CN106839420A - 一种用于获取高温高压空气的电加热容器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及加热容器领域，公开了一种用于获取高温高压空气的电加热容器，包括承压壳体(1)和内壳体(4)，所述的内壳体(4)位于承压壳体(1)的内部，且内壳体(4)与承压壳体(1)之间设置有隔热层(5)，所述的承压壳体(1)具有进气口(11)和出气口(12)，所述内壳体(4)的内部设有蓄热体(3)，该蓄热体(3)具有若干连通所述进气口(11)和出气口(12)的导气通孔(13)；所述蓄热体(3)的内部均布有用于向蓄热体(3)辐射传热的电预热元件(2)。本发明通过电预热元件预热蜂窝状的蓄热体到试验的要求温度，空气持续通过加热容器时，穿过蓄热体的导气通孔时发生强制换热，能获得持续稳定的高温高压气流。

Description

一种用于获取高温高压空气的电加热容器

技术领域

本发明涉及加热容器领域，尤其是适用于风洞试验的加热容器。

背景技术

在高超声速风洞试验中，由于空气进入喷管加速膨胀，气流的温度迅速下降，在试验段内会发生凝结，形成气-液两向流，这是风洞模型模拟试验不允许的，本发明便是为了解决这一难题而提出的。

近年来，在气流加热方面，通常采用三种加热方式：

(1)电弧加热方式：高压直流电弧通过辐射，传导和对流方式加热空气，产生高温气流。这种加热方式在加热过程中会使空气组分发生变化，产生氮氧化物，不适合对空气组分要求高的风洞试验中，且受电功率的限制，加热器的排气量小，压力低。

(2)燃烧加热方式：通过燃烧一部分空气组分获得所需空气组分。这种加热方式虽然可以获得很高的空气温度，但是这种方式同样会改变空气组分，对空气质量要求高的风洞试验仍然不合适，往往用于小功率加热器。

(3)换热加热方式：通过强制为主，热交换方式，将加热元件的热量传递给气流。此方法分为即热式和蓄热式，即热式在运行过程中需始终保持能量输入，可以连续运行；蓄热式一般在气流流过之前先将其他形式的能量以热能的形式储存在加热元件中，器储存的热量会逐渐减少，气流通过为间歇式，加热后的空气纯净，能较好的贴近自然空气组分，但受加热元件材料的限制，加热温度最高在1400K左右。

另外，随着风洞试验对空气参数要求的不断提高，需要解决如下现实问题：(1)运行可持续性；(2)空气组分纯净；(3)空气温度可控可调；(4)承受高温；(5)承受高压。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是按压力容器的设计、制造和管理理念提出了一种结构简单稳定、制造加工容易、可连续性运行的加热容器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于获取高温高压空气的电加热容器，包括承压壳体和内壳体，所述的内壳体位于承压壳体的内部，且内壳体与承压壳体之间设置有隔热层，所述的承压壳体具有进气口和出气口，所述内壳体的内部设有蓄热体，该蓄热体具有若干连通所述进气口和出气口的导气通孔；所述蓄热体的内部均布有用于向蓄热体辐射传热的电预热元件。

所述的承压壳体是整个设备的承压件，设计时，根据工作压力和工作温度及蓄热量要求，按压力容器相关规范确定设计压力和设计温度以及壳体型式。由于蓄热体可在电预热元件的作用下被加热到试验要求的温度，而蓄热体内部又具有若干导气通孔(即其截面呈蜂窝状)，因此气体在穿过这些蜂窝状的导气通孔时，便会与蓄热体发生热交换，从而使得出气温度得以升高。所述内壳体的作用是承温以及分隔隔热层与蓄热体，以在内壳体内形成高温空气的工作空间。

