一种对开式辐射加热炉及炉体的制作方法
【专利摘要】一种对开式辐射加热炉及炉体，属于实验室加热设备领域。为了解决现有实验室加热设备存在快速升降温性能差、性价比低的问题。所述炉体由两个分瓣构成，每个分瓣上具有凹陷的型腔，且每个分瓣的壁体上具有用于循环冷却液流经的通道，两个分瓣对合在一起时，两个型腔构成圆柱形炉膛，圆柱形炉膛的壁面为光洁面。热炉包括加热元件、炉体和温控器，加热元件为辐射加热管；炉体包含壁面为光洁面的圆柱形炉膛；辐射加热管靠近被加热物体的表面布设；被加热物体表面涂覆高发射率涂料以强化其辐射吸热；炉体设置气体吹扫通道以实现炉膛的快速冷却降温；循环冷却液流经全部炉壁确保全部镜壁的冷却。本实用新型可用于加热管式反应器。炉体紧凑，性价比高。
【专利说明】
一种对开式辐射加热炉及炉体
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种对开式辐射加热炉及炉体，属于实验室加热设备领域，特别是管式反应器的加热设备领域。
【背景技术】
[0002]实验室常规加热炉一般采用耐火材料或者低导热材料作为保温层;热容量大、导热系数低导致热惯性大，加热和降温速率低(通常慢于30°C/min)，加热炉维护和电热元件更换不便。公开号分别为 CN86207267、CN101685052A、CN201222023、CN104011491A 的专利申请公开了一类采用椭圆型柱面或者抛物柱面定向反射辐射光实现物体加热升温的电加热炉，这些发明将光线定向并集中发射至被加热物，可实现被加热物的快速升温，通常用于材料领域小尺寸样品的热处理，其用于加热管式反应器时的不足之处在于:1.椭圆型柱面、抛物柱面和加热管的安装位置的加工精度要求高，加工成型的难度大、费用高;2.致使被加热物升温的红外热线绝大部分来自于反射面，加热性能高度依赖反射面的表面质量，故反射面通常要求高质量的抛光加工和高性能的反射镀层，加工成本高，要求精心维护，使用不便且维修困难。3.无实现被加热物快速降温的技术措施，不利于管式反应器的快速降温;4.炉膛端部的壁面散热条件差，接出电缆和密封元件没有可靠屏蔽高温，不能长期(例如连续2小时)加热物体，使物体处于稳定的高温状态(例如1000 °C)；5.微型化、集成化、结构友好和操控便捷等使用性能不够好。
[0003]现有实验室加热设备不能满足快速升降温、性价比高、适于大规模推广的要求，因此研究和开发一种加工容易、升降温性能优异、结构紧凑、使用便捷友好、性价比高、做工精致的电加热炉对于提高实验技术水平，特别是提高使用管式反应器分析高温气固反应的测试技术水平，具有重要价值。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的在于提供一种对开式微型辐射加热炉及炉体，以解决现有实验室加热设备存在快速升降温性能差、性价比低的问题。
[0005]本实用新型为解决上述技术问题采取的技术方案是:
[0006]本实用新型提供一种对开式辐射加热炉的炉体，所述炉体由两个分瓣构成，每个分瓣上具有凹陷的型腔，且每个分瓣的壁体上具有用于循环冷却液流经的通道，两个分瓣对合在一起时，两个型腔构成圆柱形炉膛，圆柱形炉膛的壁面为光洁面。
[0007]所述壁面可为表面粗糙度小于0.4μπι(或法向发射率低于0.12)的金属抛光面。更精密地，壁面可采用表面粗糙度小于0.05μπι(或法向发射率低于0.05)的金属抛光面。
[0008]所述壁面也可镀上金膜、铬膜、镍膜、铝膜中的一种或多种，或者喷涂红外反射涂层。
[0009]所述通道分布在分瓣的侧壁及其两个端部。即所述循环冷却液可设计为流经分瓣的侧壁及其两个端部;两个端部设置安装辐射加热管的通孔，辐射加热管的头部和分瓣的端部通过O型密封圈固定和密封，所述通孔壁面受循环冷却液冷却。
[0010]所述炉体可设置用气体吹扫炉膛的进气流通道。可选地，炉体设置用气体吹扫炉膛的气流出口通道。
