CN102706725A - 一种非密闭空间石墨加热系统及其加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非密闭空间石墨加热系统及其加热方法，在实验舱内设置水冷壁与石墨加热片，通过水冷壁避免热量向外界散失，水冷壁还对其内部设置的供氮管道中氮气进行冷却，通过供氮管道为实验舱内提供氮气，通过供氮管道上安装的喷嘴将氮气均匀喷洒在石墨加热片上，使石墨加热片表面形成保护气。本发明中还通过排氮系统将试验舱内氮气迅速排出试验舱。本发明优点为：将石墨加热片置于开放的实验舱中，加热的过程中将氮气喷射到石墨加热片表面形成一种保护性的气膜，石墨加热片无需装入真空容器中，节省材料，减少投资成本。

Description

一种非密闭空间石墨加热系统及其加热方法

技术领域

本发明涉及一种石墨加热领域，具体来说，是一种应用于环境模拟试验平台的满足结构热试验需求的一种加热技术。

背景技术

近空间高超声速飞行器会遇到极高的温度和热流密度，这将对飞行器产生诸多不利的影响。从国外高超声速飞行器发展的历史来看，任何一架高超声速飞机，试飞前都必须在试验室进行大量的热试验。

国外目前发展了利用大功率石墨加热元件的热环境模拟技术，国内也开始了这方面的尝试。石墨加热技术原理较为简单，但利用其进行大功率的热环境模拟时，尚有许多技术细节需要完善，其中较为突出的是石墨加热元件需要在真空或保护性气体的环境中工作，而现有的石墨加热技术都是利用很大的真空容器容纳石墨加热系统，然后对试件加热。但很大的真空容器的真空环境难以实现，且价格昂贵，故对此实验方案而言可能不太合理。

发明内容

为了解决上述问题，本发明将石墨加热元件置于半开放的空间之中，将氮气喷射到石墨加热元件表面形成一种保护性的气膜，通过石墨电极的发热，利用热辐射方式加热试验件加热。

一种非密闭空间石墨加热系统，在实验舱内部设置m个石墨加热片，m≥3，通过m个石墨加热片围成试件放置空间，对试件进行均匀加热；实验舱中还设置有供氮管道，通过供氮管道向m个石墨加热片上喷洒氮气，使m个石墨加热片表面形成一层保护性气体膜；实验舱内侧壁铺设有水冷壁，通过水冷壁冷却供氮管道中的氮气，同时防止石墨加热片的热量向外界散失；实验舱顶部设置有用来排出实验舱内部氮气的排气系统。

本发明一种非密闭空间石墨加热系统，包括实验舱、水冷壁、石墨加热片、供氮系统与排氮系统。

基于上述非密闭空间石墨加热系统的加热方法，通过下述步骤完成：

步骤1：放入试件；

将试件放入实验舱中石墨加热片围成的试件放置空间中。

步骤2：通入氮气；

通过供氮管道向实验舱石墨加热片表面喷洒氮气；待石墨加热片表面各自形成一个保护性气体环境；同时应开启排气系统，将氮气从实验舱内排出。

步骤3：石墨加热片通电，进行试件加热；

同时为石墨加热片通电，直到试件表面的温度达到实验要求。

步骤4：停止试件的加热；

当试件加热至实验要求温度时，将石墨加热片断电，停止石墨加热片对试件的加热；供氮管道保持氮气供给，至石墨加热片完全冷却后，供氮管道停止氮气供给，完成试件的加热。

本发明的优点在于：

1、本发明非密闭空间石墨加热系统将石墨加热片置于开放的实验舱中，加热的过程中将氮气喷射到石墨加热片表面形成一种保护性的气膜，石墨加热片无需装入真空容器中，节省材料，减少投资成本，且易实现；

