CN114666931A - 快速提高流动液体温度均匀性感应加热装置及系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置，包括加热器、感应加热内构件及感应线圈，感应线圈螺旋缠绕安装于加热器外壁，加热器内部空腔设置感应加热内构件，加热器包括加热器筒体、上接口组件、下接口组件，在加热器的感应加热内构件底部设置有筛网。本发明的感应加热装置及系统及方法，通过在加热器内部安装由多个金属薄板构成的感应加热内构件，提升加热效率，达到快速提高流动液体温度，同时提升加热器内温度分布均匀性。
Description
技术领域
本发明属于流动液体食品处理技术领域，涉及用于处理流动液体食品的感应加热领域，特别是一种用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置及系统及方法。
背景技术
感应加热是一种利用电磁感应的方式使被加热工件中产生涡流，进而达到加热效果的新型加热技术。相较于传统加热方式，感应加热具有节能、加热过程易于控制、高效等优点。
目前已有学者针对感应加热技术在液体食品处理中的应用展开了研究。
等人于2018年对由钢管和感应加器组成的简单感应加热系统进行了研究，结果表明利用感应加热作为热源处理液体食品时的系统能效与火用效率均高于传统换热器式灭菌装置。但根据Tian等人于2016年的研究，当用于食品处理的管式加热器仅为外壁发热时，位于加热器壁面位置的液体与位于芯部的液体之间会产生较大的温差，即加热内部温度分布均匀性较差。Kittiamornkul等人于2017年设计了内置螺杆泵的金属外壁感应加热灭菌装置，但加热效率不高。Gaoshang Wang等于2020年对以磁性纳米粒子为发热介质的液体食品处理方法进行了研究，但一般的磁性纳米粒子加热效率也不高。
总之，利用感应加热技术处理液体食品时存在温度分布不均匀的问题，而采用不同的方式提升加热均匀性又会导致不同程度的加热效率下降，无法达到快速提高流动液体温度的目的。
通过对公开专利的检索，发现三篇与本专利申请相似的公开专利文献：
对比文件1公开号为：CN 201992800 U，专利题目为：流体感应加热器。该装置主体由两端具有锥形连接段的加热壳体、位于壳体内部的由中心轴与围绕中心轴上的螺旋叶片组成的导流体、位于壳体外表面的不锈钢薄板金属反射层、感应线圈、感应线圈冷却水路、位于感应线圈内外两侧的保温层组成。基于Tian等人于2016年的研究，当加热器仅为外壁发热时，即便加热器内存在内构件能够使内部液体混合流动，但是位于不同位置的流体之间依然存在较大的温差。该设计由于金属反射层的存在，在一般的高频加热状态下内部金属构件是不会发热的，即加热的均匀性会降低。且即便加热器内部螺旋片能够在感应加热作用下发热，若将其应用于流动液体灭菌领域依然存在两点问题。首先，利用仿真软件对螺旋叶片进行电磁分析可知，在螺旋叶片呈一个整体且与中心柱一体成型的情况下，由于集肤效应的作用加热器上发热的区域仅限于自叶片外沿向内延伸的数毫米集肤层内与中心柱的壁面。其次，诚然可以通过大幅度加粗中心柱降低叶片高度使发热更加均匀，但只要中心柱存在便会产生额外的压降，加粗中心柱更会不利于流体输送。
对比文件2公开号为：CN 111565484 A，专利题目为：螺旋型高效电磁感应加热换热输出装置。该装置同样于金属管中设置了由螺旋叶片构成的导流体，使液体呈螺旋向上的形式在加热器内流动。同样该装置仅为外壁发热，加热均匀性依然不高。
对比文件3公开号为：CN 110024481 A，专利题目为：电磁感应加热装置。该装置目的在于加热以高压氮气为代表的流体。该装置主体由位于内侧的两端开口绝缘管状构件、位于管状构件内侧的金属发热构件、位于管状构件外侧的感应线圈、包覆管状构件一端开口并与之组成流体回路的U形夹套组成。针对金属发热构件该专利提出了限制流体流动与不限制流体流动的两种不锈钢管束、截面成莲藕状或蜂窝状的发热器、磁性小球等形式。其中交替层叠平板状片材、不锈钢管束、磁性小球等设计可以避免由集肤效应引起的发热部位集中。但莲藕状或蜂窝状的发热器会由于集肤效应导致发热器中心位置不会被感应加热，进而引起温度分布不均匀，不锈钢管束也是一种类型的分体式设计，能够使每根管参与发热，但分体式设计等同于将加热器在交变磁场方向上分割成多个细小端元，必然伴随单根钢管截面积减小带来的加热效率下降，层叠平板状片材也存在上述不足。虽然可以通过增加管径来提升截面积，但对于液体处理过程而言过度增加管径又会造成传统光管式加热器中存在不均匀问题。