[0011]本实用新型还提供一种对开式辐射加热炉，所述加热炉包括辐射加热管、温控器以及如前技术方案所描述的炉体;圆柱形炉膛放置被加热物和靠近布设在被加热物周围的辐射加热管，热电偶用于测量被加热物的温度;温控器接收热电偶测得温度信号后对辐射加热管的电加热功率进行反馈控制；辐射加热管发射的一部分光直接照射被加热物的表面，另一部分光通过圆柱形炉膛的壁面反射后照射被加热物的表面，其余光被圆柱形炉膛的壁面和辐射加热管吸收。
[0012]对所述的对开式辐射加热炉进一步限定，所述被加热物周围可布置2?8根辐射加热管。
[0013]对所述的对开式辐射加热炉进一步限定，所述辐射加热管可为碘钨灯，其中钨丝螺旋体外径< 3mm，碘钨灯的石英管外径为1?14mm。
[0014]被加热物表面涂覆高发射率涂料层。所述被加热物表面可涂覆高发射率涂料层，高发射率涂料可以为纳米碳化硅涂料。
[0015]对所述的对开式辐射加热炉进一步限定，所述加热炉还包括外壳、直线轴承和滑动轴和连接件，所述外壳包括固定侧和活动侧，一个分瓣安装在固定侧内，另一个分瓣安装在活动侧内，固定侧和活动侧通过直线轴承、滑动轴和连接件连接，在加热时，固定侧和活动侧闭合。
[0016]本实用新型所述对开式辐射加热炉可以作成微、小型辐射加热炉，即所述圆柱形炉膛直径为50?120mm、高度为100?400mm。
[0017]本实用新型的原理为:采用光洁甚至抛光的圆柱形炉膛(圆筒形镜壁)，使其可由车削、铣削、研磨等廉价方式组合加工获得。辐射加热管靠近被加热物布置，辐射加热管中通电的高温钨丝(最高工作温度可达3000 0C)发射出红外热线，一部分热线直接照射被加热物;不能直接照射被加热物的红外热线则发射到炉膛的镜壁，镜壁反射红外热线，反射出的一部分热线可照射到被加热物，经多次反射也不能射到被加热物的热线被被保温装置和辐射加热管吸收。所有照射到被加热物的热线对被加热物起加热升温的作用。因此辐射加热管靠近被加热物布置可以以提高辐射加热管对被加热物的角系数，以及提高光线反射后照射到被加热物表面的比例，从而增强了被加热物吸收辐射加热管辐射热的强度。
[0018]发射率低的光洁面降低了辐射散热量，从而阻止了被加热物的热量散失，起到保温作用。采用循环冷却液(水或油)冷却炉膛壁面防止其不断升温。炉体采用金属材质和圆筒形镜壁便于加工成型并提高洁净度。炉体采用对开式并用直线轴承、滑动轴和紧固件连接，方便反应器的安装，拓宽应用范围并大大提高操作使用的效率。辐射加热管头部安装在水冷却的通孔中，防止接出电缆和密封元件超温发生危险。采用常温冷态气体吹扫炉膛提高冷却速度。被加热物表面涂覆纳米碳化硅涂料等高发射率涂料，使被加热物表面的发射率远高于炉膛中的其它表面发射率，以提高加热效率。
[0019]本实用新型的有益效果是:本实用新型采用的圆筒形镜壁相比于椭圆型柱面或抛物柱面，加工难度小、成本低。本实用新型弥补现有实验室加热设备在快速升降温性能和性价比方面的不足。辐射加热管靠近被加热物布置可以增强被加热物吸收辐射加热管辐射热的强度。本实用新型的传热设计注重辐射加热管直接被加热物的加热作用，从而避免了对光路的高位置精度和镜壁的高表面质量的依赖。被加热物表面涂覆高发射率涂料提高了加热效率。辐射加热管头部安装在水冷却的通孔中，提高了使用的可靠性，使电加热炉可以长时间保持在高温。采用常温冷态气体吹扫炉膛提高冷却速度。炉体采用对开式并用直线轴承、滑动轴和紧固件连接，方便管式反应器的安装，拓宽了电加热炉的应用范围且结构友好、操控便捷。本实用新型对于含电加热炉的仪器和实验装置实现微型化、整洁化、美观化和高端化，具有较高的应用价值和广阔的应用前景。
[0020]本实用新型公开的对开式微型辐射加热炉的炉体包含壁面为光洁面的圆柱形炉膛;辐射加热管靠近被加热物体的表面布设;被加热物体表面涂覆高发射率涂料以强化其辐射吸热；炉体设置气体吹扫通道以实现炉膛的快速冷却降温;循环冷却液流经全部炉壁确保全部镜壁的冷却。最高可加热温度高于1200°C。本实用新型可用于加热管式反应器，相比于现有技术的突出优势:热容量低，可实现管式反应器300 0C每分钟以上的快速升温、700°C每分钟以上的快速降温和土 1°C的准确稳温；易于加工、使用和维护。炉体紧凑，性价比尚O
【附图说明】