进一步的，所述电加热容器为立式容器；所述的承压壳体包括承压筒体、承压筒体上封头和承压筒体下封头，对应地，所述的内壳体包括内壳筒体、内壳筒体上封头和内壳筒体下封头；所述的蓄热体和电预热元件设置在内壳筒体的腔体内，所述的进气口设置在承压筒体下封头上且与内壳筒体下封头的腔体连通，所述的出气口设置在承压筒体上封头上且与内壳筒体上封头的腔体连通；在承压壳体内，位于进气口与蓄热体之间还设置有内部元件支撑装置，该内部元件支撑装置包括支撑板和支撑柱，所述的内壳筒体密封固定于支撑板的顶部，支撑板的底部与所述的内壳筒体下封头密封连接，支撑板的内部均布有若干连通所述导气通孔和进气口的气孔，所述支撑柱的底部固定于承压筒体下封头上，顶部用于支撑所述的支撑板。

所述支撑板的结构、厚度以及选材需综合考虑安全性和经济性等因素。

进一步的，所述的电预热元件为不锈钢电热棒。

进一步的，所述的电热棒沿容器的轴向布置，电热棒的底端固定在所述的支撑板上，电热棒的顶端连接有引电装置，该引电装置固定在所述的承压筒体上封头上。

进一步的，所述电热棒的数量为6～12根，均匀分布在所述的蓄热体内，所述引电装置引入的电流为三相电流。引电装置的组数需根据蓄热量计算而得。

进一步的，所述内壳筒体的壁面均布有泄压孔，泄压孔的开孔率为0.4％～0.6％。

进一步的，所述隔热层的厚度为350～450mm，隔热层的填充材料为硅酸铝耐热纤维。隔热层是为了保护承压壳体不受高温破坏，根据试验要求，本发明内的工作空气最高温度需要约1000℃，随着试验马赫数的加大，工作温度将还需进一步提高，工作压力大约在12～15MPa间，如此高的工作压力和工作温度如果直接作用在承压壳体上，那显然无法承受；工作期间承压壳体的金属温度需要降到100℃以下，经过保温绝热计算，绝热层厚度大约为400mm，填充材料为硅酸铝耐热纤维时，可将承压壳体壁温降到60～80℃左右。

进一步的，所述的气孔在支撑板上呈斜向错列布置，且气孔的开孔率大于50％。

进一步的，所述气孔的孔径优选φ28mm。

进一步的，所述支撑板的正中设有可拆卸的人孔，以供人员进出维护使用。该人孔的直径优选φ400mm。

进一步的，所述承压筒体上封头的壁面设有水冷夹套。该水冷夹套用于冷却上封头的金属壁温，考虑出气口未完全绝热，热量传导到承压筒体上封头会造成封头金属温度过高，所以加装水冷夹套冷却降温，该水冷夹套可由球片拼接而成。

进一步的，所述的蓄热体由若干蓄热单元松散堆叠而成。蓄热单元可以为方砖块形，具有蜂窝状的导气通孔，蓄热单元的松散堆放，能使电预热元件产生的热量辐射传热更充分。蓄热体的温度达到试验需要的温度后，可控制电流的输入，使蓄热体温度稳定在试验要求的温度范围内。

进一步的，所述承压壳体的外壁安装有支座，用于支撑整个设备及其附件的重量。与整体系统相配合，该支座优选带刚性环耳式支座，支座置于水泥墩上，支座与水泥墩采用螺栓连接。另外，支座上还设置有起吊板，便于对整个设备的竖立和安装。

进一步的，所述承压壳体的壁面设置有热电偶装置，用于对壳体壁温实时监测。优选地，在承压壳体外表面间隔一定距离布置一个壁温测点，并设置超温停车点，以防止因隔热层损坏而造成的设备壳体局部超温。

