磁路上；每组磁耦合管分别缠绕于三柱磁路的每根铁芯柱上；一组磁耦合管与一组反应腔室相连接。
2.根据权利要求1所述的星形-三角形式三相感应热反应器，其特征在于，电源对励磁线圈施加三相电压后，三柱磁路中每个铁芯柱承载的总磁通量范围为0-8Wb，三柱磁路材料的初始磁导率为900-80000。
3.根据权利要求1所述的星形-三角形式三相感应热反应器，其特征在于，所述星形-三角形式三相感应热反应器具有三个进样口和一个出样口，或者三个出样口和一个进样口。
4.根据权利要求1所述的星形-三角形式三相感应热反应器，其特征在于，反应腔室截面积与磁耦合管的截面积之比为1:1.5～1:48。
5.根据权利要求1所述的星形-三角形式三相感应热反应器，其特征在于，进样口设置于磁耦合管组的联结交汇处；出样口设置于每个反应腔室的中间位置；磁耦合管组和反应腔室组的连接呈现三相电路的星形-三角形结构。
6.根据权利要求1所述的星形-三角形式三相感应热反应器，其特征在于，反应腔室两端的瞬时感应电压极性相反，反应腔室中的感应电流密度为1-120A/cm2。
7.根据权利要求1所述的星形-三角形式三相感应热反应器，其特征在于，感应电流回路仅存在于磁耦合管和反应腔室之间，进样口和出样口无漏电，用于开放式的连续流处理。
8.一种加热装置，其特征在于，所述加热装置采用权利要求1-7任一所述的星形-三角形式三相感应热反应器，所述加热装置对电导率在0.1-40S/m范围内的物质进行加热。
9.根据权利要求8所述的加热装置，其特征在于，所述物质为可流动物质。
10.权利要求1-7任一所述的星形-三角形式三相感应热反应器和/或权利要求8-9任一所述的加热装置在化工、食品和环境领域中的应用。
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