CN108195870A - 一种快速响应的超高温加热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速响应的超高温加热系统，属于加热装置设计技术领域。加热装置包括：石英灯管、灯管夹及灯管安装座；石英灯管通过灯管夹水平安装在所述灯管安装座上，灯管安装座两端分别与水冷管路连接，对所述灯管安装座及灯管夹进行降温；风冷管路由进气管路及排气管路组成，所述进气管路的出气口及排气管路的吸气口分别设置在石英灯管的两端，且在靠近石英灯管的管壁形成冷却气流；所述非接触温度测量系统采集所述石英灯管的表面温度并传输给风机控制系统，从而风机控制系统调节风冷管路中冷气的流速。本发明保证石英灯管进行降温的同时，还可以防止对试验件的温度场的影响；同时主动冷却控制技术的采用，可以提高制冷效率和制冷精度。

Description

一种快速响应的超高温加热系统

技术领域

本发明属于加热装置设计技术领域，具体涉及一种快速响应的超高温加热系统。

背景技术

随着国家航天航空工业的迅速发展以及国家的战略需求，高超音速飞机、重复使用运载器等飞行器是未来研究的热点。而飞行器在飞行过程中会受到严重的气动加热作用，导致飞行器结构温度升高，降低材料的强度和结构刚度，进而影响飞行器的承载能力。

近年来，随着飞行器的飞行速度的提高，飞行器表面承受的温度更高，热流更大，为了验证飞行器抵抗极端热环境的能力，需开展超高温环境(>1600℃)的热强度试验。而以往的高温热强度试验中，通常采用石英灯管辐射加热器进行热载荷的施加，但是受制于石英灯管的材料软化温度在1600℃左右，直接采用石英灯管进行超高温热强度试验是不可行的。对于这类试验，通常的方法是采用石墨加热器、硅碳加热器、硅钼加热器，但是该类加热器的热惯性较大，升温速率较慢，并且该类加热器在超高温环境下易发生氧化，当不研究实验对象的氧化性能时，需建立真空环境或充满惰性气体的试验环境。此外，无论采用何种加热器，对于超高温(1600℃)的情况，当试验环境的电力不足时，甚至难以实现1600℃以上的超高温环境。

发明内容

本发明的目的：为了解决上述问题，本发明提出了一种快速响应的超高温加热系统，利用石英灯管加热器的快速响应能力，可实现快速响应的超高温加热，同时采用了高反射率的反射板设计，保证了灯管辐射热的高效率利用，尽可能用较少的电能实现超高温环境的实现，同时采用主动风冷系统来精确控制石英灯管的温度，保证石英灯管在超高温环境下不发生软化，并且冷却过程中的冷却气流不会对试验件表面的温度场形成干扰。

本发明的技术方案：一种快速响应的超高温加热系统，包括：加热装置、风冷管路、水冷管路、非接触温度测量系统及风机控制系统；

所述加热装置包括：石英灯管、灯管夹及灯管安装座；

所述石英灯管通过灯管夹水平安装在所述灯管安装座上，所述灯管安装座两端分别与水冷管路连接，对所述灯管安装座及灯管夹进行降温；

所述风冷管路由进气管路及排气管路组成，所述进气管路的出气口及排气管路的吸气口分别设置在所述石英灯管的两端，且在靠近石英灯管的管壁形成冷却气流；

所述非接触温度测量系统采集所述石英灯管的表面温度并传输给所述风机控制系统，从而所述风机控制系统调节风冷管路中冷气的流速。

优选地，所述进气管路一端与冷气源连接，另一端端口设置在石英灯管的安装位置处；

所述进气管路设置有第一轴流风机及流量调节蝶阀；所述第一轴流风机及流量调节蝶阀分别与所述风机控制系统连接。

优选地，所述排气管路靠近石英灯管的端口设置有锥形吸口，换热后的冷却气体经设置在所述排气管路的第二轴流风机抽吸后排出。

优选地，所述风机控制系统同步控制所述第一轴流风机及所述第二轴流风机的转速。

优选地，所述进气管路的出气口及排气管路的吸气口的安装轴线处于同一水平面；

所述两者的安装轴线位于所述石英灯管的侧壁上侧。

优选地，还设置有反射板及防护板及电极；

所述电极设置在设置在石英灯管远离试验件的一侧，

所述反射板设置在电极与石英灯管之间，所述防护板设置在电极远离石英灯管的一侧。

优选地，所述反射板靠近石英灯管的一侧进行抛光处理；

所述发射板背离石英灯管的一侧设置有多个冷却空腔，所述冷却空腔与所述水冷管路连通。

本发明技术方案的有益效果：本发明采用石英灯管作为加热系统，采用一套高精度的主动冷却系统对石英灯管进行风冷降温，原理明晰，风管冷却管路可以保证石英灯管进行降温的同时，还可以防止对试验件的温度场的影响。同时主动冷却控制技术的采用，可以提高制冷效率和制冷精度。