本发明利用电预热元件(电热棒)预热蜂窝状的蓄热体到试验的要求温度，然后高压气流通过，利用强迫对流热交换使气流迅速加热到要求的温度，从而防止了试验气流冷凝。

本加热容器有效解决了风洞试验发展对空气高参数的要求，具有以下有益效果：(1)通过电预热元件预热蜂窝状的蓄热体到试验的要求温度，空气持续通过加热容器时，穿过蓄热体的导气通孔时发生强制换热，能获得持续稳定的高温高压气流；(2)本加热容器的加热方式属于换热加热方式的一种，加热后得到的空气组分纯净，没有组分变化；(3)通过引电装置改变输入电流，可以精细调节蓄热能量，进而可调整出气气流的温度；(4)可以根据实验要求选用蓄热体材料，采用耐热低合金钢的蓄热体最高可到1500K，采用非金属的蓄热体可到3500K，能满足现阶段风洞试验所需求的最高温度；(5)本发明采用了压力容器的设计理念，可承受高压。

附图说明

图1是本发明的加热容器的结构示意图；

图2是图1的加热容器上部分的放大图；

图3是图1的加热容器下部分的放大图；

图4是蓄热体横截面的示意图(本图可看出导气通孔在横截面呈蜂窝状布置)；

图5是引电装置的结构示意图；

图中标记为：1-承压壳体，2-电预热元件，3-蓄热体，4-内壳体，5-隔热层，6-内部元件支撑装置，7-引电装置，8-水冷夹套，9-支座，10-热电偶装置，11-进气口，12-出气口，13-导气通孔，14-承压筒体，15-承压筒体上封头，16-承压筒体下封头，17-内壳筒体，18-内壳筒体上封头，19-内壳筒体下封头，20-支撑板，21-支撑柱，22-气孔，23-引电棒，24-法兰盖，25-绝缘管，26-螺栓，27-螺母，28-垫圈。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细介绍，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

本发明提供的电加热容器有效解决了风洞试验发展对空气高参数的要求，价格便宜、结构简单、易于加工安装和维修。以某8～10马赫高超音速试验对加热器的要求为例，结合下述示意图进行详细说明。

技术参数如下表：

名称	参数
		设计压力MPa	15
设计温度℃	100(进口200/出口300)
		介质	空气
腐蚀裕度mm	1.0
		蓄热体温度℃	1000
内部件重量kg	350000
		焊缝系数	1.0
夹套设计压力MPa	0.6
		夹套设计温度℃	100
夹套介质	水
		夹套腐蚀裕量mm	1.0
夹套焊缝系数	0.85

如图1、图2、图3和图4所示，本发明的一种用于获取高温高压空气的电加热容器，其为立式容器，包括承压壳体1和内壳体4，内壳体4位于承压壳体1的内部，内壳体4与承压壳体1之间设置有隔热层5。

所述的承压壳体1包括承压筒体14、承压筒体上封头15和承压筒体下封头16，对应地，所述的内壳体4包括内壳筒体17、内壳筒体上封头18和内壳筒体下封头19。承压筒体下封头16上设置有进气口11，该进气口11与内壳筒体下封头19的腔体连通，相应地，承压筒体上封头15上设置有出气口12，该出气口12与内壳筒体上封头18的腔体连通。所述的内壳筒体17的腔体内设置有蓄热体3和电预热元件2，内壳筒体17的壁面均布有泄压孔，泄压孔的开孔率为0.5％。具体地，所述的蓄热体3由若干蓄热单元松散堆叠而成，各蓄热单元为方砖块形，其内部具有若干轴向的孔，若干蓄热单元堆叠后，在整个蓄热体内部形成若干轴向的导气通孔，该导气通孔连通了所述的进气口11和出气口12，为气体流动的必经路段；所述的电预热元件2采用不锈钢电热棒，该电热棒用于向蓄热体3辐射传热，其沿容器的轴向均匀布置在蓄热体3内部，电热棒的顶端连接有引电装置7，该引电装置7固定在所述的承压筒体上封头15上。

