CN104569046B - 超高温隔热性能试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高温隔热性能试验装置及试验方法，超高温隔热性能试验装置包括加热炉，加热炉包括下炉体和上炉体，下炉体包括底座和设于底座上的底座保温层，底座保温层的顶部下凹形成试样容置室；上炉体包括炉壳、设于炉壳内的电加热体和设于电加热体与炉壳之间的炉壳保温层，炉壳上具有连通内外的进气口和出气口，进气口和出气口上分别设有阀门；上炉体与下炉体结合后，炉壳和底座结合形成密闭的炉腔，电加热体与设于试样顶面的导热垫片相接触，电加热体通过导热垫片与试样实现接触式热传导，炉壳保温层与底座保温层相接触在所述试样及电加热体外侧形成整体保温层。本发明可在封闭环境下最大限度模拟超高温实际工作条件。

Description

超高温隔热性能试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及隔热性能试验技术领域，尤其涉及一种超高温隔热性能试验装置及试验方法。

背景技术

目前针对隔热材料高温隔热性能的测试装置可以分为如下几类，一类是采用发热体电加热的平板隔热性能测量装置，主要采用碳化硅或二硅化钼发热体，最高温度不超过1600℃，模拟温度低，不能进行超高温隔热性能测试；第二类隔热性能测试装置为辐照隔热测试装置，其中辐照光源主要为石英灯，另有少量装置的光源为激光，此类装置最大缺点为仅采用红外辐照对样品加热，热流密度相对较低，且测量环境多为开放式或半封闭式(样品部分保温)，样品接受热流升温的同时也会向空间进行自发辐射及与周围空气进行对流传热，此类装置难以模拟隔热材料实际的应用环境。第三类隔热性能测试装置加热源为火焰，包括氧乙炔火焰及等离子焰(轻质复合材料高温隔热性能，复合材料学报)，二者共同的特点是测试温度较高，火焰温度可达2000℃以上，其中等离子焰可达4000℃。由于火焰加热产生大量废气，因此，此类装置都为开放式。而且由于火焰直接对样品进行加热，会对样品产生气流冲蚀作用。第四类为风洞试验装置，此类装置可以最大限度模拟导弹等高速飞行器的实际工况，但是该类设备建造及使用成本极高，测试周期长，适用于整机模拟测试，不适合常规的材料性能研究。

综上所述，现有技术存在诸多问题，且尚无封闭式超高温(2000℃以上)的隔热性能测试装置。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种超高温隔热性能试验装置及试验方法，主要目的是提供一种封闭环境下进行超高温隔热性能测试，使测试最大限度模拟实际工作条件。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供了一种超高温隔热性能试验装置，包括加热炉，所述加热炉包括下炉体和上炉体，其中

所述下炉体包括底座和设于底座上的底座保温层，所述底座保温层的顶部下凹形成试样容置室；

所述上炉体包括炉壳、设于炉壳内的电加热体和设于电加热体与炉壳之间的炉壳保温层，所述炉壳上具有连通内外的进气口和出气口，所述进气口和出气口上分别设有阀门；

所述上炉体与下炉体结合后，所述炉壳和底座结合形成密闭的炉腔，所述电加热体与设于试样顶面的导热垫片相接触，所述电加热体通过导热垫片与试样实现接触式热传导，所述炉壳保温层与底座保温层相接触在所述试样及电加热体外侧形成整体保温层。

作为优选，所述电加热体为石墨电加热体。

作为优选，还包括：

试样测温单元，测量试样热面温度及冷面温度；

电加热体测温单元，测量电加热体温度。

作为优选，所述试样测温单元包括热电偶和与热电偶连接用于对温度信号进行转换的信号转换模块；所述电加热体测温单元为设于炉壳上的红外测温传感器。

作为优选，还包括计算机控制单元，对试样测温单元获取的试样热面温度数据及冷面温度数据和电加热体测温单元获取的电加热体温度数据进行转换、存储及分析，所述计算机控制单元还控制电加热体的升温速率及最终温度。