附图说明

图1为本发明一种快速响应的超高温加热系统的一优选实施例的结构示意图；

其中，1-石英灯管，2-灯管夹，3-灯管安装座，4-水冷管路，5-进气管路，6-排气管路，7-反射板，8-防护板，9-电极，10-试验件，51-第一轴流风机，52-流量调节蝶阀，61-锥形吸口，62-第二轴流风机。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，一种快速响应的超高温加热系统，具有热响应速度快，易于温度控制等特点，在试验中往往只需要对石英灯管组的输出功率进行控制，即可调节石英灯对试验件表面的热辐射影响。主要由加热装置、风冷管路、水冷管路、非接触温度测量系统及风机控制系统组成；

加热装置包括：石英灯管1、灯管夹2及灯管安装座3；

石英灯管1通过灯管夹2水平安装在灯管安装座3上，在超高温加热环境中，石英灯管1的灯管安装座3、灯管夹2会受到超高温环境影响，为了防止其发生变形，影响石英灯管1的结构形式以及试验的安全进行，需要对石英灯管1采用水冷管路对其进行冷却，因此灯管安装座3两端分别与水冷管路4连接，对灯管安装座3及灯管夹2进行降温，防止其受热变形。

在超高温的环境中，为了防止石英灯管1发生软化，需采用主动风冷管路对石英灯管1进行降温。

风冷管路由进气管路5及排气管路6组成，采用两套管路，分别布置在石英灯管1的两侧，进气管路5的出气口及排气管路6的吸气口分别设置在石英灯管1的两端，开口与灯管在同一个水平面上，且在靠近石英灯管1的管壁形成冷却气流；

可以理解的是：进气管路5的出气口及排气管路6的吸气口的安装轴线处于同一水平面，两者的安装轴线位于所述石英灯管1的侧壁上侧。

本实施例中，进气管路5一端与冷气源连接，另一端设置在石英灯管1的安装位置处；

进气管路5设置有第一轴流风机51及流量调节蝶阀52，第一轴流风机51及流量调节蝶阀52分别与风机控制系统连接。

排气管路6靠近石英灯管的端口设置有锥形吸口61，换热后的冷却气体经设置在所述排气管路6的第二轴流风机62抽吸后排出。

在此进气管路5内部安装大流量的第一轴流风机51对其进行送风，为了防止冷却流对石英灯管1热辐射的干扰，冷却流采用无色透明的流体，冷却流从进气管路5一端开口出去对石英灯管1进行降温冷却，在排气管路6的另外一端内部安装大流量的第二轴流风机52，降低管路内压力吸入冷却气流进行，使得冷却气流可以保持与石英灯管1一致的方向进行冷却，防止冷却气流对石英灯管1上方的试验件温度场产生干扰，同时这样可以使石英灯管1的降温效率达到最高。

非接触温度测量系统采集石英灯管1的表面温度并传输给风机控制系统，测量系统采集的温度对控制系统进行反馈，根据反馈的温度对轴流风机流量与蝶阀的开度进行调节，实现石英灯管的自动冷却控制精度，还可以使制冷效率提高。

本实施例中，风机控制系统同步控制第一轴流风机61及第二轴流风机62的转速，进而调节风冷管路中冷气的流速，避免冷却气流对石英灯管上方的试验件温度场产生干扰。

为了实现超高温环境，提高石英灯管1的辐射热能力，需布置反射板7，反射板7设置在电极9与石英灯管1之间；

反射板7布置在石英灯管1的后方，其由高反射率的耐超高温的金属材料制成，反射板7的靠近石英灯管1表面采用抛光处理，一方面可以提高表面的反射率，使背离试验件方向的大部分热辐射反射回试验件10，另一方面又可以减少反射板吸收的热量，降低反射板7的温度，从而提高试验的热效率及排除试验区域与周围环境之间的相互影响，还防止石英灯管后方的电极9受到高温影响。

