基于焦耳热效应的三维碳气凝胶基载体用加热器和装置

摘要

本发明涉及一种基于焦耳热效应的三维碳气凝胶基载体用加热器和装置，其中加热器包括：本体，所述本体内设置有第一加热电极和第二加热电极，所述第一加热电极和第二加热电极将所述本体分割成三部分，分别为进气端均化区、焦耳加热区和出气端均化区；所述进气端均化区设置有进气端口，所述出气端均化区设置有出气端口，所述焦耳加热区内设置有碳气凝胶。本发明使得整个加热过程具有低能耗、快启动的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及热催化技术领域，特别是涉及一种基于焦耳热效应的三维碳气凝胶基载体用加热器和装置。

背景技术

三维碳气凝胶因其导电纤维网络自身的电导属性，有望在加热载体方面，特别是高温热催化方面得到更好的应用。但考虑到三维碳气凝胶结构中碳基材料的质脆属性，目前多侧重于对其力学性能和吸附性能的测试与改进，如压缩循环、油水分离以及在受力条件下的力-电信号传感检测等方面应用。而在电学性能测试方面，多侧重于高低温热稳定性和耐热性能的探究。尚未见有将其作为加热载体，并将其集成于装置模块中的报道。

另外，敞开体系中，碳基结构极易与空气中的氧气发生化学反应，导致三维结构的塌陷，进而破坏其内部导电网络的完成下，因而限制其使用的上限温度。更有甚者，强烈的化学反应还可能会出现明火，这在热催化环境下是必须杜绝的，进而对热催化加热载体的热稳定性和整个加热装置的设计提出了新要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于焦耳热效应的三维碳气凝胶基载体用加热器和装置，使得加热过程能够实现低能耗且快响应。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于焦耳热效应的三维碳气凝胶基载体用加热器，包括本体，所述本体内设置有第一加热电极和第二加热电极，所述第一加热电极和第二加热电极将所述本体分割成三部分，分别为进气端均化区、焦耳加热区和出气端均化区；所述进气端均化区设置有进气端口，所述出气端均化区设置有出气端口，所述焦耳加热区内设置有碳气凝胶。

所述第一加热电极和第二加热电极通过耐高温树脂与所述本体密封连接。

所述碳气凝胶设置到所述焦耳加热区内时，所述碳气凝胶的径向形变量为5-40％。

所述本体包括筒状结构，所述筒状结构在所述进气端均化区设置有进气端导气片，在所述出气端均化区设置有出气端导气片，所述进气端导气片上设置有所述进气端口，所述出气端导气片上设置有出气端口。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于焦耳热效应的三维碳气凝胶基载体用加热装置，包括上述的基于焦耳热效应的三维碳气凝胶基载体用加热器，所述进气端口连接有进气管道，所述出气端口连接有出气管道；所述进气端均化区、焦耳加热区和出气端均化区均设置有温度传感器，所述第一电极和第二电极均与加热器控制系统相连，所述加热器控制系统根据所述温度传感器检测到的温度对所述第一电极和第二电极的通断进行控制。

所述加热器外还包覆有加热器保温区，所述加热器保温区包括依次包覆的陶瓷海绵层、玻璃纤维层、橡塑海绵层和耐高温胶带。

所述出气管道外包覆有出气端保温区，所述出气端保温区包括依次包覆的加热带、陶瓷海绵层、玻璃纤维层、橡塑海绵层和耐高温胶带；所述加热带设置有加热带温度控制系统，所述加热带温度控制系统根据设置在加热带内的温度传感器采集到的温度与预设温度调整所述加热带的工作状态。

所述进气管道上沿着气体流动方向依次设置有第一质量流量计和常温压力变送器；所述出气管道上沿着气体流动方向依次设置有耐高温压力变送器和第二质量流量计。

所述加热器控制系统包括PID温度控制器、低压直流电源和固态继电器；所述PID温度控制器和所述低压直流电源的供电用交变电源；所述固态继电器与所述低压直流电源相连；所述温度传感器将采集到的温度反馈到所述PID温度控制器，所述PID温度控制器根据采集到的温度和设定温度调控所述固态继电器，所述固体继电器实现对所述低压直流电源的开闭，以实现对所述加热器的控制。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明巧妙的结合三维碳气凝胶自身的导电属性，设计得到一种基于焦耳热效应的三维碳气凝胶基载体用加热器，该加热器可扩充阵列，整个加热过程具有低能耗、快启动的优点，在高温热催化领域中具有很好的发展潜力，为解决传统能源消耗问题提供新思路。本发明结合所设计的加热器，设计得到一种基于焦耳热效应的三维碳气凝胶基载体用加热装置，该装置简单有效，可以对温度的有效调控，进而实现对气流的加热温度调控，为实现碳气凝胶在高温热催化领域的技术应用提出新方案。