[0021]图1示意的是本实用新型的传热原理，即有效红外热线的光路；图2是炉体结构示意图；图3是采用2根辐射加热管的布置示意图；图4是采用4根辐射加热管的布置示意图；图5是采用6根辐射加热管的布置示意图；图6采用8根辐射加热管的布置示意图；图7是一种对开式微型辐射加热炉的整体结构设计图；图8示意了本实用新型的一个应用实例的实际加热和降温效果。
[0022]其中:1-辐射加热管；2-石英管；3-钨丝螺旋体;4-被加热物；5-被加热物的外表面;6-高发射率涂层;7-壁面;8-进气流通道;9-温控器；10-热电偶；11-气流出口通道；12-冷却液通道;13-炉体;14-固定侧；15-炉膛热气引出及冷却换热管；16-炉膛吹扫气入口管；17-固定侧冷却液流通管；18-活动侧冷却液流通管；19-止动销;20-滑动轴;21-活动侧接出电缆引管;22-活动侧;23-合紧螺钉。
【具体实施方式】
[0023]【具体实施方式】一:结合图1和图2的结构示意图说明本实施方式。本实施方式所述的一种对开式辐射加热炉的炉体，由两个分瓣13-1构成，每个分瓣13-1上具有凹陷的型腔13-2，且每个分瓣的壁体上具有用于循环冷却液流经的通道13-3，两个分瓣13-1对合在一起时，两个型腔13-2构成圆柱形炉膛，圆柱形炉膛的壁面7为光洁面。
[0024]【具体实施方式】二:结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中，所述光洁面(壁面7)为表面粗糙度小于0.4μπι的金属抛光面或法向发射率低于0.12的金属抛光面，通过粗车、精车、粗铣、精铣、研磨、电化学抛光等多种加工方式的各种组合加工实现。该方式采用常规廉价的方式获得满足要求的镜壁7，避免了以定向反射为基础的椭圆型柱面或抛物柱面对镜壁表面粗糙度的严苛要求，便于制造和使用。本实施方案的其它组成和连接关系与【具体实施方式】一相同。
[0025]【具体实施方式】三:结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中，更精密地，壁面7可采用表面粗糙度小于0.05μπι(或法向发射率低于0.05)的金属抛光面。即所述光洁面为表面粗糙度小于0.05μπι的金属抛光面。镜壁7可加工为表面粗糙度小于0.05μπι或法向发射率低于0.05的金属抛光面，通过粗车、精车、粗铣、精铣、研磨、电化学抛光等多种加工方式的各种组合加工实现。该方式使得壁面7的保温性能更好，使得加热温度可高于1200°C，并且可降低加热的电耗。本实施方案的其它组成和连接关系与【具体实施方式】一或二相同。
[0026]【具体实施方式】四:结合图1和图2说明本实施方式。本实施方式中，所述圆柱形炉膛的壁面镀有金膜、铬膜、镍膜、铝膜中的一种或多种，或者喷涂红外反射涂层。该方式使得壁面7的红外发射率进一步降低，保温性能更好。本实施方案的其它组成和连接关系与【具体实施方式】一、二或三相同。
[0027]【具体实施方式】五:结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中，所述通道13-3分布在分瓣13-1的侧壁及其两个端部。循环冷却液设计为流经圆筒形壁面7和炉膛端部;炉膛端部设置安装辐射加热管I的通孔，辐射加热管I的头部和炉膛端部通过密封圈固定和密封，所述通孔壁面受循环冷却液冷却。该方式使得辐射加热管I的端部得到有效冷却，可避免接出电缆和密封元件超温工作，从而提高电炉的可靠性和连续工作的时长。本实施方案的其它部分组成和连接关系与【具体实施方式】一至四中任一实施方式相同。
[0028]【具体实施方式】六:结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中，炉体13设置用气体吹扫炉膛的进气流通道8。停止加热并需要快速降温时，冷态的压缩气体通过进气流通道8定时吹扫炉膛实现被加热物体的快速降温。本实施方案的其它部分组成和连接关系与【具体实施方式】一至五中任一实施方式相同。
