CN111457585B - 一种高温纯净空气加热器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高温纯净空气加热器,包括耐压壳体(1),炉箅(2),进气管(3),隔热层(4),内衬筒(5),出气管(6),上盖板(7),紧固螺栓(8),刚玉件(9‑1,9‑2,9‑3),电热组件(10),换热组件(11),电源接头(12),支架(13);耐压壳体(1)内安装隔热层(4),电热组件(10)与换热组件(11)上、下组合,每个电热组件(11)位于换热组件(10)下部;换热组件(11)的换热管按照渐开线螺旋布局并上下串联,接口采用锥盘形状插接;装置下部为进气管(3),上部为出气管(6)。根据本发明的空气加热器,气流的流通路径长,换热面积大,出口气流温度稳定;换热组件立式布局,内部隔热层受力均匀,便于制造加工,安装方便。
Description
技术领域
本发明涉及空气动力学领域,具体而言,涉及一种高超声速风洞主气流预热设备,一种纯净空气加热装置,属于高超声速风洞技术领域。
背景技术
目前用于常规高超声速风洞的加热方式,有两种;即热式和蓄热式。
即热式加热器,由于要求较大的电功率,一般实验室采用难度大;一般研究型试验设备,运行次数有限,利用率小,常规实验室都不提供大功率的电源设备,限制了这种加热器的应用。例如,高超声速风洞中,即热式电加热器需要很大的电功率,以及电源调节设备,CARDC的风洞需要 8000KW电功率,对于小型风洞FD-03高超声速风洞,单是二级加热器,也需要至少400KW电功率;
蓄热式加热器,在国内外高超风洞设备上广泛应用;按照预热方式分类,有燃料预热和电预热两种方式。
采用燃料预热,可以提供快速,大功率的高温预热功率,但是,需要排烟道,和耐高压烟道阀等辅助设备,投资大,而且燃料燃烧不充分,容易在蓄热体上形成积碳,有潜在的气流污染风险;另一个重要问题,预热温度高时,蓄热体长度有限制,排气温度会很高,废热难以回收,排到大气中,浪费严重。
电预热方式比较干净、工艺成熟,是一种常用的空气加热方式;电阻加热元件的布局均匀,高温合金材料,发热体工作温度可达到1100℃,预热蓄热体800℃,能满足试验室纯净空气的加热需求;电热元件的形状有棒状,带状,管状;
但是,现有的电蓄热式加热器,蓄热体均为单一换热通道布局,设计的加热器,换热通道面积按流量给定,加热器长度就确定了;受设备场地限制,长径比难以取得太大,会出现换热通道过短的问题;气流在蓄热体通道内的停留时间短,出口气流的温度就会达不到要求;如果单纯提高蓄热体的预热温度,会造成加热器超温,出现安全问题;
另外,目前单一通道的竖直安装的加热器,由于空气对流,上部温度就会不受限制的持续升温,炉顶温度很高;给使用安全造成影响。
加热器的实际应用中,避免蓄热材料受到气流的冲击,会在风洞的加热器出口安装高温快速阀,这是很困难的事情;这个阀门必须耐高温高压,启闭速度要快;工业品一般无此类阀门,花费很多的资金来设计此类阀门;这给风洞的规划,带来很***烦。
目前的加热器形式,包括板式加热器,卵石床加热器,蜂窝体加热器等,换热气流会混入隔热层的脱落粉体和电热元件的氧化皮碎屑,给气流造成污染;风洞中,也想采取过滤器除尘的方式,消除这些影响,但是,过滤网难以承受高温高压气流的冲击,选材和结构设计,一直没有找到合适的办法,来解决这一问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是,克服现有技术的不足,提供一种洁净无污染,输出高温高压气流,易于加工制造的风洞气流加热装置。
本发明解决以上技术问题的技术方案如下:一种高温纯净空气加热器,包括耐压壳体,炉箅,进气管,隔热层,内衬筒,出气管,上盖板,电热组件,换热组件,电源接头;
耐压壳体底部通过炉篦作为底部支撑,用于安装隔热层、内衬筒;隔热层包裹在内衬筒上,内衬筒壁面 上开通气孔;电热组件通过绝缘座安装在内衬筒内,换热组件通过隔热支座安装在内衬筒内,二者上下布局且换热组件位于电热组件上部,换热组件上下串接且之间无对流;进气管通过与换热组件相连,由出气管引出;电热组件通过电源接头,引出电源,最上部换热组件的上方安装上端盖,耐压壳体上部与上盖板密封连接。
