CN113504160A

CN113504160A - 一种高效且精确控温的热扩散管加热系统

Info

Publication number: CN113504160A
Application number: CN202110778769.6A
Authority: CN
Inventors: 张军科; 黄小娟
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2021-07-09
Filing date: 2021-07-09
Publication date: 2021-10-15

Abstract

本发明公开了一种高效且精确控温的热扩散管加热系统，具体为：将两个改进的加热管并联后接入吸附管；每个加热管分为四个加热单元，每个加热单元进行温度的独立控制，包括测温、调整和校准；加热单元测温使用的温度探头内置于对应加热单元的管腔内部；在加热管外部安装了两个小逐流扇，一个位于第一、二加热单元之间，另一个位于第三、四加热单元之间。本发明将加热管分段，进行温度独立控制与调整，实现了实验温度的灵活与精准控制和调整，提高了实验结果的准确性；将改进后的两套加热管并联，交替加热，大幅缩短了实验耗时；在加热段增加了逐流扇，进一步缩短了降温过程中的耗时，提高实验效率。

Description

一种高效且精确控温的热扩散管加热系统

技术领域

本发明属于热扩散管技术领域，尤其涉及一种高效且精确控温的热扩散管加热系统。

背景技术

热扩散管(Thermal Denuder，简称TD管)是研究大气颗粒物挥发性的有效方法之一，其主要包括加热管和吸附管两部分。其中加热管通过对进入管内的大气颗粒物进行特定温度的加热，使得颗粒物在特定温度环境停留，从而使颗粒物中挥发温度低于该特定温度的化学组分挥发，由颗粒态转换为气态，而挥发温度高于该特定温度的化学组分则继续以颗粒态形式存在。随后，所有样品(挥发后的气态及残余的颗粒物)进入吸附管，通过吸附管内置的吸附剂(如活性炭)可对其中的气态物种进行吸附，最终使样品中仅保留残余的颗粒物组分，这些组分进一步转移至其他观测设备进行测定。由于大气颗粒物的不同化学组分挥发性不同，对应的挥发温度通常也存在较大差异，因此，通过加热温度的梯度调节(几十至几百摄氏度)，可以实现目标颗粒物各化学组分的逐步挥发剥离，从而对大气颗粒物的形成机制进行探究。

在整个TD实验过程中，关键技术之一便在于加热管中温度的灵活调节和精准控制，其直接决定着实验效率和结果的准确性，实验耗时太长则会影响对一些颗粒物快速演化过程信息的捕捉，而温度的过高或过低会引起物种的过度挥发或者不充分挥发，从而导致实验结果偏差。当前，虽然国内外已经有一些TD的生产及销售公司，但对加热温度的精准和灵活控制始终是该技术的难点之一，也是实验误差产生的重要原因之一。

发明内容

针对当前热扩散管实验效率(耗时)以及加热效率(温度控制精确性)不足的问题，本发明提供了一种高效且精确控温的热扩散管加热系统。

本发明的一种高效且精确控温的热扩散管加热系统，将两个改进的加热管并联后接入吸附管；每个加热管分为四个加热单元，每个加热单元进行温度的独立控制，包括测温、调整和校准。

加热单元测温使用的温度探头内置于对应加热单元的管腔内部。

在加热管外部安装了两个小逐流扇，一个位于第一、二加热单元之间，另一个位于第三、四加热单元之间。

进一步的，加热管长度为55cm，四个加热单元总长度50cm。

进一步的，吸附管内填充活性炭形成活性炭吸附区，吸附管长度为53cm，活性炭吸附区长度为48cm。

本发明的有益技术效果为：

本发明首先将传统的一个独立的加热系统分为四段，进行四个加热单元温度的独立控制、调整和校准，有效避免了传统加热管温度大幅偏离的现象，提高了加热温度的精准性；其次，将改进后的两个加热管并联，进行交替加热实验，从而改变了传统的加热程序，大幅缩短了实验时间，提高了实验效率；再次，对加热管进行改进，内置降温风扇，弥补了以往只能依靠加热管自身降温耗时太长的不足，进一步提高了实验效率。