2、本发明非密闭空间石墨加热系统通过排氮系统将氮气排至室外，降低了室内空气中氮气的浓度，减少了污染；

3、本发明非密闭空间石墨加热系统及加热方法，通过自动调节阀和压力传感器控制氮气的流量，使氮气的供给方便、快捷。

附图说明

图1为本发明非密闭空间石墨加热系统俯视剖视图；

图2为本发明非密闭空间石墨加热系统中排氮系统结构示意图；

图3为本发明非密闭空间石墨加热系统中水冷壁内循环水冷管道结构布局示意图；

图4为本发明本发明非密闭空间石墨加热系统中供氮系统安装结构示意图。

图中：

1-实验舱    2-水冷壁    3-石墨加热片    4-供氮系统

5-排氮系统  6-试件      101-排气口      201-循环水冷管道

202-进水阀门    203-出水阀门    401-供氮管道    402-喷嘴

403-喷嘴阀门    404-流量计      405-自动调节阀  501-排气罩

502-排气管道    503-排气泵      504-排气阀门

具体实施方式

下面结合附图来对本发明作出进一步说明。

本发明的非密闭空间石墨加热系统包括实验舱1、水冷壁2、石墨加热片3、供氮系统4与排氮系统5，如图1、图2所示。

其中，实验舱1为正方体、圆柱体或锥体，且实验舱1为可拆卸结构。实验舱1内侧壁上铺设有水冷壁2，使实验舱内侧壁全部被水冷壁覆盖。实验舱1内还竖直设置有至少m个“n”形结构石墨加热片3，m≥3；m个石墨加热片3围成的部分形成试件放置空间，用来放置试件6。m个石墨加热片3均由位于实验舱1外部的电源供电，通过m个石墨加热片3对试件6进行均匀加热，且通过水冷壁2可保证石墨加热片3产生的热量不会由实验舱的侧壁向外界散失。本实施方式中以在正方体实验舱1内设置四个石墨加热片3为例进行说明：四个石墨加热片3在实验舱1内围成横截面为正方形的试件放置空间。

上述水冷壁2内具有两套循环水冷管道201，如图3所示，两套循环水冷管道201结构相同，管径为51~83毫米，分别安装在水冷壁2内的上部与下部；且两套循环水冷管道201内侧为内螺纹结构，由此可防止循环水冷管道201内部传热恶化。其中，位于上部的循环水冷管道201与位于下部的循环水冷管道201相互对称，便于施工；且两套循环水冷管道201的进水方向与出水方向反向；进水端处安装有进水阀门202，用来控制进水；出水端处安装有出水阀门203，用来控制出水。

本发明中具有m套由位于实验舱1内部的供氮管道401、喷嘴402、喷嘴阀门403以及位于实验舱1外部的流量计404与自动调节阀405构成的供氮系统4，用来为实验舱1内部输送氮气。其中，供氮管道401安装在水冷壁2内的中部，如图4所示，与上部循环水冷管道202、下部循环水冷管道202间距均为0~30毫米，由此可使供氮管道401中的氮气充分冷却。供氮管道401的进氮方向与水冷壁2中两套循环水冷管道202的出水方向相反，由此可保证供氮管道401中氮气被充分冷却。供氮管道401出氮端穿出水冷壁2壁面后通过管路连接有n个喷嘴，n≥1；每个喷嘴所在管路上设置有喷嘴阀门403，用来控制各个喷嘴402向石墨加热片3上喷洒氮气。本发明中，将每套供氮系统4中喷嘴402的喷出口正对一个石墨加热片3的一侧边处，如图1所示，使喷出口的朝向与石墨加热片3平行，由此喷嘴402可由石墨加热片3一侧边处向相对侧边方向冲刷石墨加热片3，使氮气均匀的冲刷石墨加热片3，从而在石墨加热片3表面形成一层保护性气体膜，使石墨加热片3在保护性环境中对试件6加热。为了使氮气更加均匀的冲刷石墨加热片3，本发明中喷嘴402为3个，分别位于石墨加热片3侧边的上部、中部与下部。通过上述结构可通过水冷壁2中两套循环水冷管道202内部冷却水对供氮管道401中的氮气充分冷却，保证喷出的氮气充分冷却，而不至于使喷嘴402被烧坏。供氮管道401进氮端伸出到实验舱1外部，且设置有流量计404与自动调节阀405；流量计404用来测量供氮管道1内氮气的流量，从而通过自动调节阀405实现供氮的流量与流速控制。

所述排氮系统5由排气罩501、排气管道502、排气泵503及排气阀门504构成；其中，排气罩501安装在实验舱1顶部，通过实验舱1顶部的排气口101与实验舱1内部相通；排气泵503与排气阀门504均通过排气管路502管路与排气罩501连通，由此与实验舱1内部相通。排气阀门504用来控制氮气的排放；排气泵503用来抽吸实验舱1内的氮气，使实验舱1内的氮气随排气管道排出到实验舱1外部。

本发明还提供一种基于上述非密闭空间石墨加热系统的加热方法，通过下述步骤完成：

步骤1：放入试件6；

将试件放入实验舱1中试件放置空间中（即石墨加热片3内侧壁间）；

步骤2：通入氮气；

为保证试件6在保护性环境中被加热，需在为试件6加热前，打开供氮管道5上的喷嘴阀门403，向实验舱1内通入氮气。在供氮过程中，通过调节供氮管道403上的自动调节阀405，根据实验情况随时调节供氮流量。待通入氮气5~10分钟后，使石墨加热片3表面各自形成保护性环境；在供氮的同时应开启排气泵503，通过排气管道502将氮气从实验舱1内排出。