[0029]【具体实施方式】七:结合图1至6说明本实施方式，本实施方式中的一种对开式辐射加热炉，包括辐射加热管1、温控器9以及如【具体实施方式】一至六中的任意【具体实施方式】所述的炉体13 ；圆柱形炉膛放置被加热物4和靠近布设在被加热物4周围的辐射加热管I，热电偶10用于测量被加热物4的温度;温控器9接收热电偶10测得温度信号后对辐射加热管I的电加热功率进行反馈控制；辐射加热管I发射的一部分光直接照射被加热物4的表面，另一部分光通过圆柱形炉膛的壁面7(镜壁7)反射后照射被加热物4的表面，其余光被圆柱形炉膛的壁面7(镜壁7)和辐射加热管I吸收。
[0030]圆柱形炉膛的壁面7具有保温作用，被加热物4置于保温装置内炉膛的中央，辐射加热管I平行于圆筒形镜壁7的轴线安装于被加热物4的周围，并靠近被加热物4的表面;这种设计方式使得辐射加热炉的热容量远远低于以耐火材料和隔热材料为保温层的常规加热炉，因此热惯性小，利于加热对象的快速升降温，性能远优于常规加热炉。而且采用的圆筒形镜壁7与材料热处理领域用到的椭圆型柱面或抛物柱面相比，加工难度和成本大幅降低，可较好地用于加热实验室的管式反应器。辐射加热管靠近被加热物4布置，可以增强被加热，4吸收辐射加热管I之辐射热的强度。这种传热设计注重辐射加热管I对被加热物4的直接加热作用，从而避免了对光路的高位置精度和镜壁7的高表面质量的依赖。
[0031 ]【具体实施方式】八:结合图1?图6说明本实施方式，所述被加热物(4)周围布置2?8根辐射加热管(I);所述辐射加热管(I)为碘钨灯，所述碘钨灯的钨丝螺旋体(3)外径小于等于3mm，碘钨灯的石英管(2)外径为10?14mm。本实施方式中，被加热物4周围布置2?8根辐射加热管I。其中大多数情况可以布置4根或6根辐射加热管I;加热温度可需要高于1200°C时，布置6根或8根辐射加热管I。辐射加热管I均匀地布置于被加热物4的周围。该方式便于制造和使用。本实施方式中，辐射加热管I为碘钨灯，钨丝螺旋体3外径小于3mm，碘钨灯的石英管2外径为10?14_。该方式成本低且便于制造和使用。本实施方案的其它组成和连接关系与【具体实施方式】七相同。
[0032]【具体实施方式】九:结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中，被加热物4表面涂覆高发射率涂料层6 ο高发射率涂料层6可选用纳米碳化硅涂料，其发射率高于0.9，可使被加热物4高效地吸收辐射热，从而提高了加热效率。本实施方案的其它部分组成和连接关系与【具体实施方式】七或八相同。
[0033]【具体实施方式】十:结合图1?图7说明本实施方式。本实施方式所述对开式辐射加热炉还包括外壳、直线轴承和滑动轴20和连接件，所述外壳包括固定侧14和活动侧22，一个分瓣13-1安装在固定侧14内，另一个分瓣13-1安装在活动侧22内，固定侧14和活动侧22通过直线轴承、滑动轴20和连接件连接，在加热时，固定侧14和活动侧22闭合。
[0034]保温装置的对开式炉体13的固定侧14和活动侧22通过直线轴承、滑动轴20和紧固件连接，固定侧14和活动侧22由合紧螺钉23或者搭扣实现闭合实现闭合。炉体13采用对开式并用直线轴承、滑动轴20和紧固件连接，方便反应器的安装，拓宽应用范围并大大提高操作使用的效率;而且使得加热炉的结构友好、操控便捷，利于含电加热炉的仪器和实验装置实现微型化、整洁化、美观化和高端化。本实施方案的其它部分组成和连接关系与【具体实施方式】七至九中任一实施方式相同。
[0035]举一实施例以更清楚地理解本实用新型的实施方式和效果，如图8所示。