作为优选，所述底座的顶面具有环形连接槽，所述上炉体与下炉体结合时，所述炉壳的下端插入所述环形连接槽内，所述炉壳与所述底座之间通过密封件密封。

作为优选，还包括支架和可沿所述支架垂直运动的升降装置，所述底座固定于所述支架上，所述炉壳与所述升降装置连接，所述上炉体在所述升降装置的带动下与下炉体结合或分离。

作为优选，所述炉壳和底座上分别具有冷却水循环系统。

作为优选，所述进气口和出气口上分别设有手动阀门和电磁阀。

作为优选，所述导热垫片为绝缘体。

另一方面，本发明实施例提供了一种超高温隔热性能试验方法，采用上述的试验装置，包括如下步骤：

将上炉体与下炉体分离，将待测的试样置于下炉体的试样容置室内，在试样上加盖导热垫片；

将上炉体与下炉体结合，炉壳与底座之间形成密闭的炉腔，启动炉壳和底座上的冷却水循环系统；

关闭进气口，用真空泵通过排气口将炉腔内抽至一定的真空度，然后通过进气口向炉腔内充入保护气体至1标准大气压后，打开进气口向炉体内冲入氮气，关闭进气口，再次启动真空泵将炉腔内抽至一定的真空度后，通过进气口向炉腔内充入保护气体至1标准大气压；

按设定的升温方案控制电加热体进行加热；

通过试样测温单元和电加热体测温单元获得试验所需的试样的热面温度及冷面温度和电加热体温度；

升温过程中通过排气口排气或通过进气口补入保护气体以维持炉腔内的压力。测试完成后整理、分析数据。

作为优选，通过真空泵使炉腔内压力降至20mbar。

作为优选，所述保护气体为氩气。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明实施例提供的试验装置及试验方法在封闭环境下进行超高温隔热性能测试，可有效模拟高速飞行器发动机隔热材料的使用工况，该装置可以实现快速升降温，缩短测试周期，具有操作方便、实用经济等特点。

附图说明

图1为本发明实施例的超高温隔热性能试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的加热炉的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。实施例中未尽之处均可采用现有技术。

图1为本发明实施例的超高温隔热性能试验装置的结构示意图；图2为本发明实施例的加热炉的结构示意图。图1中虚线表示电性连接如图1和图2所示，超高温隔热性能试验装置，包括加热炉4，加热炉4包括下炉体420和上炉体410，其中

下炉体420包括底座421和设于底座421上的底座保温层422，底座保温层422的顶部下凹形成试样容置室423；

上炉体410包括炉壳411、设于炉壳411内的电加热体412和设于电加热体412与炉壳411之间的炉壳保温层413，炉壳411上具有连通内外的进气口414和出气口415，进气口414和出气口415上分别设有阀门416、417；

上炉体410与下炉体420结合后，炉壳411和底座421结合形成密闭的炉腔，电加热体412与设于试样6顶面的导热垫片7相接触，电加热体412通过导热垫片7与试样6实现接触式热传导，炉壳保温层413与底座保温层422相接触在试样6及电加热体412外侧形成整体保温层。

本发明实施例的试验装置采用电加热体升温，最高测试温度可达2200℃，可以有效模拟高速飞行器发动机隔热材料的使用工况；通过接触式热传导保证热传导的热流密度，试样不会受到气流冲蚀；在密闭空间内进行相关测试，并在发热体及待测样品周围放置保温层，以减少热量向四周的空间散耗。

作为上述实施例的优选，电加热体412为石墨电加热体。石墨电加热体加热温度高，可达2200℃，并且性能稳定，可以实现超高温隔热性能测试。电加热体412通过引线418与炉体外的电源连接，引线418可以从适合的位置伸出自炉体。