优选的,所述的上盖板为三层结构,最外层为耐压外壳,材料与耐压壳体相同,中间为隔热层,最内层为圆球冠形状的拱顶内衬;拱顶内衬固定在上盖板上且其上开平衡气孔,平衡气 孔尺寸与内衬筒上通气孔一致,所述的隔热层固定在拱顶内衬上。
优选的,所述的换热组件由换热管采用螺旋、渐开线形状绕制而成;上下两件换热管接通成为一组换热组件,具体为两件换热管上下放置,最外侧的换热管接头焊接连通,盘状中心内侧接头一端为进气口,一端为出气口,换热组件之间的上下串接通过进气口、出气口之间的接口采用锥盘形状插接完成,换热组件与进气管、出气管之间通过螺纹连接。
优选的,所述的绝缘座采用刚玉铸造而成,通过凸起绝缘隔离发热元件,中心凸起设置通孔用于换热组件的上下串接。
优选的,所述的绝缘座、隔热支座在内衬筒内上下对接,外部组成一个圆筒形状,与圆筒最上部的上端盖一起构成绝缘筒,绝缘筒材质优选刚玉。
优选的,所述的炉篦为带蜂窝状开孔的金属板。
优选的,所述耐压壳体同侧壁面上,安装进气管和出气管,二者均采用法兰盘固定。
优选的,所述电源接头,安装在耐压壳体侧壁上,接线柱通过绝缘密封,引入电源。
优选的,所述出气管与换热组件的接口处开孔,实现换热管内部与耐压壳体内部空间相通。
优选的,还包括用于安装测温测压排架的测量装置,所述测量装置位于耐压壳体的上盖板位置。
本发明与现有技术相比,优点体现在:
(1)换热管组件作为加热器的蓄热体和对流换热体,结构紧凑,气流不受污染;螺旋管形式的换热管长度达到几十米,换热充分,热量损失小,主气流快速达到要求的温度,能够缩短风洞启动时间,减少风洞气源消耗。
(2)采用立式安装加热器,隔热层受力小且均匀,耐压筒体内可以布局较厚的隔热层,不受结构限制,隔热效果好,蓄热温度高。
(3)根据主气流在换热管内流动,耐压筒体内气体是静止的,上下换热管之间用刚玉隔热座隔离,热对流受到限制,炉顶温度升温慢,减小运行时高温风险。
(4)采用换热管的电预热加热器,由于加热器换热管内的气体内外压差相等;设计合适的流速;可不安装类高温高压截止阀设备,降低风洞设备高温高压条件下的运行风险;
(5)易于加工制造,便于调整更换。
附图说明
图1为纯净空气加热器结构图;
图2-1为上盖板截面图;
图2-2为上盖板俯视图;
图3-1为上盖板的拱顶内衬截面图;
图3-2为上盖板的拱顶内衬俯视图;
图4-1为炉篦截面图;
图4-2为炉篦俯视图;
图5为气路进口截面图;
图6为电热元件截面图;
图7-1为刚玉盖板截面图;
图7-2为刚玉盖板俯视图;
图7-3为刚玉绝缘、隔热支座组合截面图;
图7-4为电热元件绝缘支座截面图;
图7-5为换热管隔热支座截面图;
图8-1为换热管组件截面图;
图8-2为换热管组件俯视图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明,相同的附图标记表示相同的部件,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。
一种高温纯净空气加热装置,为一种通过无污染的方式获得高温气流,相对于燃烧、电弧加热方式气流里面有反应的产物获得高温气体而言的,用于试验时获得更高的模拟精度。如图1所示,包括耐压壳体1,炉箅2,进气管3,隔热层4,内衬筒5,出气管6,上盖板7,紧固螺栓8,刚玉盖板9-1,绝缘座9-2,隔热支座9-3(由于绘制比例原因,从清晰度考虑,图1中刚玉盖板、绝缘座和隔热支座均简化画法,具体参见后续部件细节图),电热组件10,换热组件11,电源接头12,支架13,测量装置14;耐压壳体1的内部为隔热层4,隔热层4包裹在内衬筒5上固定,绝缘座9-2,隔热支座9-3竖直组装的刚玉绝缘筒放置在内衬筒5内,电热组件10和换热组件11上下层叠布局,换热管放置在加热元件上部,分为数层,各层之间隔离,上下无对流;防止静止空气在加热器内的对流,造成下面温度低,上面温度高的问题。
