CN105376876B - 一种石英灯辐射加热器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于弹箭结构热强度、热环境地面模拟试验技术领域，具体涉及一种石英灯辐射加热器及其设计方法。辐射加热器包括反射器、汇流排、石英灯；反射器为板状结构，同时作为汇流排及石英灯的安装支架，在反射器前方，在水平方向上布置多个石英灯，石英灯自身朝向为垂直方向，石英灯垂直方向上下的两端使用石英灯灯头卡子固定于汇流排。在所述反射器的背面，在反射器背板的上下位置分别设置有通水管，冷却水从下方的通水管进入反射器，从上方的通水管流出；在汇流排两侧各设置一个通水电极杆，冷却水从一侧的通水电极杆进入汇流排，从另一侧的通水电极杆排出，进行冷却。本发明具有提供大热流密度的能力、足够的主动冷却能力、良好的反射能力。
Description
技术领域
本发明属于弹箭结构热强度、热环境地面模拟试验技术领域，具体涉及一种石英灯辐射加热器及其设计方法。
背景技术
在高速飞行器研发的大背景下，飞行器结构经受的热载荷条件更加严酷，给地面模拟试验提出了更高的热载荷模拟要求。在国内外现有的热强度、热环境试验中，采用石英灯辐射加热技术进行热载荷的模拟已经成熟，并成为主流技术。随着高速飞行器的发展，在飞行器结构、气动外形、防隔热材料等方面都与以往技术存在着不同，地面模拟试验技术也相应的得到了发展和提高。尤其是烧蚀型防隔热材料的应用，给地面模拟热载荷提出了更高的技术难度。
目前的高速飞行器承受的气动热载荷可达到兆瓦级，并且大面积采用烧蚀型防隔热材料，地面模拟热试验中，需要模拟的热载荷接近或达到兆瓦级，在这样的热载荷作用下，烧蚀型防隔热材料剧烈冒烟、着火，给辐射加热器带来很大的设计难度。现有技术中的辐射加热器不能达到上述要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种石英灯辐射加热器，利用石英灯辐射热量，通过反射器的支撑形成辐射加热器，对结构施加定向热载荷，达到高功率，大面积的效果。
本发明所采取的技术方案为：一种石英灯辐射加热器，包括反射器、汇流排、石英灯；反射器为板状结构，同时作为汇流排及石英灯的安装支架，在反射器前方，在水平方向上布置多个石英灯，石英灯自身朝向为垂直方向，石英灯垂直方向上下的两端使用石英灯灯头卡子固定于汇流排。
在所述反射器的背面，在反射器背板的上下位置分别设置有通水管，冷却水从下方的通水管进入反射器，从上方的通水管流出；在汇流排两侧各设置一个通水电极杆，冷却水从一侧的通水电极杆进入汇流排，从另一侧的通水电极杆排出，进行冷却。
在汇流排中部设置实心电极杆，通水电极杆和实心电极杆对石英灯进行供电，并且汇流排的通水电极杆和实心电极杆穿入在反射器上设置的电极安装孔进行固定。
设置绝缘子穿过反射器的各个电极安装孔，用于各个电极与反射器的绝缘。
汇流排安装于反射器上后，将石英灯装入石英灯灯头卡子，利用压块将每个石英灯灯头压住，压块为圆柱形带螺纹。
所述反射器加工材料为硬铝，反射器反射板表面抛光，粗糙度不高于0.8；汇流排材料为黄铜。
一种石英灯辐射加热器设计方法，设计如上所述的一种石英灯辐射加热器，包括如下所述的设计冷却水流量的步骤：
其中：q为辐射热流密度，λ为被冷却部件的辐射热反射率，s为冷却面积，c为水的比热容，T为出水温度，t为进水温度，n为设计余量系数。
本发明所取得的有益效果为：
本发明利用石英灯辐射热量，通过反射器的支撑形成辐射加热器，对结构施加定向热载荷。根据上述的具体技术方案，本发明所述的一种石英灯辐射加热器具有如下特点：第一，辐射加热器具有提供大热流密度的能力；第二，辐射加热器具有足够的主动冷却能力；第三，辐射加热器表面具有良好的反射能力；第四，辐射加热器的形状利于烟尘、火焰的排出。
附图说明
图1(a)为本发明所提供的石英灯辐射加热器构成示意图的正视图；
图1(b)为本发明所提供的石英灯辐射加热器构成示意图的侧视图；
