热锚改进温度一致性

To maintain a uniform temperature in such situations, all the sources of heat gain and loss must be considered. Often the supporting structure for the container is a significant heat loss path. Heating the supports will help, but unless the temperature at the support is independently controlled, the temperature uniformity can be degraded for variations in boundary conditions or set-point temperatures. An independent zone of temperature control at a support, or thermal anchor, can be used to control the temperature of the support at its interface with the container which can substantially improve the temperature uniformity inside the container for a range of conditions. 很多过程都要求容器（罐、瓶、容器、烤炉）内的原料保持一致的温度。在很多案例中，这种一致的温度必须是可选择的，意味着必须适应各种设定点温度，也必须适应多种范围的条件。这些类型的热系统的案例包括热处理、烧结炉、固化炉、过程仪表的外围加热设备、发酵槽和材料属性测试燃烧室。 为保持这些环境中一致的温度，必须考虑所有热增量和热损失的来源。通常，容器的支架是重要的热损失途径。加热这些支架将会对温度一致性有所帮助，但是除非独立控制支架的温度，边界条件或设定点温度的变化将会降低温度一致性。在支架或热锚上，温度控制的独立区域能控制与容器表面接触的支架温度，因此它在各种条件下能极大改进容器内部的温度一致性。 几何模型 为帮助说明概念，使用一个在一端支撑的柱状容器的简化模型。该模型假设容器是垂直的，并包含用于注入或排泄柱状容器内样品的中心管道。该模型也假设容器内部分填充原料，可以是样品、原料、工件或其他必须保持一致温度的物质。表示结构和任何相关机器相对大的部件位于圆柱体的上端，表示电气加热器的特点位于柱状容器的外壳以及被建模成用于分析的几种功率分布配置。 图1说明了用于分析的几何模型例子。这个几何模型的热分析包括模型各个部分的建造和对环境的对流和辐射热损失。二维的，轴对称的，有限元的，稳态的几何模型表示法用于说明模型热行为的热分析。为帮助理解概念，已经选择柱状容器底部的热边界条件来接近良好隔热的表面从而简化模型。能容易地把这些概念推广到更复杂的几何模型和边界条件。在研究案例中，传感器的地点固定，从而能有效地比较设定点温度。每个案例使用的传感器位置在相应的图中都有对应。 图1几何模型 案例1 一致的热分布 第一个调查案例假设加热器的表面区域功率（发热率）分布一致。一般的误解是一致的功率分布将产生一致的温度分布。图2显示一致的功率分布并不产生一致的温度。 图2 加热一致的容器内（样品）的温度分布 直观理解温度非一致性的原因是通过认识绝大部分热是沿着容器壁向上流动得到的，因此必须被加热器取代。因为加热器设计成产生一致的热，取代的热必须在加热器的整个表面产生，必须通过传导、对流或辐射从加热器流动到其他地点。 直到存在温度差时，热才流动。因此远离热损失地点产生的取代热将导致温度梯度。图2显示容器内的温度分布范围期待超过34℃间隔（样品温度范围是81-115℃）。已经考虑到设定点是100℃（在加热器与容器之间传感器的虚拟位置，距离如图1所示传感器位置1的容器底部0.138米）时有极差的结果。要注意的是，图2中视图的颜色比例是不同的，它们显示在每个温度分布图的右边。 图3显示沿着本文各个案例讨论的模型的垂直中心线的温度分布图。 图3的横轴表示从容器的底部到模型各个位置以米为单位的垂直尺寸。图3的纵轴对应模型中各个位置的温度。 对应图3的曲线表明设定点为100℃时，产生一致的热。假设容器是用加热的材料（见图2中标明的样品）部分填充，随着垂直中心线穿过加热材料及其之上的空间之间的范围，在温度曲线斜面上发生突变。