耐压壳体1,是加热器的关键部件,材料为合金钢锻件加工而成,牌号为20MnMo,能够承受10.0MPa的高压气体,在200℃以下使用;整个加热器承压由耐压壳体1和上盖板7两部分组成,采用紫铜垫密封,确保加热器壳体内的高压气体***露;紧固螺栓8连接耐压壳体1与上盖板7。
图2-1,图2-2所示,耐压外壳体的上盖板7,由三层结构组成,最外层为耐压外壳7,材料与耐压壳体1相同,材料20MnMo,中间为隔热层 7-1,固定在圆球冠形状的拱顶内衬7-2上,拱顶内衬7-2的材料为GH128,采用螺钉7-3固定在上盖板7上。拱顶内衬7-2板材上开平衡气孔,开孔尺寸与内衬筒上通气孔一致。图3-1,图3-2所示,为拱顶内衬的结构简图。
图4-1,图4-2所示,炉篦2截面图和俯视图,炉箅2,是一个蜂窝状的金属板,材料为Cr25Ni20,作为底部支撑,在耐压壳体内,形成一个平面,方便安装隔热层4,内衬筒5和刚玉绝缘筒,本实施例炉箅2上的圆孔为直径8,开孔率为0.3,厚度50mm。
图5为气路进口截面图,进气管3,由密封法兰、引入管和螺纹接头组成,管道从法兰盘孔通入,焊接密封,法兰与耐压壳体1用螺钉连接;另一端管道外螺纹头与换热管11的内螺纹相连;进气管3的法兰盘和管子材料均为321不锈钢。
隔热层4,为高硅氧材料,用纤维丝状棉织成细绳和粗纤维布,包裹散棉缝制成被子;围在内衬筒5上,外径与耐压壳体1的筒内径尺寸一致。
内衬筒5,高温合金加工,材料为GH128,耐温1100℃;外部焊接翅片固定隔热层4,内部为光滑圆筒,在加热器长度方向上,隔热层组装为一个整体;在内衬筒壁面上开有直径3mm的通气孔,本实施例孔间距的展开尺寸为100mmx100mm间隔,有一个孔;用于维持内衬筒5的壁内外气压一致;不承受压力。
出气管6,有密封法兰、引入管和螺纹接头组成,与进气管3的结构大致相同,不同之处在于出气管6的螺纹接头处,开有4个直径8mm孔,实现换热管11内部与耐压壳体1内部空间相通,工作时,用于向耐压壳体1 内充气,平衡换热管内外压力一致;高压气体在管道内,从换热管末端接出;输出到用气装置。被加热气流在换热管内流动,而换热管的内部洁净度高,能够保持纯净空气不受污染;气体在管道内,不接触加热器的隔热层和加热元件,能够保持出口气流的洁净;
图6为电热元件截面图,所述电源接头12,为电热元件的电源引线,必须保证电绝缘和气密封,工业上已有比较成熟产品,火花塞形状的比较常用;12-1为固定法兰盘,与耐压壳体1连接密封,法兰中心引出电源导电杆12-2,通过在法兰盘上安装绝缘垫片,实现密封和电绝缘;电热组件10由金属电阻丝12-4加工而成,通过连接螺栓12-3与导电杆12-2连接。
为了便于安装,采用更合理的电源引线,采用的导电杆重新设计,提供更大的电功率,通过在法兰盘上安装绝缘垫片,实现密封和电绝缘。本实施例,共有6个电源接口,共6套加热组件11,提供120KW电源;电热组件10,电热元件为电阻发热元件,可以选择硅碳棒电阻发热件或者金属电阻发热件,单路设计功率一般为5~40KW,本实施例采用金属电阻加热元件,绕制成电阻丝形状,材料为Cr20Ni80;通过与电源接头12相连,提供电源。
刚玉绝缘筒,根据设计尺寸由纯刚玉铸造而成,本实施例由三种形状组成;上盖板即刚玉盖板9-1,绝缘座9-2,隔热支座9-3,电热元件的绝缘座9-2与隔热支座9-3,在内衬筒5内上下对接,外部组成一个圆筒形状;最上部为盖板9-1。图7-1,7-2给出刚玉盖板截面图和俯视图,本例中采用刚玉盖板,安装在所述刚玉绝缘筒的最上层,出气管6处于受热辐射的空间,换热稳定,耐压壳体内充平衡气时,气流对内衬板7-2无冲击。
为了详细说明加热器的预热与换热结构,图7-3给出了为刚玉绝缘筒组合截面图,包括电热元件的绝缘座9-2,换热管的隔热支座9-3,预热电阻棒10-1,换热管11-1。
图7-4,为电热元件绝缘座9-2截面图,采用刚玉材料铸造而成,结构与电炉的原理相同,电阻丝或者电阻棒,按着设计功率计算出直径和长度,布置在绝缘座9-2内;本实施例,采用直径3mm电阻丝,设计功率10KW。实用电阻丝加热,电阻加热元件可以达到温度1100℃,通过热辐射、热传导对换热管加热,气流通过换热管,能稳定输出气流温度800℃;绝缘座通过凸起绝缘隔离发热元件,中心凸起设置通孔用于换热组件的上下串接。