步骤3：石墨加热片3通电，进行试件6加热；

在石墨加热片3表面各自形成保护性环境时，开启外部电源同时为石墨加热片3通电，保证为试件6均匀加热，直到试件6表面的温度达到实验要求。

步骤4：停止试件6的加热；

当试件6加热至实验要求温度时，同时将石墨加热片3断电，停止石墨加热片3对试件6的加热。石墨加热片3断电后，由于断电后石墨加热片3应该还有余热，为保护石墨加热片3不会升华，因此保持实验舱1内的氮气供给5-10分钟，至石墨加热片3冷却后，关闭喷嘴阀门403停止实验舱的氮气供给，从而完成试件的加热。

Claims (10)

1.一种非密闭空间石墨加热系统，其特征在于：实验舱内部设置m个石墨加热片，m≥3，通过m个石墨加热片围成试件放置空间，对试件进行均匀加热；实验舱中还设置有供氮管道，通过供氮管道向m个石墨加热片上喷洒氮气，使m个石墨加热片表面形成一层保护性气体膜；实验舱内侧壁铺设有水冷壁，通过水冷壁冷却供氮管道中的氮气，同时防止石墨加热片的热量向外界散失；实验舱顶部设置有用来排出实验舱内部氮气的排气系统。

2.如权利要求1所述一种非密闭空间石墨加热系统，其特征在于：所述水冷壁覆盖实验舱整个内侧壁表面。

3.如权利要求1所述一种非密闭空间石墨加热系统，其特征在于：所述供氮管道为m条，m条供氮管道分别为m个石墨加热片表面喷洒氮气。

4.如权利要求1所述一种非密闭空间石墨加热系统，其特征在于：所述水冷壁内部具有两套循环水冷管道，两套循环水冷管道分别安装在水冷壁内的上部与下部；两套循环水冷管道上下对称，且两套循环水冷管道的出水方向与进水方向反向。

5.如权利要求4所述一种非密闭空间石墨加热系统，其特征在于：所述循环水冷管道管径为51~83毫米，内侧具有内螺纹结构。

6.如权利要求1所述一种非密闭空间石墨加热系统，其特征在于：所述供氮管道安装在水冷壁内中部，出氮端穿出水冷壁内壁面后通过管路连接有n个喷嘴，n≥1，通过喷嘴阀门控制各个喷嘴喷洒氮气；供氮管道进氮端伸出到实验舱外部，且设置有流量计与自动调节阀；流量计用来测量供氮管道内氮气的流量，从而通过自动调节阀实现供氮的流量与流速控制。

7.如权利要求6所述一种非密闭空间石墨加热系统，其特征在于：所述供氮管道与上部循环水冷管道、下部循环水冷管道间距均为0~30毫米，且与水冷壁中两套循环水冷管道的出水方向相反。

8.如权利要求6所述一种非密闭空间石墨加热系统，其特征在于：所述喷嘴的喷出口正对一个石墨加热片的一侧边处，使喷出口的朝向与石墨加热片平行。

9.如权利要求6所述一种非密闭空间石墨加热系统，其特征在于：所述排氮系统由排气罩、排气管道、排气泵及排气阀门构成；其中，排气罩安装在实验舱顶部，通过实验舱顶部的排气口与实验舱内部相通；排气泵与排气阀门均通过排气管路与排气罩连通；排气阀门用来控制氮气的排放；排气泵用来抽吸实验舱内的氮气。

10.基于权利要求1所述的一种非密闭空间石墨加热系统的加热方法，其特征在于：通过下述步骤完成：

步骤1：放入试件；

将试件放入实验舱中石墨加热片围成的试件放置空间中；

步骤2：通入氮气；

通过供氮管道向实验舱石墨加热片表面喷洒氮气；待石墨加热片表面各自形成保护性气体环境；同时应开启排气系统将氮气从实验舱内排出；

步骤3：石墨加热片通电，进行试件加热；

为石墨加热片通电，直到试件表面的温度达到实验要求；

步骤4：停止试件的加热；

当试件加热至实验要求温度时，将石墨加热片断电，停止石墨加热片对试件的加热；供氮管道保持氮气供给，至石墨加热片完全冷却后，供氮管道停止氮气供给，完成试件的加热。

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