综上所示，虽然感应加热技术具有绿色、高效、节能的优点。但在将其应用于流动液体食品处理的过程中时会产生加热器内温度分布不均匀的问题，而采用不同的方式消除温度分布不均匀的过程又会导致不同程度的较热效率下降。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置，通过设计新型的感应加热内构件，使加热过程的温度分布更加均匀，提高加热效率。
本发明的目的还在于提供一种用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热系统。
本发明的目的还在于提供一种用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热方法。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置，包括加热器、感应加热内构件及感应线圈，感应线圈螺旋缠绕安装于加热器外壁，加热器内部空腔设置感应加热内构件，加热器包括加热器筒体、上接口组件、下接口组件，在加热器的感应加热内构件底部设置有筛网。
而且，上接口组件及下接口组件均包括依次固装的连接托盘、外丝快装卡盘、同心变径管及三通接口，所述加热器筒体上部及下部分别与上接口组件及下接口组件的连接托盘通过连接拉杆固定安装。
而且，所述感应加热内构件为受感器组合式加热器，包括受感器及金属颗粒组成，所述受感器由若干金属弧形薄片首尾拼接成环形薄片单元，并通过连接柱将环形薄片单元进行轴向叠装而成，受感器的金属弧形薄片的外缘紧贴加热器筒体内壁，且在受感器中芯部位置留出供金属颗粒流化或者堆叠的空腔，在空腔内填充金属颗粒。
而且，所述受感器每层环形薄片单元之间形成2-4°螺旋倾角。
而且，所述金属颗粒采用直径5～16mm，壁厚0.5-1mm，304不锈钢空心球，空心球充填满受感器内空腔体积的30～90％，当空心球填充受感器空腔体积的80～90％时加热器形成填充床，当空心球填充受感器空腔体积的30～50％，则加热器形成流化床。
而且，所述感应加热内构件为交叉薄板式加热器，由多片相互交叉的扇形薄板通过连接杆首尾交叉连接并轴向堆叠而成。
而且，所述扇形薄板具有10-20°螺旋倾角。
而且，所述加热器筒体外部设置保温层，加热器筒体为石英玻璃、聚四氟乙烯或聚丙烯等非金属材质，使加热器内部保持有感生磁场。
一种基于用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置的加热系统，其特征在于：包括所述感应加热单元、液体输送单元、料液预热单元及温度检测与控制单元；
所述感应加热单元包括感应加热装置及感应加热控制设备，感应加热装置包括加热器、感应加热内构件及感应线圈，感应线圈螺旋缠绕安装于加热器外壁，加热器内部设置感应加热内构件，感应线圈与感应加热控制设备连接；
所述液体输送单元包括进料管路、料液水泵、数控隔膜阀、流量计、手动阀门及出料管路；
所述料液预热单元包括冷却液管路、换热器、感应加热控制设备的换热管路，感应加热控制设备连接冷却水泵；
所述进料管路经料液预热单元的换热器后连接至及加热器的进料口，所述出料管路连接加热器的出料口；
温度检测与控制单元包括位于加热器出口的第二热电偶、位于加热器入口的第一热电偶、数据采集器及PLC控制单元组成，数据采集器及PLC控制单元以加热器出、入口液体温度为基础对感应加热控制设备的输出功率、数控隔膜阀的开度进行控制。
而且，所述进料管路连接料液暂存罐出口，所述出料管路连接料液暂存罐进口。
一种基于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热系统的加热方法，其包括如下步骤：
