CN113490294B - 一种直接电热法加热装置的加热通道及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接电热法加热装置的加热通道及其设计方法，由第一电极板、第二电极板和耐高温绝缘板组成；第一电极板和第二电极板的两侧均通过一块耐高温绝缘板固定连接；第一电极板和第二电极板的两侧宽度均由输入端至输出端逐渐减小，或均由输入端至输出端逐渐增大。本发明根据物料在加热过程中的温度变化以及对应的电阻率变化情况，设置宽度相应变化的电极板，让物料与电极板的接触面积逐渐变化，从而使物料在加热过程中电阻保持不变，避免出现物料局部短路、断路的现象，能维持较高的加热功率，让加热过程稳定、持续，提高了直接电热法加热的适用范围。

Description

一种直接电热法加热装置的加热通道及其设计方法

技术领域

本发明属于直接电热法加热装置技术领域，具体涉及一种直接电热法加热装置的加热通道及其设计方法。

背景技术

工业生产中常需要对一些物料加热，而利用电流通过电阻体的热效应，对物料进行电加热是最简单、应用最广泛的基于电力的加热方法。常规技术是利用电流通过专门电热元件产生热量，再将热量传导给物料，这种方式可被称之为间接电热法。相比于有热量传导过程的间接电热法，直接电热法则具有更小的能耗浪费和更高的加热效率。直接电热法是指使电流通过被加热物料本身，利用被加热物料本身的电阻发热来实现自发升温，这与由外向内传热的升温不同。直接电热法需要将被加热物料两端直接接到电路中，适用于具有一定导电能力的物料。

在现有技术中，直接电热法也存在一些缺陷，主要的问题在于被加热物料的电阻会随着温度的变化而变化。电阻对温度的敏感程度用电阻温度系数来衡量，其具体是指改变单位温度时电阻值的变化大小。一些金属物料的电阻随着温度升高而升高，其电阻温度系数为正，一些半导体物料、活性炭颗粒等的电阻随着温度升高而下降，其电阻温度系数为负。当加热的升温幅度较大或电阻温度系数绝对值较大时，加热过程中物料电阻会急剧变大或变小，导致出现物料局部短路、断路，无法均匀加热，供电控制也不易做出对应调节，甚至会因为供电电源的额定功率、额定电压、额定电流的限制而使实际加热功率显著变小，导致无法加热。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种直接电热法加热装置的加热通道及其设计方法，该加热通道使加热物料更高效和稳定，该设计方法根据物料在加热过程中的温度变化和相应的电阻率变化情况，设置宽度相应变化的电极板，让物料与电极板的接触面积逐渐变化，从而使物料在加热过程中电阻保持不变。

本发明一种直接电热法加热装置的加热通道，由第一电极板、第二电极板和耐高温绝缘板组成；第一电极板与第二电极板平行且间距设置；第一电极板和第二电极板的一侧通过一块耐高温绝缘板固定连接，另一侧通过另一块耐高温绝缘板固定连接；第一电极板连接电源正极，第二电极板连接电源负极；所述第一电极板和第二电极板的宽度按照如下方案中的一种设计：

方案一：

第一电极板和第二电极板由输入端至输出端各位置处的宽度w变化趋势一致，均遵循如下公式：

第一电极板和第二电极板的两侧宽度均由输入端至输出端逐渐减小；其中α为物料的一次电阻温度系数，β为物料的二次电阻温度系数，w₀为第一电极板或第二电极板输入端端面处的宽度，t₀为物料的初始温度，t为物料在第一电极板输入端至输出端的各位置处预设达到的温度。

方案二：

第一电极板和第二电极板由输入端至输出端各位置处的宽度w变化趋势一致，均遵循如下公式：

优选地，t根据公式

求得，其中l为温度t所在位置到第一电极板输入端端面的距离，L为第一电极板或第二电极板的长度，t_m为物料的目标加热温度。

一种直接电热法加热装置的加热通道设计方法，具体如下：

根据不同的被加热物料，将第一电极板和第二电极板均做成由输入端至输出端各位置处的宽度w按照如下公式变化：

其中，w₀为第一电极板或第二电极板输入端端面处的宽度，α为被加热物料的一次电阻温度系数，β为被加热物料的二次电阻温度系数，t₀为物料的初始温度，t为被加热物料在第一电极板输入端至输出端的各位置处预设达到的温度；t根据公式/>

求得，其中，l为温度t所在位置到第一电极板输入端端面的距离，L为第一电极板或第二电极板的长度，t_m为物料的目标加热温度；然后，将第一电极板和第二电极板的一侧通过一块耐高温绝缘板固定连接，另一侧通过另一块耐高温绝缘板固定连接，使得第一电极板和第二电极板间距设置形成加热通道；最后，将第一电极板连接电源正极，第二电极板连接电源负极。