附图说明

图1是本发明第一实施方式的结构示意图；

图2是本发明第二实施方式的结构示意图；

图3是本发明第二实施方式中加热器保温区的结构示意图；

图4是本发明第二实施方式中出气端保温区的结构示意图；

图5是本发明第二实施方式中加热器控制系统的结构示意图；

图6是本发明第二实施方式中加热带温度控制系统的结构示意图；

图7是本发明第二实施方式中焦耳加热区的温度变化曲线图；

图8是本发明第二实施方式中流经加热器的气体温度变化曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的第一实施方式涉及一种基于焦耳热效应的三维碳气凝胶基载体用加热器，包括本体，所述本体内设置有第一加热电极和第二加热电极，所述第一加热电极和第二加热电极将所述本体分割成三部分，分别为进气端均化区、焦耳加热区和出气端均化区；所述进气端均化区设置有进气端口，所述出气端均化区设置有出气端口，所述焦耳加热区内设置有碳气凝胶。

如图1所示，所述本体1为圆柱体结构，本实施方式中的本体1采用石英管1-8实现。本体1包括：进气端均化区1-1、焦耳加热区1-2和出气端均化区1-3。本实施方式中正极(即第一电极)1-4和负极(即第二电极)1-5均采用不锈钢网加热电极。

其中，焦耳加热区1-2内装载有碳气凝胶1-7，该碳气凝胶1-7包括但不限于碳纳米纤维气凝胶基、氧化石墨烯气凝胶基以及碳纳米管气凝胶基等碳基气凝胶。所述碳气凝胶具有尺寸可调、焦耳热响应、柔韧可压缩的特点，且内部具有多孔网络结构，为载流子的移动提供丰富的通路。焦耳加热区1-2两端的进气端均化区1-1和出气端均化区1-3可以防止出现湍流现象。

在本实施方式中，圆柱体结构的本体1内气凝胶装载量与石英管1-8高度相关，确切的说，可根据气凝胶的圆柱形参数尺寸调整购置石英管的尺寸，在装载过程中，可根据需要进行调整，装载后的气凝胶的径向形变量控制在5-40％以内。形变量太小，电极与气凝胶接触不充分，形变量太高，对气凝胶结构会造成破坏，影响焦耳加热效果；因此气凝胶的径向形变量控制在5-40％时，效果最好。

在本实施方式中，本体1内第一电极和第二电机均采用圆形不锈钢网，其直径参数较所使用石英管1-8的外径参数大3-20mm即可。本体1内均化区与加热电极间，加热电极与焦耳加热区之间均用耐高温树脂粘接，即圆形不锈钢网通过耐高温树脂与石英管进行密封粘结，在进行下一步操作前，需待树脂室温固化12-48h。

本实施方式提供的基于焦耳热三维碳气凝胶基载体用加热器，将三维碳气凝胶封装置于低压直流电源正负极之间，电流经电极通过三维碳网络结构，使其内部的每条导电通路发生焦耳热效应，从而能够实现加热器的有效快速升温。

本发明的第二实施方式涉及一种基于焦耳热效应的三维碳气凝胶基载体用加热装置，包括第一实施方式中的基于焦耳热效应的三维碳气凝胶基载体用加热器，所述进气端口连接有进气管道，所述出气端口连接有出气管道；所述进气端均化区、焦耳加热区和出气端均化区均设置有温度传感器，所述第一电极和第二电极均与加热器控制系统相连，所述加热器控制系统根据所述温度传感器检测到的温度对所述第一电极和第二电极的通断进行控制。

如图2所示，该加热装置包括加热器、加热器保温区、进气管道、出气管道和出气端保温区。其中，加热器保温区包裹在加热器外，如图3所示，加热器保温区包括依次包覆的陶瓷海绵层2-1、玻璃纤维层2-2、以及橡塑海绵层2-3，最外面根据需要可用耐高温胶带2-4进行包裹。进气管道与加热器的进气端口相连，使得进气端均化区还作为进气导气区，出气管道与加热器的出气端相连，使得出气端均化区还作为出气端导气区，对于导气区而言，包括进气端导气片3-1和出气端导气片3-2；对于均化区而言，主要指石英管部分。进气端均化区和出气端均化区均在其径向中心钻单边孔，孔径与所采用进气管道和出气管道的外径一致，该单边孔可以用于放置温度传感器，实现温度采集。导气片与进气管道或出气管道之间采用焊接工艺连接；导气片与石英管之间采用耐高温树脂粘接。

为了实现对进气量进行控制，进气管道上设置有常温压力变送器6-1和质量流量计7-1。进气管道采用耐高温不锈钢金属管5。其中，耐高温不锈钢金属管5可以使用市售304不锈钢或316不锈钢金属管，其内径在2-10mm，外径在3-15mm之间；所述常温压力变送器6-1用于检测装置气路的实时压力，置于质量流量计7-1之后；所述质量流量计7-1用于精确计量进气的流量。