1)选择感应加热内构件类型：根据待处理液体的粘度选择感应加热内构件类型：物料粘度在0.001Pa·s至0.01Pa·s之间时宜采用受感器组合式加热器，物料粘度在0.01Pa·s及以上时宜采用交叉薄板式加热器；
2)打开液体输送单元及感应加热控制设备的冷却功能：使加热器中预先充满待处理液体，避免感应加热内构件升温过快造成装置损坏；
3)打开感应加热控制设备的感应加热功能：电流经感应加热控制设备(2)流入感应线圈，感应加热内构件在交变电场的作用下发热；
4)液体热处理：在液体循环模式下或者液体连续流动模式下进行快速均匀加热处理。
而且，所述液体循环模式为：加热器与料液暂存罐连接形成循环回路，进液管路与料液暂存存储罐的出口连接，液体出管与料液暂存存储罐的进口连接，当位于加热器入口的第二热电偶判断液体温度达到设定值后，PLC控制单元控制感应加热控制设备降低功率对液体进行保温，完成保温时间后手动切换手动阀门排出液体。
而且，所述连续流动模式为：液体连续经料液预热单元的换热器流入加热器，在预热单元回收感应加热控制设备的冷却水管路中的热量后达到一定温度，当位于加热器入口的第二热电偶判断液体温度达到设定值后，PLC控制单元基于设定的液体物性参数与操作参数匹配感应加热控制设备功率，被处理液体经加热器升温后不进行循环直接经料液出口排出进行后续处理。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明的用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置，在加热器内部安装由多个金属薄板径向拼装后轴向叠装构成的感应加热内构件，提升加热效率，达到快速提高流动液体温度，同时提升加热器内温度分布均匀性。
2、本发明的用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置，感应加热内构件采用受感器及金属颗粒组件，通过使用受感器作为发热部件之一，金属颗粒填充于受感器中芯空腔，金属颗粒填充后可形成填充床或流化床，减少了加热器与感应线圈之间的漏感(或称气隙)，增加了金属颗粒填充床与流化床的加热效率，达到使加热器内的液体快速升温的目的，同时加热器空腔内依然具有一定强度的感应磁场，可以保证位于空腔中的金属颗粒能在交变磁场的作用下正常发热充当内热源，在空腔内金属颗粒流化的情况下金属颗粒可以充当流化的非定常热源，从而实现加热器的感应加热内构件达到内外同热，进而避免加热器内部感应件发热部位集中的问题。
3、本发明的用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置，在合理选择金属颗粒填充量的情况下可以使位于受感器空腔内的金属颗粒进行流化，借助流化床内流化颗粒可以加剧床内流化介质相互掺混的特性提高加热均匀性。
4、本发明的用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置，感应加热内构件采用交叉薄板式加热器，该设计可使液体物料在加热器内轮旋流动，增加了液体在加热器内滞留的时间；同时该种交叉薄板式加热器的最小单元为多片相互交叉的单层的金属薄板，多层交叉薄板堆叠后可以在加热器内起到混合器的作用，增加加热均匀性；其次，交叉薄板式加热器由于其自身多片薄板交叉为一组的特点，集肤层自每一片薄板的边线向芯部延伸，对比一体成型的螺旋叶片式加热器，集肤层仅能够从加热构件外沿向内侧延伸，即在相同集肤深度下采用分体式设计的交叉薄板式加热器由于每片薄板各自独立，集肤层能够由多个方向向着每片薄板的芯部延伸，最终导致交叉薄板式加热器能够将更多的体积置于集肤层内，这种将感应加热构件划分为多个独立组件的极端情况便是颗粒填充床式加热器，而颗粒填充床式加热器的径向功率分布是均匀的，相较于细小的填充颗粒，应用交叉薄板式加热器可以获得更大的截面积进而获得更多的磁通量，在此之上可以获得更高的加热效率，同时能够使加热器内液体呈螺旋流动起到混合作用；感应加热内构件自身导热也可使热量分布趋于均匀，在以上多重作用下可以提升加热器内温度分布的均匀性。
