CN203552097U - 一种基于LabView的自热型醇类重整制氢反应器温控装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于LabView的自热型醇类重整制氢反应器温控装置。包括J型热电偶、温度显示仪、数据采集卡、微型计算机、流量调节阀、加热棒、固态继电器、自热型醇类重整制氢反应器和燃烧用注射泵；自热型醇类重整制氢反应器中插有J型热电偶，J型热电偶经温度显示仪、数据采集卡与微型计算机相连；数据采集卡还分别有两路，一路经固态继电器和自热型醇类重整制氢反应器中的加热捧连接，另一路经燃烧用注射泵、流量调节阀与自热型醇类重整制氢反应器中的重整制氢入口连接。该装置解决了不同工况条件下的温度控制问题；与工业上使用的温控仪相比，本实用新型的控制程序多变，控制界面友好，通过改进控制程序可使温度控制更加精确。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种自热型醇类重整制氢反应器温控装置，尤其是涉及一种基于LabView的自热型醇类重整制氢反应器温控装置。
技术背景
自热型醇类重整制氢反应器是一种现场在线制氢设备，结构紧凑，能量效率较高，特别适用于汽车或移动氢燃料电池上使用。一般由燃料蒸发腔、若干重整腔、若干个燃烧腔和辅助电加热装置组成。装有催化燃烧催化剂的燃料腔内进行醇类燃烧反应，生成热量后提供给装有重整催化剂的重整腔，用于进行醇类重整制氢反应。通过集成放热反应和吸热反应，实现了反应器的自热运行。由于燃烧催化剂在不同温度条件下燃烧效率不一样，低温条件下效率较低，影响反应器的启动时间，因此，往往有必要在自热反应器中增加辅助电加热装置。
近年来，自热型醇类重整制氢反应器得到了较快的发展，中国发明专利（申请号 200820079472.0）、中国发明专利（申请号 200910100100.0）、中国发明专利（申请号 200510033759.0）公开了三种不同结构形式的自热型醇类重整反应器，并对各自反应器的机械和几何结构进行了详细的描述。然而，作为一个催化反应器，自热型醇类重整制氢反应器制氢过程复杂，受到热动力学参数（温度、流量、压力等）影响较大。其中，温度对反应器的制氢性能影响尤为突出。根据阿伦尼乌斯方程，温度与反应速率呈指数关系。温度的小范围变化都将使自热反应器重整制氢的反应速率发生较大的变化，从而直接影响自热反应器的制氢性能。因此，需对自热型重整制氢反应器进行温度监控。在自热反应器运行过程中，温度控制主要包括如下步骤：预热过程的温度控制，重整催化剂还原过程的温度控制和重整制氢过程的温度控制。目前常用的温度控制主要针对大型化工反应器，控制方法主要为采用温度控制仪通过PID程序对反应器温度进行控制，该方法操作简单，但在复杂工况条件下控制性能不好，瞬态效应较差。而且，温控仪控制程序固定，无法精确控制不同工况条件的反应器，影响自热反应器的温度控制效果。不同的反应器温度控制系统不尽相同，针对自热反应器的温度控制系统报道很少。中国发明专利（申请号 200780008555.9）公开了一种氢制备装置和氢制备方法。该专利中提及了自热重整反应的温度控制，但控制系统简单，无法实现精确控制。
发明内容
为了准确控制自热反应器的温度，提高自热反应器效率，本实用新型的目的在于提供一种基于LabView的自热型醇类重整制氢反应器温控装置。该温控装置可对自热型醇类重整制氢反应器进行有效的温度控制，通过引入LabView虚拟仪器技术，显示界面友好，控制程序多样、可调，特别适合自热型醇类重整制氢反应器复杂反应条件下的温度控制。
本实用新型采用的技术方案是：
本实用新型包括J型热电偶、温度显示仪、数据采集卡、微型计算机、流量调节阀、加热棒、固态继电器、自热型醇类重整制氢反应器和燃烧用注射泵；自热型醇类重整制氢反应器中插有J型热电偶，J型热电偶经温度显示仪、数据采集卡与微型计算机相连；数据采集卡还分别有两路，一路经固态继电器和自热型醇类重整制氢反应器中的加热捧连接，另一路经燃烧用注射泵、流量调节阀与自热型醇类重整制氢反应器中的重整制氢入口连接。
所述的温度显示仪具有温度调理与显示模块、0-5V信号输出模块和高温报警装置。
与背景技术相比，本实用新型具有的有益效果是：