斜面上类似的突变存在于空间和表示结构与机器的大量物质之间的区域。斜面上的这些突变是相邻区域（例如，样品与空气）材料属性不连续的结果。 图3 在各种条件下沿着模型中心线的温度分布 案例2 设定点为100℃时的加热区域 第二个调查案例包括一个设计用于产生分布在两个区域之间功率的加热器，以便优化100℃设定点时的温度一致性。这两个区域在图1中分别被标为“加热器上部区域”和“加热器底部区域”。就像案例1一样，在传感器位置1测量设定点温度。 因为大部分热损失是通过传导沿着容器壁向上流动的，为了在被控温度范围内保持样品温度一致性，所以加热器上部每单元区域必须比加热器的其他地方产生更多的热。优化在加热区上部2英寸（0.05米）的热产生如图4所示的温度分布。 图4 设定点为100℃时，优化功率分布后的温度分布 正像图4样品的温度范围所证明的一样，理论上能精确控制建模系统的温度一致性。样品的温度与传感器位置1的温度相差不超过0.25℃。选择模型时还要注意：容器的附件是热损失的主要来源以及已经最小化其他潜在的散热（例如，容器底部和样品中心注入管道）。如果其他的潜在散热很大，发热的额外区域和各种功率密度潜在地需要实现相似的温度一致性。此处也忽略传感器和控制器误差的影响。 图3显示保持样品（例如，0.21米）温度一致性对应案例2中标为“100℃时的功率分布”曲线。 案例3 加热器的温度增加到400℃ 如果案例2的加热器用于更高设定点的温度，温度一致性将受到损害。案例2的加热器能产生额外的功率去增加容器的温度，而它设计用于产生两个区域之间固定比率的功率。在案例2，优化100℃设定点时的这个比率。然而，在400℃设定点，通过沿着容器壁向上传导的散热相对总散热的比例不同于案例2。因此，具有固定功率分布的加热器不能满足两个设定点温度的要求。各种非线性温度的效果依赖这个条件。辐射、自由对流和根据温度变化而变化的热传导是非线性效果的例子。 从图5中可以看到，期待这个系统的温度变化在数十摄氏度的数量级上，比案例2大一个数量级。案例3的加热器上部产生太多的热，导致样品上部零件的温度增高。这导致要求保持更低温度设定点的加热器的性能降低，因此样品下部温度在设定点以下。图3标明“设定点400℃时，100℃时的功率分布”的曲线对应案例3.这个曲线采集样品下部的温度降低量，而屏蔽样品上部的温度偏差，因为图是沿着垂直中心线以及“热点”是接近轨迹的。 就像以前的案例，这个案例的虚拟传感器位于传感器位置1，位于加热器与容器壁之间，距离容器底部0.138米的位置。 图5 设定点400℃，100℃时优化功率分布后的温度分布 案例4 热锚用于各种范围温度的一致性 为了克服案例3所说明的问题，应使用热锚。热锚是发热区，位于样品被控温度与散热器之间，独立控制温度。根据热锚的性能，它可被视为热缓冲器——有源热屏蔽或阻热器。该特点允许加热器上部区域的发热比例随着不同温度量程的传感器提供不同的信号函数。 恰当地安装传感器，温度控制的其他区域允许在一定范围的设定点温度和环境条件下改进温度的一致性。为比较图5所示的温度分布，图6说明了400℃时系统模型的温度分布。此处的模型比案例3中的温度一致性具有数量级的改进。案例4的温度偏离设定点温度小于1℃。为了实现这个改进，控制加热器上部提供的功率从而实现图1中传感器位置2（在加热器与容器壁之间，在加热器上部截面的下面，距离容器底部9寸或0.23米）的温度保持400℃。控制加热器其他区域从而实现传感器位置1（与上述三个案例中传感器的位置相同）有相同的温度（400℃）。 图3标为“设定点为400℃时的热锚”的曲线进一步说明了温度分布。一定要注意系统（包括仿真结构体）的总体温度变化，通过比较图5与图6以及比较图3中的曲线，你能发现它们仍然非常相似。然而，案例4中的高温梯度区域限制在样品之外。 图6 400℃时的温度分布和分布到两个独立控制区域的功率 传感器的安装地点非常重要。图3中标明“设定点为400℃，安装位置不当的传感器”的曲线说明了这点。该曲线显示沿着垂直中心线的温度，该传感器安装在加热器上部区域（上述案例4的区域）而不是加热器上部区域的下方。位于加热器上部区域中心的传感器（在图1中标明的传感器3位置）极大降低温度的一致性。因为加热器上部区域产生的热非常多，在传感器下部，传感器与样品之间，传感器下部的温度比设定点温度更高，反而影响样品的温度一致性。为了避免其他系统出现类似的问题，应把传感器安装在样品被控温度与产生热的独立被控区域之间。 结论 在“加热的容器系统”上的许多变化在实验室和工业应用中也是可能发生的。保持紧密控制加热容器内所有位置的温度要求系统设计成能以保持温度一致性的方式补偿热损失。如