5、本发明的用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热系统，采用本发明的感应加热装置，具有快速提高流动液体温度和均匀性的效果，同时系统中的感应加热控制设备的冷却水出口位置了料液预热单元，回收消耗在感应加热控制设备内部电路及感应线圈内的热量对液体物料进行预热，有效提升能量利用率；采用感应加热控制设备作为热源，设备运行仅需供应电能，对液体物料的处理过程更加绿色环保。
6、本发明的用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热系统，具有液体循环模式及液体连续流动模式，可根据待处理液体的工艺要求进行选择，从而具有更广泛的适用性。
7、本发明的用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热方法，采用本发明的用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热系统，具有快速提高流动液体温度和均匀性的效果。
附图说明
图1为本发明用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置的结构示意图；
图2为本发明用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置的感应器结构示意图(实施例一)；
图3为本发明用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置的感应加热内构件的结构示意图(实施例一)；
图4为本发明用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置的感应器结构示意图(实施例二)；
图5为本发明用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置的感应加热内构件的结构示意图(实施例一)；
图6为本发明用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热系统的结构示意图；
图7为本发明的加热效率变化对比图；
图8a相同材料、频率与激励下，对比文件1中公开的螺旋片式加热器与交叉薄板式加热器欧姆损耗分布对比的螺旋片与中心柱一体成型时螺旋叶片上的欧姆损耗分布情况图；
图8b相同材料、频率与激励下，对比文件1中公开的螺旋片式加热器与交叉薄板式加热器欧姆损耗分布对比的交叉薄板式加热器欧姆损耗分布情况图。
附图标记说明
1-数据采集器及PLC控制单元、2-感应加热控制设备、3-冷却水泵、4-换热器、5-第一三通截止阀、6-四通截止阀、7-流量计、8-数控隔膜阀、9-料液水泵、10-第二三通截止阀、11-第一热电偶、12-加热器、13-感应加热装置、14-料液暂存罐、15-第一热电偶、16-第三三通截止阀、17-受感器、18-金属颗粒、19-连接杆、20-扇形薄板、21-三通接口、22-铠装热电偶探头、23-同心变径管、24-外丝快装卡盘、25-连接托盘、26-连接拉杆、27-保温层、28-加热器筒体、29-空腔、30-感应线圈、31-筛网、32-金属弧形薄片、33-连接柱、34-受感器组合式加热器、35-交叉薄板式加热器。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置，如图1所示，包括加热器12、感应加热内构件及感应线圈30，感应线圈30螺旋缠绕安装于加热器12外壁，加热器12内部空腔29设置感应加热内构件，加热器12包括加热器筒体28、上接口组件、下接口组件，在加热器12的感应加热内构件底部设置有筛网31，通过筛网或其他固定件对感应加热内构件进行安装固定。根据使用需要可以在加热器12的感应加热内构件上部设置上筛网。上接口组件及下接口组件均包括依次固装的连接托盘25、外丝快装卡盘24、同心变径管23及三通接口21，所述加热器筒体28上部及下部分别与上接口组件及下接口组件的连接托盘通过连接拉杆26固定安装。加热器筒体28外部设置保温层27，加热器筒体28采用石英玻璃、聚四氟乙烯或聚丙烯等非磁场感应、非金属材质，连接托盘及连接拉杆26也采用非金属材质。感应线圈30外围设置磁轭以抑制磁力线扩散。