图2(a)为反射器结构示意图的正视图；
图2(b)为反射器结构示意图的侧视图；
图3为汇流排示意图；
图4为绝缘子示意图；
图5为石英灯示意图；
图6为本发明所提供的一种石英灯辐射加热器的具体实施例的整体尺寸示意图；
图7为本发明所提供的一种石英灯辐射加热器的汇流排的尺寸示意图。
图中：1.反射器，2.绝缘子，3.汇流排，4.压块，5.石英灯，6.电极安装孔，7.热流传感器安装环，8.反射器背板，9.通水管，10.反射器反射板，11.通水电极杆，12.实心电极杆，13.汇流排主体，14.汇流排水槽，15.石英灯灯头卡子，16.石英灯灯头，17.石英灯灯管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。
结合图1～5对石英灯辐射加热器的结构进行详细说明：
本发明所述的一种石英灯辐射加热器的构成包括：石英灯5、反射器1、汇流排3、绝缘子2、压块4。
平板形状的反射器1同时作为汇流排3及石英灯5的安装支架，在反射器1前方，在水平方向上布置多个石英灯5，石英灯5自身朝向为垂直方向，石英灯5垂直方向上下的两端使用石英灯灯头卡子15固定于汇流排3，汇流排3上安装有通水电极杆11和实心电极杆12，在本实施例中，设置方式为在汇流排3中部设置实心电极杆12，在汇流排3两侧各设置一个通水电极杆11，冷却水从一侧的通水电极杆11进入汇流排3，从另一侧的通水电极杆11排出，进行冷却；通水电极杆11和实心电极杆12对于石英灯5进行供电，并且汇流排3的通水电极杆11和实心电极杆12穿入在反射器1上设置的电极安装孔6，进行固定；
在反射器1上设置有多个电极安装孔6，其中，设置绝缘子2穿过反射器1的各个电极安装孔6，用于各个电极与反射器1的绝缘；
本实施例中，在垂直方向上安装共计4个汇流排3，每个汇流排3自身朝向为水平方向。如此，在垂直方向上安装两列石英灯灯管17。
每组汇流排3安装于反射器1上后，将石英灯5装入石英灯灯头卡子15，利用压块4将每个石英灯灯头16压住。
在反射器背板8的上下位置分别设置有通水管9，冷却水从下方的通水管9进入反射器1，从上方的通水管9流出。反射器反射板10表面抛光，提高反射效率，减少反射器1的热量吸收，降低反射器1的温度，抛光后的反射器反射板10的表面粗糙度不高于0.8。
将汇流排两端的通水电极杆11分别接上进水管和出水管，水流从进水侧的通水电极杆11流入，流经汇流排水槽14，为汇流排3冷却，从出水侧的通水电极杆11流出。
石英灯辐射加热器组装完成后，在热流传感器安装环7位置安装热流传感器，其作用是控制及测量辐射热流密度。将动力电接在通水电极杆11或实心电极杆12上，石英灯辐射加热器即可以通电工作。
其中，本实施例的图1～图5中所述的为平板式的辐射加热器，根据工程需要可以将加热器设计成圆筒型、圆台型等形式，其基本构成与平板式相同。
本发明中的高功率是指辐射加热器所提供的辐射热流密度可达1MW/m2，大面积指辐射加热器可根据参试结构的尺寸进行设计，总加热面积不受限制。
为了实现高功率的辐射加热，需要满足以下两个条件：(1)大功率的石英灯加热元件；(2)加热元件的密排列，形成石英灯组。目前，在国内石英灯的应用技术上，单支灯达到3.6kW、灯长度300mm，即达到了较高的功率水平。密排列的石英灯组指的是灯间距小于1mm。
反射器1的作用：(1)构造辐射加热器的形状；(2)支撑汇流排3及石英灯组；(3)反射辐射能量，提高加热效率。反射器1一般采用硬铝材料加工，反射表面抛光，表面粗糙度不高于0.8。高功率、大面积辐射加热要求反射器具有足够的主动冷却能力，冷却方式采用水冷式，反射器1的设计为中空式，冷却水从底端进入反射器1，从上端排出，冷却水应对整个反射器1起到冷却效果，不能存在冷却死角。冷却水的通入量应使得反射器1温度不超过100℃，也就是反射器1的出水温度不超过100℃。冷却水流量的计算方法如下：设定辐射热流密度为q(W/m2)，反射率λ(％)，冷却面积s(m2)，冷却水的初始温度为t(℃)，水的比热容c(J/Kg℃)，设计余量系数为n，冷却水的出水温度为T(℃)，冷却水流量Q(kg/s)，则