另外，由于电预热元件2、蓄热体3、内壳体4、隔热层5等重量约350吨，因此，在承压壳体1内还设置有用于支撑上述元件的内部元件支撑装置6。该内部元件支撑装置6设置在进气口11与蓄热体3之间，其包括支撑板20和4根支撑柱21；内壳筒体17密封固定于该支撑板20的顶部，电热棒的底端插入支撑板20顶部的孔内，支撑板20的底部与所述的内壳筒体下封头19密封连接，支撑板20的内部均布有若干连通所述导气通孔13和进气口11的气孔22；所述支撑柱21的底部固定于承压筒体下封头16上，顶部用于支撑所述的支撑板20；由此支撑板20作为主要支撑件，用于承受上述元件的重量，其通过支撑柱21将重量传递到承压筒体下封头16。另外，为了便于人员进入内壳体4进行维护，在支撑板20的正中设有可拆卸的人孔。

考虑出气口12未完全绝热，热量传导到承压筒体上封头15会造成封头金属温度过高，因此，在承压筒体上封头15的壁面设有水冷夹套8；另外，在承压壳体的外壁还安装有支座9，用于支撑整个设备及其附件的重量；再者，在承压壳体1的外表面还布置有热电偶装置10，用于对承压壳体的壁温实时监测。

关于本加热容器的选材和结构设计：(1)根据蓄热量需求，计算设备容积，根据蓄热体为蜂窝形、方砖块状结构松散堆放的安装形式，确定设备形式为圆柱形，在由公司生产能力及现有封头模具规格，综合考虑经济合理性确定设备直径及高度；(2)电热棒通过引电装置引入三相电流，根据输入能量要求核算本实施例需采用8根φ25mm的不锈钢电热棒，各电热棒均匀分布在内壳筒体内；(3)蓄热单元需要在1000℃下不被烧坏，且能在气流通过时，迅速强制进行热交换，这就要求能有尽可能多的换热面积，以达到快速热交换的目的，本实施例的蓄热单元选用16Cr25Ni20Si2材料；(4)内壳体作用是分隔耐热层与蓄热体并能承受1000℃高温，因此本实施例内壳体的材料选用5mm厚的16Cr25Ni20Si2板材，内部通过活动连接的方式安装，内壳体设计时需考虑现场安装的空间限制，内壳筒体的底部插入支撑板的槽内并密封固定；(5)隔热层是为了保护承压壳体不受高温破坏，根据试验要求，本发明内的工作空气最高温度需要约1000℃，工作压力大约在12～14MPa之间，如此高的工作压力和工作温度如果直接作用在承压壳体上，那显然无法承受，工作期间壳体的金属温度需要降到100℃以下，经过保温绝热计算，绝热层填充材料为硅酸铝耐热纤维，厚度大约为400mm时，可将承压壳体的壁温降到60～80℃左右，因此承压壳体的材料选用普通的Q345R钢板即可；(6)支撑板上的气孔呈斜向错列布置，开孔率大于50％，孔径优选φ28mm，支撑板上人孔的直径优选φ400mm，通过应力分析计算，支撑板的材料选择S31008锻件，直径为φ1854mm，厚度350mm，支撑柱选用S31008锻管，外径为φ193.7mm，壁厚为28mm，该支撑板和支撑柱能满足刚度支撑，不坍塌变形；(7)引电装置用于引入交流电源，单组引电装置的功率为300kw，电压为3相380V，据蓄热量计算，共需设置6组引电装置，如图5所示，引电装置由引电棒23、法兰盖24、绝缘管25、螺栓26、螺母27、垫圈28等组成，其中法兰盖24与承压筒体上封头15固定，引电棒23与通过导电元件与电热棒相连；(8)水冷夹套由12片厚度为δ10mm的，材料为Q345R的球片拼接而成；(9)承压壳体外壁安装的支座选用带刚性的环耳式支座，与整体系统相配合，带刚性的环耳式支座置于水泥墩上，支座与水泥墩采用螺栓连接，支座上设置4只起吊板，用于对整个设备的竖立和安装；(10)热电偶装置在承压壳体上每间隔一定距离布置一个，对壁温进行实时监测，并设置超温停车点，以防止因隔热层损坏而造成的承压壳体局部超温。