感应线圈30与感应加热控制设备2的交流电源连接，电源为感应线圈30提供交变电流，流过感应线圈30的交变电流产生一个通过感应加热内构件的交变磁场，该磁场使感应加热内构件产生涡流，实现加热。
实施例一
如图2、3所示，
感应加热内构件为受感器组合式加热器34，包括受感器17及金属颗粒18组成，受感器17由若干金属弧形薄片32首尾拼接成环形薄片单元，并通过连接柱33将环形薄片单元进行轴向叠装而成，受感器17的金属弧形薄片32的外缘紧贴加热器筒体28内壁，且在受感器17中芯部位置留出供金属颗粒18流化或者堆叠的空腔，在空腔内填充金属颗粒18。受感器17每层环形薄片单元之间形成2-4°螺旋倾角。优选的，受感器17每层环形薄片单元之间形成约3°螺旋倾角。
受感器组合后能够紧贴加热器12的加热器筒体28内壁面，各环形薄片单元与加热器12底面之间保持一定倾角使液体可以在板间流通，且内部具有可存放金属粒子的空腔。金属颗粒18位于其内部形成的空腔中，在选用不同颗粒数量、粒径、颗粒密度、操作液速、液体密度的情况下位于空腔中的颗粒呈填充床与流化床两种状态。金属颗粒18分别充当内热源与非定常内热源为加热器12从内部提供热量。
金属颗粒18采用直径5～16mm，壁厚0.5-1mm，304不锈钢空心球，空心球充填满受感器17内空腔体积的30～90％，当空心球填充受感器17空腔体积的80～90％时加热器12形成填充床，当空心球填充受感器17空腔体积的30～50％，则加热器12形成流化床。
实施例二：
如图4、5所示，感应加热内构件为交叉薄板式加热器35，由多片相互交叉的扇形薄板20通过连接杆19首尾交叉连接并轴向堆叠而成。最小单元为多片相互交叉的金属薄板。交叉薄板式加热器35以多片相互交叉的薄板为最小单元，多组交叉薄板相互堆叠。最终达到使液体在加热器12中螺旋流动相互混合的目的，在基础上通过多板交叉增加加热器12位于集肤深度内的体积，加之金属自身的导热，使加热器12内流场的温度分布达到相对均匀的状态。扇形薄板20具有10-20°螺旋倾角，最优为扇形薄板20具有15°旋角度。
如图6所示，一种用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置的加热系统，其包括感应加热单元、液体输送单元、料液预热单元及温度检测与控制单元。
感应加热单元包括感应加热装置13及感应加热控制设备2，感应加热装置13包括加热器12、感应加热内构件及感应线圈30，感应线圈30螺旋缠绕安装于加热器12外壁，加热器12内部设置感应加热内构件，感应线圈30与感应加热控制设备2连接。具体结构如前所述。
液体输送单元包括进料管路及设置于进料管路上的料液水泵9、数控隔膜阀8、数控阀门、流量计7、手动阀门，还包括出料管路，手动阀门为四通截止阀6，数控阀门包括第一三通截止阀5、第二三通截止阀10及第三三通截止阀16。进料管路经料液预热单元后经第一三通截止阀5连接至及加热器12的进料口，出料管路连接至加热器12的出料管路。
料液预热单元包括冷却液管路、换热器4、感应加热控制设备2的换热管路，冷却液管路经冷却水泵3连接感应加热控制设备2换热管路，回收消耗在感应加热控制设备2内部电路及感应线圈30内的热量，冷却液管路经换热器4与进料管路进行换热，对液体物料进行预热，预热后经。
温度检测与控制单元包括位于加热器12出口的第二热电偶15、位于加热器12入口的第一热电偶11、数据采集器及PLC控制单元1组成，第二热电偶位于三通接口内的铠装热电偶探头21。数据采集器及PLC控制单元1以加热器12出、入口液体温度为基础对感应加热控制设备2的输出功率、数控隔膜阀8的开度进行控制。
进料管路连接料液暂存罐14出口，出料管路连接料液暂存罐14进口，当需要进行液体循环模式式，料液暂存罐14出口通过第二三通截止阀10与进料管路连接，料液暂存罐14进口通过第二三通截止阀10与出料管路连接。