汇流排3的作用：(1)石英灯5的安装支撑，形成石英灯组；(2)连接动力电缆，为石英灯5供电。汇流排3采用黄铜加工，汇流排具有主动冷却能力，冷却方式采用水冷式。汇流排的冷却水接口设计在两个端头，冷却水从一端进入，一端排出。冷却水的通入量应使得汇流排3温度不超过100℃，也就是汇流排3的出水温度不超过100℃。冷却水流量的计算公式与反射器的相同。
绝缘子2是安装在反射器与汇流排电极之间的陶瓷绝缘装置，其作用是将反射器与汇流排隔开，防止短路。
压块4是固定石英灯5的装置，其形式为圆柱形，带螺纹，石英灯5安装在汇流排3上后，将压块4旋入汇流排3，压紧石英灯5。
本实施例中采用如下具体的参数设置：
1设计输入条件
加热面积为500mm×800mm，热流密度600kW/m2。
2石英灯辐射加热器设计
反射器1形式：水冷却平板型反射器，加工材料为硬铝，反射面粗糙度0.8，两个进水通水管，两个出水通水管。
汇流排3形式：水冷却直排汇流排，加工材料为黄铜，每组两个通水电极杆，1个实心电极杆。
石英灯5：长度300mm，单支灯功率3.6kW。
石英灯组：两排石英灯组，每排长度1000mm，两排之间间距40mm。
图1为加热器设计图。加热器冷却水流量计算如下：
辐射热流密度q＝600kW/m2，抛光后铝的反射率λ＝95％，冷却水的初始温度t＝20℃，水的比热容c＝4200J/Kg℃。
控制出水温度不超过80℃，T＝80℃，设计余量系数n＝2。
冷却面积s＝(300+300)×1000＝0.6×106mm2＝0.6m2。
图2为汇流排设计图。汇流排冷却水流量计算如下：
辐射热流密度q＝600kW/m2，汇流排的反射率λ＝50％，冷却水的初始温度t＝20℃，水的比热容c＝4200J/Kg℃。
控制出水温度不超过80℃，T＝80℃，设计余量系数n＝2。
冷却面积s＝40×1000＝0.04×106mm2＝0.04m2。
上面对本发明的实施例作了详细说明，上述实施方式仅为本发明的最优实施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (4)
1.一种石英灯辐射加热器，其特征在于：包括反射器(1)、汇流排(3)、石英灯(5)；反射器(1)为板状结构，同时作为汇流排(3)及石英灯(5)的安装支架，在反射器(1)前方，在水平方向上布置多个石英灯(5)，石英灯(5)自身朝向为垂直方向，石英灯(5)垂直方向上下的两端使用石英灯灯头卡子(15)固定于汇流排(3)；在所述反射器(1)的背面，在反射器背板(8)的上下位置分别设置有通水管(9)，冷却水从下方的通水管(9)进入反射器(1)，从上方的通水管(9)流出；在汇流排(3)两侧各设置一个通水电极杆(11)，冷却水从一侧的通水电极杆(11)进入汇流排(3)，从另一侧的通水电极杆(11)排出，进行冷却；在汇流排(3)中部设置实心电极杆(12)，通水电极杆(11)和实心电极杆(12)对石英灯(5)进行供电，并且汇流排(3)的通水电极杆(11)和实心电极杆(12)穿入在反射器(1)上设置的电极安装孔(6)进行固定。
2.如权利要求1所述的一种石英灯辐射加热器，其特征在于：设置绝缘子(2)穿过反射器(1)的各个电极安装孔(6)，用于各个电极与反射器(1)的绝缘。
3.如权利要求1所述的一种石英灯辐射加热器，其特征在于：汇流排(3)安装于反射器(1)上后，将石英灯(5)装入石英灯灯头卡子(15)，利用压块(4)将每个石英灯灯头(16)压住，压块(4)为圆柱形带螺纹。
4.如权利要求1所述的一种石英灯辐射加热器，其特征在于：所述反射器(1)加工材料为硬铝，反射器反射板(10)表面抛光，粗糙度不高于0.8；汇流排(3)材料为黄铜。
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