1. 本实用新型采用LabView软件实现自热型醇类重整制氢反应器的温度控制，解决了自热反应器在不同工况条件下的温度控制问题。
2. 与工业上使用的温控仪相比，本实用新型的控制程序多变，控制界面友好，通过改进控制程序可使温度控制更加精确。
附图说明
图1是本实用新型的温度控制装置示意图。
图2是本实用新型的自热型醇类重整制氢反应器预热过程温度控制流程图。
图3是本实用新型的自热型醇类重整制氢反应器重整催化剂还原过程温度控制流程图。
图4是本实用新型的自热型醇类重整制氢反应器重整制氢过程温度控制流程图。
图中：1、J型热电偶，2、温度显示仪，3、数据采集卡，4、微型计算机，5、流量调节阀，6、加热棒，7、固态继电器，8、自热型醇类重整制氢反应器，9、燃烧用注射泵。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，本实用新型包括J型热电偶1、温度显示仪2、数据采集卡3、微型计算机4、流量调节阀5、加热棒6、固态继电器7、自热型醇类重整制氢反应器8和燃烧用注射泵9；自热型醇类重整制氢反应器8中插有J型热电偶1，J型热电偶1经温度显示仪2、数据采集卡3与微型计算机4相连；数据采集卡3还分别有两路，一路经固态继电器7和自热型醇类重整制氢反应器8中的加热捧6连接，另一路经燃烧用注射泵5、流量调节阀5与自热型醇类重整制氢反应器8中的入口连接。
通过USB进行通讯，微型计算机4依据接受到的温度信号，通过运算，实时输出控制信号，一方面通过数据采集卡3调节固态继电器7开闭状态，控制加热棒6的通断，加热自热型醇类重整制氢反应器8，另一方面通过数据采集卡3控制燃烧用注射泵9，调节自热型醇类重整制氢反应器8燃烧通道入口燃料流量。
微型计算机4控制加热棒6加热的方法为脉宽调制的方法，通过LabView程序运行，输出脉宽调制信号，通过数据采集卡间断输出0V或5V信号，控制加热棒6加热，实现自热型醇类重整制氢反应器8的温度控制。
温度显示仪2：具有温度调理与显示模块、0-5V信号输出模块和高温报警装置。型号为AI704等。
燃烧用注射泵9：可输出1-5V电信号至数据采集卡3，具有量程范围宽，如LSP01等。
数据采集卡3：至少具有1个信号输入端口、2个信号输出端口，可与微型计算机4进行通讯。如NI数据采集卡等。
固态继电器7：型号如SSR-380D06E，JGX-1等。
自热型醇类重整制氢反应器8：为具有醇类重整和醇类燃烧两通道，并需要电辅助加热的自热型反应器即可，如2005年公开的发明专利电启动叠板式自动热重整器（申请号：20051003379.0）.
自热型醇类重整制氢反应器8具有重整制氢通道，催化燃烧通道和辅助加热板，辅助加热板内含有加热棒。自热型醇类重整制氢反应器8的制氢原理一般为：催化燃烧通道中布置有燃烧催化剂，甲醇和空气混合物从自热型醇类重整制氢反应器8的燃烧入口进入催化燃烧通道，在燃烧催化剂辅助下燃烧，释放热量，为反应器催化剂还原和重整制氢提供热量；其燃烧反应为：
甲醇燃烧（MC）：CH3OH+1.5O2=CO2+2H2O。
根据研究表明，自热型醇类重整制氢反应器如果进行预热，将有利于燃料反应的快速进行，可减少反应器的启动时间，因此，自热型醇类重整制氢反应器增加辅助加热板，用于预热反应器。
重整制氢通道内布置有制氢催化剂，在制氢前需进行还原，还原方法为：由自热型醇类重整制氢反应器8的重整制氢入口往自热型醇类重整制氢反应器8的重整制氢通道中通入氮气和氢气的混合气体，程序升温自热型醇类重整制氢反应器8并保温一段时间，完成还原。还原后进行，甲醇重整制氢，甲醇和水混合物由重整用注射泵泵入自热型醇类重整制氢反应器8的重整制氢通道，吸热后在制氢催化剂辅助下重整制氢，其重整反应包括：
甲醇重整（SR）：CH3OH+H2O→3H2+CO2，
水汽逆变换（rWGS）：CO2+H2→CO+H2O，
甲醇分解（DE）：CH3OH→2H2+CO。
自热型醇类重整制氢反应器的制氢过程需要进行准确的温度控制，根据其工程过程，温度控制过程主要包括自热型醇类重整制氢反应器预热过程的温度控制、重整催化剂还原过程的温度控制和重整制氢过程的温度控制，具体工作流程如下所示：