采用本发明的感应加热装置13，具有快速提高流动液体温度和均匀性的效果，同时系统中的感应加热控制设备2的冷却水出口位置了料液预热单元，回收消耗在感应加热控制设备2内部电路及感应线圈30内的热量对液体物料进行预热，有效提升能量利用率；采用感应加热控制设备2作为热源，设备运行仅需供应电能，对液体物料的处理过程更加绿色环保。
一种快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热系统的加热方法，其包括如下步骤：
1)选择内构件类型：根据待处理液体的粘度选择感应加热内构件类型：物料粘度在0.001Pa·s至0.01Pa·s之间时宜采用受感器组合式加热器34，物料粘度在0.01Pa·s及以上时宜采用交叉薄板式加热器35：
1)打开液体输送单元及感应加热控制设备2的冷却功能：使加热器12中预先充满待处理液体，避免感应加热内构件升温过快造成装置损坏；
3)打开感应加热控制设备2的感应加热功能：电流经感应加热控制设备2流入感应线圈30，加热器12的感应加热内构件在交变电场的作用下发热；
4)液体热处理：在液体循环模式下或者液体连续流动模式下进行加热处理。
所述液体循环模式为，加热器12与料液暂存罐14连接形成循环回路，进液管路与料液暂存存储罐14的出口连接，液体出管与料液暂存存储罐14的进口连接，当位于加热器12入口的第一热电偶11判断液体温度达到设定值后，数据采集及PLC控制单元1控制感应加热控制设备2降低功率对液体进行保温，完成保温时间后手动切换手动阀门排出液体。
循环工况下被处理液体物料自料液入口进入料液暂存罐14，经第二三通截止阀10，料液水泵9，数控隔膜阀8，流量计7、四通截止阀6，第一三通截止阀5进入加热器12，经处理后经第三三通截止阀16回到料液暂存罐14，料液暂存罐14外部设置保温层.
在循环加热模式下，当位于加热器12入口的第一热电偶11判断物料温度达到设定值后数据采集及PLC控制单1控制感应加热控制设备2降低功率对物料进行保温，随后依据不同工艺对保温时间的要求手动切换四通截止阀6方向排出物料。
连续流动模式为，液体连续经预热单元的换热器4流入加热器12，在预热单元回收感应加热控制设备2的冷却水中的热量后达到一定温度，当位于加热器12入口的第一热电偶11判断液体温度达到设定值后，数据采集及PLC控制单1基于设定的液体液体物性参数与操作参数匹配感应加热控制设备2功率，被处理液体经加热器12升温后不进行循环直接经料液出口二排出进行后续处理。
被处理液体物料自料液入口进入，经第二三通截止阀10，料液水泵9，数控隔膜阀8，流量计7，四通截止阀6，换热器4，第一三通截止阀5进入加热器12，经第三三通截止阀16由料液出口一排出；在连续流动模式下料液经换热器4预热，加热器12加热后直接由料液出口一排出。
试验分析：
1、加热器效率测试及分析：
根据Park等人于2009年针对感应加热过程被感应加热工件效率测量提出的公式
We＝qmCp(T2-T1)获得加热器内实际获得的功率We。式中：qm为流体的质量流量，kg/s；Cp为流体的比热容。后由公式
式中：
Win为设备输出功率。采用以上方法，对加热器效率进行测试。结果如图7所示。感应加热内构件形式：
A、交叉薄板式加热器
B、304材质受感器满载向受感器空腔中加入≈171g空心球，使其填满空腔3°倾角；
C、430材质受感器满载0°倾角；
D、430材质受感器空载0°倾角；
E、304空心球满载(向加热器主体内加入≈413g空心球)。
对加热器效率测试结果进行分析：
通过对比实验D、430材质受感器空载0°倾角与实验C、430材质受感器满载0°倾角。可知，向受感器空腔内加入金属粒子可以提升加热效率，进而可以的出空腔内的金属颗粒是参与发热的。即位于发热器主体内壁面的受感器与位于受感器空腔内的金属颗粒可以共同发热，达到内外同热效果提升加热均匀性。
通过对比实验E、304空心球满载与实验B、304材质受感器满载可知，应用304材质的受感器可以较满载下的304空心球颗粒填充床加热器提升加热效率，达到快速提升被处理液体物料温度的目的。此外不同类型加热器之间加热效率也有差别，就结果而言交叉薄板式加热器具有最高的加热效率。
2、加热器欧姆损耗分布测试及分析