作为上述实施例的优选，本实施例的试验装置中还包括：

试样测温单元8，用于测量试样6的热面温度及冷面温度；

电加热体测温单元9，用于测量电加热体412温度。根据实测温度与设定的升温制度进行比对，根据反馈调整电加热体输出功率，实现实测温度与目标温度相吻合。其中试样测温单元8包括热电偶81和与热电偶连接用于对温度信号进行转换的信号转换模块82；电加热体测温单元9为设于炉壳411上的红外测温传感器。通过多组热电偶81即可获取试样各个部分的温度。为了便于热电偶81与信号转换模块82连接，在底座上设置接线端子83用于多个热电偶81与信号转换模块82连接。由于电加热体412的温度较高，所以采用红外测温方式更为适宜。红外测温传感器通过石英玻璃管11连入炉壳411内。其中，还包括计算机控制单元1，对试样测温单元8获取的试样热面温度数据及冷面温度数据和电加热体测温单元9获取的电加热体412温度数据进行转换、存储及分析，计算机控制单元1还控制电加热体412的升温速率及最终温度。通过计算机控制单元不但可实现试验过程的自动控制，而且可对试验数据进行存储和分析，得到相应的实验结果。

作为上述实施例的优选，底座421的顶面具有环形连接槽，上炉体与下炉体结合时，炉壳411的下端插入环形连接槽内，炉壳411与底座421之间通过密封件密封。密封件一般采用密封圈，密封圈设于环形连接槽内。或者在底座421的顶面形成连接筒，炉壳411套于连接筒外，通过炉壳411与连接筒之间实现密封。或者炉壳411的下端面与底座421的顶面之间形成密封。当底座421的顶面形成连接筒时，底座保温层422整体或部分置于连接筒内。

作为上述实施例的优选，还包括支架5和可沿支架5垂直运动的升降装置3，底座421固定于支架5上，炉壳411与升降装置3连接，上炉体410在升降装置3的带动下与下炉体420结合或分离。升降装置3的具体结构可从现有技术中选取，在此不再赘述。升降装置3可将上炉体410限定在任何位置，即当上炉体410与下炉体420结合时，升降装置3还起到对上炉体410固定限位的作用。底座421与支架5可以为一体。

作为上述实施例的优选，为了避免炉体表面温度过高，在炉壳411和底座421上分别具有冷却水循环系统13、14。冷却水循环系统的具体构造均选自现有技术，在此不再赘述。

作为上述实施例的优选，进气口414和出气口415上分别设有手动阀门和电磁阀。手动阀门用于在测试准备阶段进行抽真空和充入保护气体时进气口414和出气口415的启闭，电磁阀用于在测试过程中通过计算机控制单元1进行自动控制以保证炉腔内压力与外界平衡，当然为实现该目的，必然会有压力传感器用于获取炉腔内的压力信息，并传递至计算机控制单元1。

作为上述实施例的优选，导热垫片7为绝缘体。这样采用的石墨电加热体的表面就不必有绝缘层，对石墨电加热体的要求低，利于低成本。

另一方面，本发明实施例提供了一种超高温隔热性能试验方法，采用上述任一实施例的试验装置，包括如下步骤：

将上炉体410与下炉体420分离，将待测的试样6置于下炉体420的试样容置室423内，在试样6上加盖导热垫片7；

将上炉体410与下炉体420结合，炉壳411与底座421之间形成密闭的炉腔，启动炉壳411和底座421上的冷却水循环系统；

关闭进气口414，用真空泵通过排气口415将炉腔内抽至一定的真空度，然后通过进气口414向炉腔内充入保护气体至1标准大气压后，关闭进气口414，再次启动真空泵将炉腔内抽至一定的真空度后，通过进气口414向炉腔内充入保护气体至1标准大气压；