1）如图2所示，由于通过预热提高自热型醇类重整制氢反应器8温度，可有效提高醇类燃料催化燃烧效率，降低自热型醇类重整制氢反应器8的启动时间，因此，需进行自热型醇类重整制氢反应器8预热过程的温度控制：微型计算机4通过数据采集卡3和固态继电器7控制加热棒加热自热型醇类重整制氢反应器8；在加热的同时，采用J型热电偶1测量并得到自热型醇类重整制氢反应器8测量温度Tr。随着加热的进行，自热型醇类重整制氢反应器8温度不断上升，当自热型醇类重整制氢反应器8测量温度Tr等于自热型醇类重整制氢反应器8内燃料催化燃烧所设定的预热温度T1时，加热棒停止供热；
2）由于重整制氢催化剂在制氢之前需要进行还原，为了完成还原过程，自热型醇类重整制氢反应器8需要从预热温度程序升温至还原温度，并保温一定时间，因此需要在该过程进行控制。重整催化剂还原过程的温度控制包括自热型醇类重整制氢反应器8的程序升温过程和保温过程的温度控制。图3为重整催化剂还原过程的温度控制流程图。当测量温度Tr等于预热温度T1时，燃烧用注射泵9开启，还原气体进口阀开启，开始自热型醇类重整制氢反应器8的程序升温过程。重整制氢的还原气体一般为氢气和氮气的混合气体，通过流量控制器由重整制氢入口流入自热型醇类重整制氢反应器，还原制氢催化剂。当测量温度Tr到达自热型醇类重整制氢反应器8设定的反应温度T2时，程序升温过程结束。减少燃烧用注射泵5进给流量，维持自热型醇类重整制氢反应器8在设定的反应温度T2上，保持该温度一段时间至设定的还原时间th，关闭还原气体进口阀，还原过程结束。自热型醇类重整制氢反应器8的程序升温的温度控制方案如下：在Labview程序中设置程序升温曲线，设置起始燃烧注射泵9流量，通过J型热电偶1测量自热型反应器测量温度Tr，将自热型醇类制氢反应器测量温度Tr与程序升温曲线相应的温度作比较，得到差量后根据Labview编程的程序调节注射泵流量，控制测量温度Tr按程序升温曲线上升，当测量温度Tr达到反应温度T2时，程序升温过程结束。
3）如图4所示，当还原过程结束后，自热型醇类重整制氢反应器8开始自供热重整制氢过程。在燃烧用注射泵9开启条件下，微型计算机4通过数据采集卡3启动重整用注射泵。重整燃料一般为甲醇和水的混合液体，由重整用注射泵泵入自热型醇类重整制氢反应器8，进行醇类重整制氢反应。调节燃烧用注射泵9进给流量，使反应温度维持在设定的反应温度T2上，维持燃烧用注射泵9进给流量和重整用注射泵进给流量，实现制氢反应器自热运行，直至工作结束。
该温控开始后全程无需人工操作，从自热型醇类重整制氢反应器预热过程的温度控制、到重整催化剂还原过程的温度控制和重整制氢过程的温度控制全部由Labview自动控制完成，实现自热型醇类重整制氢反应器制氢过程温度的自动控制。
Claims (2)
1. 一种基于LabView的自热型醇类重整制氢反应器温控装置，其特征在于：包括J型热电偶(1)、温度显示仪(2)、数据采集卡(3)、微型计算机(4)、流量调节阀(5)、加热棒(6)、固态继电器(7)、自热型醇类重整制氢反应器(8)和燃烧用注射泵(9)；自热型醇类重整制氢反应器(8)中插有J型热电偶(1)，J型热电偶(1)经温度显示仪(2)、数据采集卡(3)与微型计算机(4)相连；数据采集卡(3)还分别有两路，一路经固态继电器(7)和自热型醇类重整制氢反应器(8)中的加热捧(6)连接，另一路经燃烧用注射泵(9)、流量调节阀(5)与自热型醇类重整制氢反应器(8)中的重整制氢入口连接。
2. 根据权利要求1所述的一种基于LabView的自热型醇类重整制氢反应器温控装置，其特征在于：所述的温度显示仪(2)具有温度调理与显示模块、0-5V信号输出模块和高温报警装置。
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Cited By (2)
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| CN114590776A (zh) * | 2022-03-10 | 2022-06-07 | 中氢新能(北京)新能源技术研究院有限公司 | 一种甲醇催化重整制氢器的加热装置 |
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