采用建模及Ansys分析的方法，对加热器的欧姆损耗分布进行测试，结果如图8a，图8b所示。
相同材料、频率与激励下，对比文件1中公开的螺旋片式加热器与交叉薄板式加热器欧姆损耗分布对比。图8(a)螺旋片与中心柱一体成型时螺旋叶片上的欧姆损耗分布情况；图8(b)交叉薄板式加热器欧姆损耗分布情况。
由图8a、b可见，螺旋叶片上的发热器区域主要集中在加热器外沿的曲线区域，即只有位于加热器避免位置的液体会被有限加热。而采用分体式设计的交叉薄板式加热器在此之上位于加热器中心部位的直线区域也会参与发热，加热器整体的发热更加均匀。在同样能对加热器内流体产生扰动使其螺旋流动的基础上自身发热更加均匀的加热器对流体的加热必然更加均匀。
尽管为说明目的公开的本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (13)
1.一种用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置，其特征在于：包括加热器(12、感应加热内构件及感应线圈(30)，感应线圈(30)螺旋缠绕安装于加热器(12)外壁，加热器(12)内部空腔(29)设置感应加热内构件，加热器(12)包括加热器筒体(28)、上接口组件、下接口组件，在加热器(12)的感应加热内构件底部设置有筛网(31)。
2.根据权利要求1所述的用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置，其特征在于：所述上接口组件及下接口组件均包括依次固装的连接托盘(25)、外丝快装卡盘(24)、同心变径管(23)及三通接口(21)，所述加热器筒体上部及下部分别与上接口组件及下接口组件的连接托盘通过连接拉杆(26)固定安装。
3.根据权利要求1所述的用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置，其特征在于：所述感应加热内构件为受感器组合式加热器(34)，包括受感器(17)及金属颗粒(18)组成，所述受感器(17)由若干金属弧形薄片(32)首尾拼接成环形薄片单元，并通过连接柱(33)将环形薄片单元进行轴向叠装而成，受感器(17)的金属弧形薄片(32)的外缘紧贴加热器筒体(28)内壁，且在受感器(17)中芯部位置留出供金属颗粒(18)流化或者堆叠的空腔，在空腔内填充金属颗粒(18)。
4.根据权利要求3所述的用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置，其特征在于：所述受感器(17)每层环形薄片单元之间形成2-4°螺旋倾角。
5.根据权利要求3所述的用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置，其特征在于：所述金属颗粒(18)采用直径5～16mm，壁厚0.5-1mm，304不锈钢空心球，空心球充填满受感器(17)内空腔体积的30～90％，当空心球填充受感器(17)空腔体积的80～90％时加热器(12)形成填充床，当空心球填充受感器(17)空腔体积的30～50％，则加热器(12)形成流化床。
6.根据权利要求1所述的用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置，其特征在于：所述感应加热内构件为交叉薄板式加热器(35)，由多片相互交叉的扇形薄板(20)通过连接杆(19)首尾交叉连接并轴向堆叠而成。
7.根据权利要求1所述的用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置，其特征在于：所述扇形薄板(20)具有10-20°螺旋倾角。
8.根据权利要求1所述的用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置，其特征在于：所述加热器筒体(28)外部设置保温层(27)，加热器筒体(28)为石英玻璃、聚四氟乙烯或聚丙烯等非金属材质，使加热器(12)内部保持有感生磁场。