此外，在此超高温环境下，若不采用冷却设备对反射板7进行降温，会使反射板发生严重热变形，因而在反射板7的内部设计了多个冷却空腔，冷却空腔7与水冷管路连通，冷却水从一端的通水接头流入反射板内部冷却空腔，再从另一端的通水接头流出反射板，形成冷却水循环，使反射板可以在正常工作温度下工作。

防护板8设置在电极9远离石英灯管1的一侧，同时了防止在通电状态下，试验人员发生触电事故，采用电极防护板8对电极9进行防护。

本实施例中，在风冷管路的设计中，需根据试验类型对冷却管路进行设计，冷却管路的口径需大于石英灯管的横向距离，保证石英灯管都可以受到冷却气流的冷却，冷却气流温度T_冷却流与石英灯管温度T_石英灯管之间满足牛顿冷却定律：

q＝A₁h(T_冷却流-T_石英灯管) (1)

其中，q为冷却气流与石英灯管之间的换热量(W)；

h为气流与灯管之间的对流换热系数(w/Km2)；

A₁为石英灯管与冷却流之间的接触面积(m2)；

而对流换热系数h主要受冷却流的流速V影响，流速V越大，对流换热系数h越大，其中冷却流的流速V有：

其中，A₂为风冷管路的开口面积；

流量Q为风冷管路中风机的流量；

由式(1)和(2)的分析可知，石英灯管的冷却效果主要受入口流量与风机风冷管路的开口口径影响，因而在设计过程中，需根据试验情况(试验温度、石英灯管数量等)预先进行流体仿真热分析，计算出可以满足冷却效果的入口最大流量和风冷管路开口口径，并对风机进行选型和管路结构形式的设计。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种快速响应的超高温加热系统，其特征在于：包括：加热装置、风冷管路、水冷管路、非接触温度测量系统及风机控制系统；

所述加热装置包括：石英灯管(1)、灯管夹(2)及灯管安装座(3)；

所述石英灯管(1)通过灯管夹(2)水平安装在所述灯管安装座(3)上，所述灯管安装座(3)两端分别与水冷管路(4)连接，对所述灯管安装座(3)及灯管夹(2)进行降温；

所述风冷管路由进气管路(5)及排气管路(6)组成，所述进气管路(5)的出气口及排气管路(6)的吸气口分别设置在所述石英灯管(1)的两端，且在靠近石英灯管(1)的管壁形成冷却气流；

所述非接触温度测量系统采集所述石英灯管(1)的表面温度并传输给所述风机控制系统，从而所述风机控制系统调节风冷管路中冷气的流速。

2.根据权利要求1所述的快速响应的超高温加热系统，其特征在于：所述进气管路(5)一端与冷气源连接，另一端端口设置在石英灯管(1)的安装位置处；

所述进气管路(5)设置有第一轴流风机(51)及流量调节蝶阀(52)；所述第一轴流风机(51)及流量调节蝶阀(52)分别与所述风机控制系统连接。

3.根据权利要求2所述的快速响应的超高温加热系统，其特征在于：所述排气管路(6)靠近石英灯管的端口设置有锥形吸口(61)，换热后的冷却气体经设置在所述排气管路(6)的第二轴流风机(62)抽吸后排出。

4.根据权利要求3所述的快速响应的超高温加热系统，其特征在于：所述风机控制系统同步控制所述第一轴流风机(61)及所述第二轴流风机(62)的转速。

5.根据权利要求1所述的快速响应的超高温加热系统，其特征在于：所述进气管路(5)的出气口及排气管路(6)的吸气口的安装轴线处于同一水平面；

所述两者的安装轴线位于所述石英灯管(1)的侧壁上侧。

6.根据权利要求1所述的快速响应的超高温加热系统，其特征在于：还设置有反射板(7)及防护板(8)及电极(9)；

所述电极(9)设置在设置在石英灯管(1)远离试验件(10)的一侧，

所述反射板(7)设置在电极(9)与石英灯管(1)之间，所述防护板(8)设置在电极(9)远离石英灯管(1)的一侧。

7.根据权利要求6所述的快速响应的超高温加热系统，其特征在于：所述反射板(7)靠近石英灯管(1)的一侧进行抛光处理；

所述发射板(7)背离石英灯管(1)的一侧设置有多个冷却空腔，所述冷却空腔与所述水冷管路连通。