优选地，对于半导体性质的物料，二次电阻温度系数β≠0，电阻率随温度的升高逐渐降低，并具有二次函数关系，将第一电极板和第二电极板的两侧宽度均做成由输入端至输出端逐渐减小。对于金属物料，电阻率随温度的升高而升高，并具有一次线性关系，宽度w满足如下公式：

将第一电极板和第二电极板的两侧宽度均做成由输入端至输出端逐渐增大。

本发明具有的有益效果是：

本发明根据物料在加热过程中的温度变化以及对应的电阻率变化情况，设置宽度相应变化的电极板，让物料与电极板的接触面积逐渐变化，从而使物料在加热过程中电阻保持不变，避免出现物料局部短路、断路的现象，能维持较高的加热功率，让加热过程稳定、持续。对于一些需要有较大加热升温幅度或者一些电阻温度系数绝对值较大的物料，常规直接电热法加热技术并不适用，但本发明却能很好适用。本发明提高了直接电热法加热的适用范围。

附图说明

图1是直接电热法装置的常规加热通道示意图；

图2是直接电热法装置的常规加热通道剖面图；

图3是直接电热法装置的常规加热通道中第一电极板或第二电极板的结构示意图；

图4是本发明实施例1加热通道中的第一电极板或第二电极板结构示意图；

图5是本发明实施例1的加热通道结构示意图；

图6是本发明实施例2加热通道中的第一电极板或第二电极板结构示意图；

图7是本发明实施例2的加热通道结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

直接电热法加热装置的常规加热通道如图1所示，其剖面图如图2所示，其由平行且间距为d的第一电极板1和第二电极板2以及封闭第一电极板1和第二电极板2的耐高温绝缘板3组成，第一电极板连接电源正极，第二电极板连接电源负极；第一电极板1和第二电极板2的长度均为L，t₀为物料进入加热通道时的初始温度，t_m为物料从加热通道流出的温度。第一电极板1和第二电极板2均呈矩形，如图3所示。

本发明加热通道采用如下实施例1或实施例2实现。

实施例1

一种直接电热法加热装置的加热通道，由第一电极板1、第二电极板2和耐高温绝缘板3组成；第一电极板1与第二电极板2平行且间距设置；第一电极板1和第二电极板2的一侧通过一块耐高温绝缘板3固定连接，另一侧通过另一块耐高温绝缘板3固定连接；第一电极板连接电源正极，第二电极板连接电源负极；第一电极板和第二电极板由输入端至输出端各位置处的宽度w变化趋势一致，均遵循如下公式：

其中α为物料的一次电阻温度系数，β为物料的二次电阻温度系数，w₀为第一电极板或第二电极板输入端端面处的宽度，t₀为物料的初始温度，t为物料在第一电极板输入端至输出端的各位置处预设达到的温度，t根据公式/>

求得，其中l为温度t所在位置到第一电极板输入端端面的距离，L为第一电极板或第二电极板的长度，t_m为物料在第一电极板输出端端面位置处的温度，即物料的目标加热温度。采用本实施例的第一电极板或第二电极板形状如图4所示，两侧宽度由输入端至输出端逐渐减小，且第一电极板以及第二电极板的两侧面均为光滑过渡且对称的两个曲面；本实施例加热通道如图5所示。

本实施例适用于加热半导体性质的物料，该物料的电阻率随温度的升高逐渐降低，并具有二次函数关系，其电阻率表示为ρ＝ρ₀(1+αt+βt²)，其中ρ₀为被加热物料的在0℃时的电阻率。

采用常规加热通道时，物料持续从加热通道输入口流入，导通第一电极板和第二电极板并导电发热，加热通道输出口的物料温度最高，相应电阻率最低，因此加热通道输出口的物料具有更低的电阻，导致加热通道形成局部短路；电流集中流经加热通道输出口处的物料，导致加热通道前半部分的物料不能加热而输出口处物料温度进一步升高，电阻急剧下降，加热功率随之大幅下降，使加热过程无法维持稳定。而本实施例中，虽然物料在加热过程中温度逐渐增高，电阻率逐渐降低，但是由于第一电极板和第二电极板呈现出由输入端至输出端宽度逐渐减小的规律，即物料与第一电极板以及第二电极板的接触面积逐渐减小，因此可实现物料在加热通道的各位置电阻维持不变，从而使物料均匀导通电流并均匀产热升温，维持加热过程的连续和稳定。

实施例2

与实施例1的区别在于，第一电极板和第二电极板由输入端至输出端各位置处的宽度w变化趋势一致，均遵循如下公式：

采用本实施例的第一电极板或第二电极板形状如图6所示，两侧宽度由输入端至输出端逐渐增大，且第一电极板以及第二电极板的两侧面均为倾斜且对称的两个平面；本实施例加热通道如图7所示。

本实施例适用于加热金属物料，该物料的电阻率随温度的升高而升高，并具有较好的一次线性关系，电阻率表示为ρ＝ρ₀(1+αt)。本实施例中，虽然物料在加热过程中温度逐渐增高，电阻率逐渐升高，但是由于第一电极板和第二电极板呈现出由输入端至输出端宽度逐渐增大的规律，即物料与第一电极板以及第二电极板的接触面积逐渐增大，因此可实现物料在加热通道的各位置电阻维持不变，从而使物料均匀导通电流并均匀产热升温，维持加热过程的连续和稳定。