附图说明

图1为传统热扩散管结构示意图。

图2为传统热扩散管加热过程中温度分布情景。

图3为本发明热扩散管加热系统结构示意图。

图4为本发明加热管结构示意图。

图5为本发明对加热单元温控之前中心线温度分布曲线。

图6为本发明对加热单元温控之后中心线温度分布曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。

传统TD管如图1所示，主要由加热管和吸附管组成，其中加热管的加热主要由缠绕于内部管体上的一根加热带实现，属于一个独立的加热单元。该加热单元的运行过程中温度分布情景如图2所示，可以看出，在加热时，由于加热管两端与外部环境相邻，因此，会出现明显的温度升高和降低的趋势，而在加热管中段，加热非常集中，通常会出现加热管内部温度高于设定温度的现象，如图2中当加热温度设定为150℃时，加热管内部最高温度超过了160℃，这意味着颗粒物实际上在高于设定温度的环境中进行了蒸发，从而导致颗粒物的过度挥发，引起实验结果偏差。同时，TD在使用过程中，通常要调至不同的温度梯度进行加热实验，因此，当完成某一温度的加热实验后，需要等待加热系统进行缓慢升温或降温过程，而此过程，通常需要将后续的观测设备连接至辅路(室温)，因此，其加热程序通常为“室温—T1—室温—T2—室温—T3……”，因此，要实现n个温度梯度的加热实验，通常耗时为两倍(2n)时间，这在很大程度上影响了实验效率。此外，对传统TD加热管温度的测定及调节主要是参考管壁与加热带之间的温度探头，然而该处温度只能反映加热管外壁的温度，无法得知管腔内真实的加热温度。根据本团队前期测定实验可知，加热管外壁和管腔内的温度通常存在较大的差异，这使得以往加热过程中，大气颗粒物所经过的加热温度与温度探头读取温度不一致，引起实验结果偏差。

本发明的一种高效且精确控温的热扩散管加热系统如图3所示，将两个改进的加热管并联后接入吸附管。加热管进行交替加热，使得实验时间大幅缩短，约为传统方法的一半左右，从而大幅提高了实验效率。

如图4所示，本发明将加热管分为四段，即4个加热单元，每个加热单元进行温度的独立控制，包括测温、调整和校准。在实验过程中，由于加热管两端温度通常低于设定值，而加热管中间段温度则会高于设定值，基于此，改进后的加热管可对各段温度进行单独设定与调整，根据加热管中心测定温度的实际值，对两端的温度进行略微升高，而对中间两段的加热温度略微降低(具体根据加热管内部探头最终显示温度而定)，从而保证加热管中心温度尽可能与实验需要温度保持一致。

对传统TD加热管温度的测定及调节主要是参考管壁与加热带之间的温度探头，然而该处温度只能反映加热管外壁的温度，无法得知管腔内真实的加热温度。根据前期测定实验可知，加热管外壁和管腔内的温度通常存在较大的差异，这使得以往加热过程中，大气颗粒物所经过的加热温度与温度探头读取温度不一致，引起实验结果偏差。针对此情况，本发明加热单元测温使用的温度探头内置于对应加热单元的管腔内部。温度探头可以直接反映管腔内的真实温度，大大提高了实验的精确性。

当加热管温度完成某一加热过程后，温度需要调整至室温，便于实现另一加热梯度的循环试验。以往TD技术中，降温过程主要依赖加热管在室温环境中的自然降温，因此，该过程通常耗时较长，如当温度从250℃降至室温，可能需要数个小时的等待过程，严重制约了实验效率的提高。本发明在加热管外部安装了两个小逐流扇，一个位于第一、二加热单元之间，另一个位于第三、四加热单元之间。主要作用为引入外部空气，促使加热部分更快速地冷却，提高TD工作效率。通过实验可知，使用该降温系统后，TD加热管的降温耗时仅为传统降温方式耗时的1/4至1/5，从而大幅提高实验效率。

针对本发明加热管温度测定及调节实验：

本发明选择三个温度梯度(图5中的50℃、150℃和280℃)进行加热系统改良后实验效果验证。

首先，四个加热单元的温度都设定为目标温度，然后对加热管内部的温度进行测定。由图5可以看出，第一和第四段加热区域主要为温度升高和降低区域，这主要是因为这两端均与外部环境相邻，因此温度的梯度上升和降低是不可避免的；而第二和第三段为主要的加热区域，这两段温度出现了明显的偏高，该部分温度调节优化是本技术的重点，因此，需要对这两段温度进行适当校准，使加热管内部温度回到目标温度水平。

由以上测定可知，第二、三加热段温度出现了明显的偏高，因此，需要根据加热管内部探头温度对加热模块设定温度进行调节。在此过程中，逐步降低加热模块的设定温度，观测加热管内部探头温度的变化情况，直至内部温度降至实验目标水平，并记录此时四个加热模块的温度，用于后期实验。图6为调整第二、三加热部分设定温度后的检测结果，可以看出，和图5相比，优化后加热管内部温度的稳定性和准确性有显著改善，系统的温度和本研究目标温度水平更为接近。

Claims

1.一种高效且精确控温的热扩散管加热系统，其特征在于，将两个改进的加热管并联后接入吸附管；每个加热管分为四个加热单元，每个加热单元进行温度的独立控制，包括测温、调整和校准；

加热单元测温使用的温度探头内置于对应加热单元的管腔内部；

2.根据权利要求1所述的一种高效且精确控温的热扩散管加热系统，其特征在于，所述加热管长度为55cm，四个加热单元总长度50cm。

3.根据权利要求1所述的一种高效且精确控温的热扩散管加热系统，其特征在于，所述吸附管内填充活性炭形成活性炭吸附区，吸附管长度为53cm，活性炭吸附区长度为48cm。