为了实现对出气量进行控制，出气管道上设置有耐高温压力变送器6-2、质量流量计7-2。出气管道采用耐高温不锈钢金属管5。所述耐高温压力变送器6-2用于检测装置气路的实时压力，置于质量流量计7-2之前；所述质量流量计7-2用于精确计量出气的流量。

为了实现对出气端的保温处理，出气管道还设置有出气端保温区，如图4所示，该出气端保温区包括依次包覆的加热带8、陶瓷海绵层2-1、玻璃纤维层2-2、以及橡塑海绵层2-3，外面根据需要可用耐高温胶带2-4进行包裹。其中，加热带8设置有加热带温度控制系统，所述加热带温度控制系统根据设置在加热带内的温度传感器采集到的温度与预设温度调整所述加热带的工作状态。其中，加热带8为市售电加热带，功率为50-200W。

在本实施方式中，加热器温度采用温度传感器进行采集，温度传感器探头放置点包括均化区和焦耳加热区，其中均化区分为进气端放置点4-1和出气端放置点4-2，温度传感器探头通过耐高温树脂粘接固定于均化区石英管预先开孔内。焦耳加热区可根据阵列数调整温度放置点，对于单个焦耳加热区，温度传感器探头放置于加热器保温区陶瓷海绵层2-1内径向中心即可。所述放置点的温度采集点对应图2中9-1、9-2和9-3。除了加热器温度采集以外，作为改进，需要采集出气端保温区的温度，温度传感器探头放置于出气端保温区加热带8内即可，对应温度采集点为图2中9-4。

如图5所示，本实施方式中的加热器控制系统包括PID温度控制器10-1、温度传感器10-2、PID温度显示器10-3、温度显示器供电用低压直流电源10-4、PID温度控制器和低压直流电源供电用交变电源10-5、固态继电器10-6、加热器电源用低压直流电源10-7。温度传感器10-2将采集到的温度反馈到PID温度控制器10-1，实现设定温度和实时温度的动态监测和调整，并调控所述固态继电器10-6，进而通过电极使所述低压直流电源实现直流电源10-7的开闭。温度传感器10-2还用于将采集到的温度反馈到PID温度显示器10-3，实现实时温度的动态监测。

其中，本实施方式中的低压直流电源为市售调节电源，电压分别为0V-30V和0-24V，电源仪器的供电由民用交流电源提供；0V-30V直流电源一端与加热器连接，一端与固态继电器10-6连接；0-24V为PID温度显示器10-2供电；交变电源为民用交流电源，电压为220V，为PID温度控制器10-1和交流接触器供电。固态继电器10-6为市售器件，四个接线端中输入端与PID温度控制器10-1相连接，输出端的其中一个接线端与加热器连接，另一个接线端与0-30V低压直流电源10-7连接。

如图6所示，本实施方式中的加热带温度控制系统包括PID温度控制器10-1、温度传感器10-2、PID温度显示器10-3、温度显示器供电用低压直流电源10-4、PID温度控制器和加热带电源用及低压直流电源供电用交变电源10-5、交流接触器10-8、加热带10-9。温度传感器10-2将采集到的温度反馈到PID温度控制器10-1，实现设定温度和实时温度的动态监测和调整，并调控所述交流接触器进实现交变电源的开闭，进而实现加热带的工作状态。

本实施方式将加热器连接到整个装置中后需要先检查气密性，检查时先用惰性气体吹扫排除空气和水汽，然后进行低压直流焦耳加热，并通过温度控制系统、温度显示系统和保温处理检测和调控加热器的温度。

在本实施方式中，气凝胶径向形变量为10％，施加直流电压为8.21V时(电流为1.123A)，在室温(24.1℃)下，加热器温度(9-2温度采集点)与时间的变化曲线，见图7所示。通过进气端鼓入30mL/min(7-1质量流量计读取)的室温气体，进加热器加热后流经出气端，在出气端均化区测定气体加热后的温度，相应高温气流温度(9-3温度采集点)与时间的变化曲线，见图8所示。从图中可以看出，加热器从室温升至最高温度(334.6℃)仅需40s，对应升温速率为为8.4℃/s，单位电压的温度升高值为40.8℃/V。出气端温度从室温升至最高温度(332.5℃)在45s达到最大值，对应升温速率为为7.4℃/s，单位电压的温度升高值为40.5℃/V。因此该加热装置表现出低能耗(9.22W)、响应快(7.4℃/min)的特点。

不难发现，本发明巧妙的结合三维碳气凝胶自身的导电属性，设计得到一种基于焦耳热效应的三维碳气凝胶基载体用加热器，该加热器可扩充阵列，整个加热过程具有低能耗、快启动的优点，在高温热催化领域中具有很好的发展潜力，为解决传统能源消耗问题提供新思路。本发明结合所设计的加热器，设计得到一种基于焦耳热效应的三维碳气凝胶基载体用加热装置，该装置简单有效，可以对温度的有效调控，进而实现对气流的加热温度调控，为实现碳气凝胶在高温热催化领域的技术应用提出新方案。