图7-5,换热管隔热支座9-3截面图,采用刚玉材料铸造而成,中间通孔用于通过换热管的连接管道,换热管隔热支座9-3的壁厚均匀,冷热交替不发生应力集中而损坏。
图8-1,8-2所示,换热组件11,采用耐高温的不锈钢管道,按照螺旋线形状绕制而成,取两件盘状绕制管上、下放置,最外侧的上下管接头采用焊接联通,盘管圆周的内测,下端为进气口,上端为出气口;上下换热组件的上下串接通过锥盘形状的接口插接而成;高温材料一般选取 1Cr18Ni9Ti,Cr25Ni20,GH128,Cr20Ni80材料。本实施例选取Cr25Ni20,耐温800℃;
支架13,蓄热式加热器采用立式安装,在加热器壳体底部安装支座,金属支架与壳体焊接固联,确保稳定。
测量装置14用于安装测温测压排架,测温测压排架采购通用的测量管和热电偶装置就可以实现,热电偶测点在排架的前部端点处,并在此处引出测量管,用传感器实现压力测量。
实施例仅是用于示范地说明本发明。说明书仅是用于解释权利要求书。但本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明批露的技术范围内,可轻易想到的变化或者替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种高温纯净空气加热器,其特征在于:包括耐压壳体,炉箅,进气管,隔热层,内衬筒,出气管,上盖板,电热组件,换热组件,电源接头;
耐压壳体底部通过炉篦作为底部支撑,用于安装隔热层、内衬筒;隔热层包裹在内衬筒上,内衬筒壁面上开通气孔;电热组件通过绝缘座安装在内衬筒内,换热组件通过隔热支座安装在内衬筒内,二者上下布局且换热组件位于电热组件上部,换热组件上下串接且之间无对流;进气管通过与换热组件相连,由出气管引出;电热组件通过电源接头,引出电源,最上部换热组件的上方安装上端盖,耐压壳体上部与上盖板密封连接;
所述的换热组件由换热管采用螺旋、渐开线形状绕制而成;上下两件换热管接通成为一组换热组件,具体为两件换热管上下放置,最外侧的换热管接头焊接连通,盘状中心内侧接头一端为进气口,一端为出气口,换热组件之间的上下串接通过进气口、出气口之间的接口采用锥盘形状插接完成,换热组件与进气管、出气管之间通过螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的空气加热器,其特征在于:所述的上盖板为三层结构,最外层为耐压外壳,材料与耐压壳体相同,中间为隔热层,最内层为圆球冠形状的拱顶内衬;拱顶内衬固定在上盖板上且其上开平衡气孔,平衡气孔尺寸与内衬筒上通气孔一致,所述的隔热层固定在拱顶内衬上。
3.根据权利要求1所述的空气加热器,其特征在于:所述的绝缘座采用刚玉铸造而成,通过凸起绝缘隔离发热元件,中心凸起设置通孔用于换热组件的上下串接。
4.根据权利要求1所述的空气加热器,其特征在于:所述的绝缘座、隔热支座在内衬筒内上下对接,外部组成一个圆筒形状,与圆筒最上部的上端盖一起构成绝缘筒。
5.根据权利要求4所述的空气加热器,其特征在于:绝缘筒材质选刚玉。
6.根据权利要求1所述的一空气加热器,其特征在于:所述的炉篦为带蜂窝状开孔的金属板。
7.根据权利要求1所述的一空气加热器,其特征在于:所述耐压壳体同侧壁面上,安装进气管和出气管,二者均采用法兰盘固定。
8.根据权利要求1所述的一空气加热器,其特征在于:所述电源接头,安装在耐压壳体侧壁上,接线柱通过绝缘密封,引入电源。
9.根据权利要求1所述的一空气加热器,其特征在于:所述出气管与换热组件的接口处开孔,实现换热管内部与耐压壳体内部空间相通。
10.根据权利要求1-9之一所述的一空气加热器,其特征在于:还包括用于安装测温测压排架的测量装置,所述测量装置位于耐压壳体的上盖板位置。
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