9.一种基于权利要求1-8所述用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置的加热系统，其特征在于：包括所述感应加热单元、液体输送单元、料液预热单元及温度检测与控制单元；
所述感应加热单元包括感应加热装置(13)及感应加热控制设备(2)，感应加热装置(13)包括加热器(12)、感应加热内构件及感应线圈(30)，感应线圈(30)螺旋缠绕安装于加热器(12)外壁，加热器(12)内部设置感应加热内构件，感应线圈(30)与感应加热控制设备(2)连接；
所述液体输送单元包括进料管路、料液水泵(9)、数控隔膜阀(8)、流量计(7)、手动阀门及出料管路；
所述料液预热单元包括冷却液管路、换热器(4)、感应加热控制设备(2)的换热管路，感应加热控制设备(2)连接冷却水泵(3)；
所述进料管路经料液预热单元的换热器(4)后连接至及加热器(12)的进料口，所述出料管路连接加热器(12)的出料口；
温度检测与控制单元包括位于加热器(12)出口的第二热电偶(15)、位于加热器(12)入口的第一热电偶(11)、数据采集器及PLC控制单元(1)组成，数据采集器及PLC控制单元(1)以加热器(12)出、入口液体温度为基础对感应加热控制设备(2)的输出功率、数控隔膜阀(8)的开度进行控制。
10.根据权利要求9所述用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热装置的加热系统，其特征在于：所述进料管路连接料液暂存罐(14)出口，所述出料管路连接料液暂存罐(14)进口。
11.一种基于权利要求8或9所述快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热系统的加热方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)选择感应加热内构件类型：根据待处理液体的粘度选择感应加热内构件类型：物料粘度在0.001Pa·s至0.01Pa·s之间时宜采用受感器组合式加热器(34)，物料粘度在0.01Pa·s及以上时宜采用交叉薄板式加热器；
2)打开液体输送单元及感应加热控制设备(2)的冷却功能：使加热器(12)中预先充满待处理液体，避免感应加热内构件升温过快造成装置损坏；
3)打开感应加热控制设备(2)的感应加热功能：电流经感应加热控制设备(2)流入感应线圈(30)，感应加热内构件在交变电场的作用下发热；
4)液体热处理：在液体循环模式下或者液体连续流动模式下进行快速均匀加热处理。
12.根据权利要求11所述用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热方法，其特征在于：所述液体循环模式为：加热器(12)与料液暂存罐连接形成循环回路，进液管路与料液暂存存储罐的出口连接，液体出管与料液暂存存储罐的进口连接，当位于加热器(12)入口的第二热电偶(11)判断液体温度达到设定值后，PLC控制单元控制感应加热控制设备(2)降低功率对液体进行保温，完成保温时间后手动切换手动阀门排出液体。
13.根据权利要求11所述用于快速提高流动液体温度和均匀性的感应加热方法，其特征在于：所述连续流动模式为：液体连续经料液预热单元的换热器(4)流入加热器(12)，在预热单元回收感应加热控制设备(2)的冷却水管路中的热量后达到一定温度，当位于加热器(12)入口的第二热电偶(11)判断液体温度达到设定值后，PLC控制单元基于设定的液体物性参数与操作参数匹配感应加热控制设备(2)功率，被处理液体经加热器(12)升温后不进行循环直接经料液出口排出进行后续处理。
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| CN115371256A (zh) * | 2022-08-29 | 2022-11-22 | 中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所 | 蓄热和直热两用电磁感应式空气电加热器及其使用方法 |
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