本发明通过结构上的设计，材料选择上的突破，用电加热的方式获得纯净的高温高压空气。空气从进气口进入后，通过蓄热体蜂窝状的导气通孔时，会与高温的蓄热体换热，最终在出气口获得持续稳定、组分纯净的高温高压空气。本发明通过改变输入电流的大小还可以调整出气气流的温度。需说明的，根据使用空气的参数不同、压力温度等级不同，材料和结构也可做出相应的变动和修改。

Claims (10)

1.一种用于获取高温高压空气的电加热容器，包括承压壳体(1)和内壳体(4)，所述的内壳体(4)位于承压壳体(1)的内部，且内壳体(4)与承压壳体(1)之间设置有隔热层(5)，所述的承压壳体(1)具有进气口(11)和出气口(12)，其特征在于：所述内壳体(4)的内部设有蓄热体(3)，该蓄热体(3)具有若干连通所述进气口(11)和出气口(12)的导气通孔(13)；所述蓄热体(3)的内部均布有用于向蓄热体(3)辐射传热的电预热元件(2)。

2.根据权利要求1所述的一种用于获取高温高压空气的电加热容器，其特征在于：所述电加热容器为立式容器；所述的承压壳体(1)包括承压筒体(14)、承压筒体上封头(15)和承压筒体下封头(16)，对应地，所述的内壳体(4)包括内壳筒体(17)、内壳筒体上封头(18)和内壳筒体下封头(19)；所述的蓄热体(3)和电预热元件(2)设置在内壳筒体(17)的腔体内，所述的进气口(11)设置在承压筒体下封头(16)上且与内壳筒体下封头(19)的腔体连通，所述的出气口(12)设置在承压筒体上封头(15)上且与内壳筒体上封头(18)的腔体连通；在承压壳体(1)内，位于进气口(11)与蓄热体(3)之间还设置有内部元件支撑装置(6)，该内部元件支撑装置(6)包括支撑板(20)和支撑柱(21)，所述的内壳筒体(17)密封固定于支撑板(20)的顶部，支撑板(20)的底部与所述的内壳筒体下封头(19)密封连接，支撑板(20)的内部均布有若干连通所述导气通孔(13)和进气口(11)的气孔(22)，所述支撑柱(21)的底部固定于承压筒体下封头(16)上，顶部用于支撑所述的支撑板(20)。

3.根据权利要求2所述的一种用于获取高温高压空气的电加热容器，其特征在于：所述的电预热元件(2)为不锈钢电热棒。

4.根据权利要求3所述的一种用于获取高温高压空气的电加热容器，其特征在于：所述的电热棒沿容器的轴向布置，电热棒的底端固定在所述的支撑板(20)上，电热棒的顶端连接有引电装置(7)连接，该引电装置(7)固定在所述的承压筒体上封头(15)上。

5.根据权利要求4所述的一种用于获取高温高压空气的电加热容器，其特征在于：所述电热棒的数量为6～12根，均匀分布在所述的蓄热体(3)内，所述引电装置(7)引入的电流为三相电流。

6.根据权利要求2所述的一种用于获取高温高压空气的电加热容器，其特征在于：所述内壳筒体(17)的壁面均布有泄压孔，泄压孔的开孔率为0.4％～0.6％。

7.根据权利要求2所述的一种用于获取高温高压空气的电加热容器，其特征在于：所述隔热层(5)的厚度为350～450mm，隔热层(5)的填充材料为硅酸铝耐热纤维。

8.根据权利要求2所述的一种用于获取高温高压空气的电加热容器，其特征在于：所述的气孔(22)在支撑板(20)上呈斜向错列布置，且气孔(22)的开孔率大于50％。

9.根据权利要求2所述的一种用于获取高温高压空气的电加热容器，其特征在于：所述承压筒体上封头(15)的壁面设有水冷夹套(8)。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的一种用于获取高温高压空气的电加热容器，其特征在于：所述的蓄热体(3)由若干蓄热单元松散堆叠而成。