按设定的升温方案控制电加热体412进行加热；

通过试样测温单元8和电加热体测温单元9获得试验所需的试样的热面温度及冷面温度和电加热体温度；

升温过程中通过排气口415排气或通过进气口414补入保护气体以维持炉腔内的压力。测试完成后整理、分析数据即可得到相应的结果。

其中通过真空泵使炉腔内压力降至20mbar。保护气体为氩气。当然，也可以先向炉体内冲入氮气，在最后一次充入保护气体后再充入氩气。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.超高温隔热性能试验装置，包括加热炉，所述加热炉包括下炉体和上炉体，其特征在于，其中

所述下炉体包括底座和设于底座上的底座保温层，所述底座保温层的顶部下凹形成试样容置室；

所述上炉体包括炉壳、设于炉壳内的电加热体和设于电加热体与炉壳之间的炉壳保温层，所述炉壳上具有连通内外的进气口和出气口，所述进气口和出气口上分别设有阀门；

所述上炉体与下炉体结合后，所述炉壳和底座结合形成密闭的炉腔，所述电加热体与设于试样顶面的导热垫片相接触，所述电加热体通过导热垫片与试样实现接触式热传导，所述炉壳保温层与底座保温层相接触在所述试样及电加热体外侧形成整体保温层；

还包括支架和可沿所述支架垂直运动的升降装置，所述底座固定于所述支架上，所述炉壳与所述升降装置连接，所述上炉体在所述升降装置的带动下与下炉体结合或分离；

所述炉壳和底座上分别具有冷却水循环系统。

2.根据权利要求1所述的超高温隔热性能试验装置，其特征在于，所述电加热体为石墨电加热体。

3.根据权利要求1所述的超高温隔热性能试验装置，其特征在于，还包括：

试样测温单元，测量试样热面温度及冷面温度；

电加热体测温单元，测量电加热体温度。

4.根据权利要求3所述的超高温隔热性能试验装置，其特征在于，所述试样测温单元包括热电偶和与热电偶连接用于对温度信号进行转换的信号转换模块；所述电加热体测温单元为设于炉壳上的红外测温传感器。

5.根据权利要求3所述的超高温隔热性能试验装置，其特征在于，还包括计算机控制单元，对试样测温单元获取的试样热面温度数据及冷面温度数据和电加热体测温单元获取的电加热体温度数据进行转换、存储及分析，所述计算机控制单元还控制电加热体的升温速率及最终温度。

6.根据权利要求1所述的超高温隔热性能试验装置，其特征在于，所述底座的顶面具有环形连接槽，所述上炉体与下炉体结合时，所述炉壳的下端插入所述环形连接槽内，所述炉壳与所述底座之间通过密封件密封。

7.根据权利要求1所述的超高温隔热性能试验装置，其特征在于，所述进气口和出气口上分别设有手动阀门和电磁阀。

8.根据权利要求1所述的超高温隔热性能试验装置，其特征在于，所述导热垫片为绝缘体。

9.超高温隔热性能试验方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的试验装置，包括如下步骤：

将上炉体与下炉体分离，将待测的试样置于下炉体的试样容置室内，在试样上加盖导热垫片；

将上炉体与下炉体结合，炉壳与底座之间形成密闭的炉腔，启动炉壳和底座上的冷却水循环系统；

关闭进气口，用真空泵通过排气口将炉腔内抽至一定的真空度，然后通过进气口向炉腔内充入保护气体至1标准大气压后，打开进气口向炉体内冲入氮气，关闭进气口，再次启动真空泵将炉腔内抽至一定的真空度后，通过进气口向炉腔内充入保护气体至1标准大气压；

按设定的升温方案控制电加热体进行加热；

通过试样测温单元和电加热体测温单元获得试验所需的试样的热面温度及冷面温度和电加热体温度；

升温过程中通过排气口排气或通过进气口补入保护气体以维持炉腔内的压力。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，其中通过真空泵使炉腔内压力降至20mbar；所述保护气体为氩气。