实施例3

一种直接电热法加热装置的加热通道设计方法，具体如下：

根据不同的被加热物料，将第一电极板和第二电极板均做成由输入端至输出端各位置处的宽度w按照如下公式变化：

其中，w₀为第一电极板或第二电极板输入端端面处的宽度，α为被加热物料的一次电阻温度系数，β为被加热物料的二次电阻温度系数，t₀为物料的初始温度，t为被加热物料在第一电极板输入端至输出端的各位置处预设达到的温度；t根据公式/>

求得，其中，l为温度t所在位置到第一电极板输入端端面的距离，L为第一电极板或第二电极板的长度，t_m为物料的目标加热温度；然后，将第一电极板1和第二电极板2的一侧通过一块耐高温绝缘板3固定连接，另一侧通过另一块耐高温绝缘板3固定连接，使得第一电极板和第二电极板间距设置形成加热通道；最后，将第一电极板连接电源正极，第二电极板连接电源负极。

不同被加热物料的一次电阻温度系数和二次电阻温度系数可根据资料查取，也可通过实验测得。对于半导体性质的物料，二次电阻温度系数β≠0，电阻率随温度的升高逐渐降低，并具有二次函数关系，其电阻率表示为ρ＝ρ₀(1+αt+βt²)，其中ρ₀为被加热物料的在0℃时的电阻率；第一电极板和第二电极板的两侧宽度均由输入端至输出端逐渐减小，且第一电极板以及第二电极板的两侧面均为光滑过渡且对称的两个曲面。对于金属物料，电阻率随温度的升高而升高，并具有较好的一次线性关系，电阻率表示为ρ＝ρ₀(1+αt)，即二次电阻温度系数β＝0，此时，宽度w满足如下公式：

第一电极板和第二电极板的两侧宽度均由输入端至输出端逐渐增大，且第一电极板以及第二电极板的两侧面均为倾斜且对称的两个平面。/>

Claims (4)

1.一种直接电热法加热装置的加热通道，由第一电极板、第二电极板和耐高温绝缘板组成；第一电极板与第二电极板平行且间距设置；第一电极板和第二电极板的一侧通过一块耐高温绝缘板固定连接，另一侧通过另一块耐高温绝缘板固定连接；第一电极板连接电源正极，第二电极板连接电源负极；其特征在于：所述第一电极板和第二电极板的宽度按照如下方案中的一种设计：

方案一：

第一电极板和第二电极板由输入端至输出端各位置处的宽度w变化趋势一致，均遵循如下公式：

第一电极板和第二电极板的两侧宽度均由输入端至输出端逐渐减小；其中α为物料的一次电阻温度系数，β为物料的二次电阻温度系数，w₀为第一电极板或第二电极板输入端端面处的宽度，t₀为物料的初始温度，t为物料在第一电极板输入端至输出端的各位置处预设达到的温度；

方案二：

第一电极板和第二电极板由输入端至输出端各位置处的宽度w变化趋势一致，均遵循如下公式：

2.根据权利要求1所述一种直接电热法加热装置的加热通道，其特征在于：t根据公式

求得，其中l为温度t所在位置到第一电极板输入端端面的距离，L为第一电极板或第二电极板的长度，t_m为物料的目标加热温度。

3.一种直接电热法加热装置的加热通道设计方法，其特征在于：该方法具体如下：

根据不同的被加热物料，将第一电极板和第二电极板均做成由输入端至输出端各位置处的宽度w按照如下公式变化：

其中，w₀为第一电极板或第二电极板输入端端面处的宽度，α为被加热物料的一次电阻温度系数，β为被加热物料的二次电阻温度系数，t₀为物料的初始温度，t为被加热物料在第一电极板输入端至输出端的各位置处预设达到的温度；t根据公式/>

求得，其中，l为温度t所在位置到第一电极板输入端端面的距离，L为第一电极板或第二电极板的长度，t_m为物料的目标加热温度；然后，将第一电极板和第二电极板的一侧通过一块耐高温绝缘板固定连接，另一侧通过另一块耐高温绝缘板固定连接，使得第一电极板和第二电极板间距设置形成加热通道；最后，将第一电极板连接电源正极，第二电极板连接电源负极。

4.根据权利要求3所述一种直接电热法加热装置的加热通道设计方法，其特征在于：对于半导体性质的物料，二次电阻温度系数β≠0，电阻率随温度的升高逐渐降低，并具有二次函数关系，将第一电极板和第二电极板的两侧宽度均做成由输入端至输出端逐渐减小；对于金属物料，电阻率随温度的升高而升高，并具有一次线性关系，宽度w满足如下公式：

将第一电极板和第二电极板的两侧宽度均做成由输入端至输出端逐渐增大。/>

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