[0036]实施例:被加热对象为一管式石英流化床反应器，反应器石英壁厚2mm，内径为20mm，反应器中部设置石英砂烧结的多孔筛板，0.35标准升每分钟的氩气流自下而上流经多孔筛板，多孔筛板之上是4.2克平均粒径为120微米的石英砂形成的微型流化床。应用本实用新型，将热电偶10伸入微型流化床内测温，通过程序控制微型流化床的升降温。采用图7的结构形式设计和制造加热炉。其中炉膛内径70mm、高度220mm，布置4根外径为1mm的碘钨灯，单只碘钨灯额定工作电压AC220V、满功率lkW，循环冷却水流量lL/min，PID控制周期0.25s。碘钨灯轴心线和炉膛轴心线距离21_。微型流化床及以下的反应器外壁涂覆纳米碳化硅涂料。设置升温程序为:自30°C起经3min加热至950°C，然后经3min加热至1000°C，而后稳定在1000°C，最后在停止加热的同时开启压缩空气吹扫炉膛。监测的微型流化床内温度曲线如图8所示。可以看到扣除控制滞后的影响因素后，微型流化床可以很好地按照设定程序完成线性升温，温度可以稳定在1000±0.5°C。降温段温度自1000°C经过32s即可降到6000C ;经过54s即可降到4000C，降温速率可达736°C/min。加热炉的操作和使用方便快捷。该电炉的造价不到采用椭圆型柱面或抛物柱面的相近规格电炉造价的一半，性价比非常高。该实施例由于采用全金属材质，避免了常规电炉中莫来石纤维或陶瓷纤维保温层使用过程出现的掉落粉末的现象，直接提高了微型流化床反应分析仪的整洁化程度，整体美观耐用，利于提高仪器的制造水平。而且金属结构和模块化设计使得碘钨灯的更换便捷高效，单支碘钨灯成本低于300元，因此碘钨灯即使在意外击碎的情况下，也可在很短时间内完成更换，相比于传统电炉，维护和维修十分便捷。
【主权项】
1.一种对开式辐射加热炉的炉体，其特征在于:所述炉体(13)由两个分瓣(13-1)构成，每个分瓣(13-1)上具有凹陷的型腔(13-2)，且每个分瓣的壁体上具有用于循环冷却液流经的通道(13-3)，两个分瓣(13-1)对合在一起时，两个型腔(13-2)构成圆柱形炉膛，圆柱形炉膛的壁面(7)为光洁面。2.根据权利要求1所述的一种对开式辐射加热炉的炉体，其特征在于:所述光洁面为表面粗糙度小于0.4μπι的金属抛光面。3.根据权利要求2所述的一种对开式辐射加热炉的炉体，其特征在于:所述光洁面为表面粗糙度小于0.05μηι的金属抛光面。4.根据权利要求1、2或3所述的一种对开式辐射加热炉的炉体，其特征在于:所述圆柱形炉膛的壁面镀有金膜、铬膜、镍膜、铝膜中的一种或多种，或者喷涂红外反射涂层。5.根据权利要求1所述的一种对开式辐射加热炉的炉体，其特征在于:所述通道(13-3)分布在分瓣(13-1)的侧壁及其两个端部。6.根据权利要求1所述的一种对开式辐射加热炉的炉体，其特征在于:所述炉体(13)设置用气体吹扫炉膛的进气流通道(8)。7.—种对开式辐射加热炉，其特征在于:所述加热炉包括辐射加热管(I)、温控器(9)以及如权利要求1至6中的任意权利要求所述的炉体(13);圆柱形炉膛放置被加热物(4)和靠近布设在被加热物(4)周围的辐射加热管(I)， 热电偶(10)用于测量被加热物(4)的温度;温控器(9)接收热电偶(10)测得温度信号后对辐射加热管(I)的电加热功率进行反馈控制； 辐射加热管(I)发射的一部分光直接照射被加热物(4)的表面，另一部分光通过圆柱形炉膛的壁面(7)反射后照射被加热物(4)的表面，其余光被圆柱形炉膛的壁面(7)和辐射加热管(I)吸收。8.根据权利要求7所述的一种对开式辐射加热炉，其特征在于:所述被加热物(4)周围布置2?8根辐射加热管(I);所述辐射加热管(I)为碘钨灯，所述碘钨灯的钨丝螺旋体(3)夕卜径小于等于3mm，碘妈灯的石英管(2)外径为10?14_。9.根据权利要求8所述的一种对开式辐射加热炉，其特征在于:被加热物(4)表面涂覆高发射率涂料层(6)。10.根据权利要求9所述的一种对开式辐射加热炉，其特征在于:所述加热炉还包括外壳、直线轴承、滑动轴(20)和连接件，所述外壳包括固定侧(14)和活动侧(22)，一个分瓣(13-1)安装在固定侧(14)内，另一个分瓣(13-1)安装在活动侧(22)内，固定侧(14)和活动侧(22)通过直线轴承、滑动轴(20)和连接件连接，在加热时，固定侧(14)和活动侧(22)闭入口 ο
【文档编号】F27D19/00GK205537128SQ201620360349
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】孙绍增, 郭洋洲, 赵义军, 孟顺, 刘鹏, 唐文博
【申请人】哈尔滨工业大学