CN108595746A

CN108595746A - 一种空心砖蓄热式加热器的总体设计评估方法

Info

Publication number: CN108595746A
Application number: CN201810189272.9A
Authority: CN
Inventors: 李建平; 焦贵谦; 陈亮; 宋文艳; 金荣嘉; 吴品鑫; 陈龙
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2018-03-08
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2018-09-28

Abstract

本发明公开了一套空心砖型蓄热式加热器设计与评估方法，包括：(一)加热器蓄热单元几何设计；(二)蓄热单元性能分析方法，包括蓄热单元压力损失分析方法和热应力分析方法；(三)加热器隔热层设计与分析方法；(四)加热器初步预热设计与分析方法。根据给定加热器的基准设计状态要求，采用本发明方法可以进行加热器方案几何设计，包括确定加热器的总高和最大直径、蓄热材料的高度和直径、隔热层的厚度等其它几何参数；采用本方法可以进一步评估蓄热式加热器的工作过程中的气动参数，即可以计算得到基准条件下的蓄热单元气流质量通量特性、基准运行状态下蓄热单元当地最大温差的沿程变化和预热过程蓄热阵温度径向分布等。

Description

一种空心砖蓄热式加热器的总体设计评估方法

技术领域

本发明涉及超燃冲压发动机地面实验技术设计领域，具体地说，涉及一种纯净空气空心砖蓄热式加热的超燃冲压发动机燃烧室实验系统设计评估方法。

背景技术

目前，国外蓄热式加热器的研制与应用主要集中在美国(如NASA、ASE公司和AEDC)、法国和日本(NAL)等。迄今为止，国外先后研制了30余套蓄热式加热系统，其中比较典型的有美国AEDC的9#风洞、NASA格林研究中心的高超声速风洞设备HTF、日本防卫厅研究开发局的RJTF、法国空间局的S4风洞等。目前，国内还没有用于高超声速风洞的空心砖蓄热式加热器。1998年大连北岛能源技术有限公司在国内首次实现了蓄热式技术燃烧高炉煤气在连续式轧钢加热炉上的应用，其蓄热体采用陶瓷小球。国内对蓄热式加热器的理论研究也有一些进展，黄河激等人对氧化铝多孔砖蓄热体的换热能力进行了简单估算，定义了蓄热体浮起危险系数(第三届高超声速科技学术会议，CSTAM-2010-0054，2010)。李龙飞等人提出蓄热阵的设计包括材料选择、蓄热阵几何设计、热性能和热应力分析。基于加热器使用温度选择适当的蓄热材料，以换热性能为目标，以蓄热量为标准，以热应力破坏为限制因素进行蓄热阵几何设计，难点和关键在于热应力分析(火箭推进38.2(2012):16-19)。罗飞腾等人针对空心砖型蓄热式加热器，开展了空心砖型蓄热单元初步设计研究，涉及换热性能、压降控制和热应力评估等方面(试验流体力学，2013，27(1):38-45)。截至目前，国内还没有一种完整、详细的空心砖型蓄热式加热器的总体设计评估方法。

发明内容

为了更好的开展空心砖蓄热式加热器的研制工作，本发明提出了出一套完整的空心砖型蓄热式加热器设计与评估方法，包括：(一)加热器蓄热单元几何设计；(二)蓄热单元性能分析方法，包括蓄热单元压力损失分析方法和热应力分析方法；(三)加热器隔热层设计与分析方法；(四)加热器初步预热设计与分析方法。

(一)蓄热单元几何设计

根据蓄热式加热器蓄热单元(图1)的特点(圆柱形空心砖蓄热单元、圆柱形通孔、通孔呈等边三角形分布等)，设计步骤如下：

确定初始几何设计变量如下：蓄热床的外径Z与截面积A，气流通孔直径d，孔间距s，孔间距与孔径之比s/d，截面空隙率η，当量流体通径D，通孔个数N。其中d取值范围为5～10mm，s/d取值范围为1.4～2.4。

根据加热器的规模确定出蓄热单元截面流通面积A₀，则当量流体通径蓄热体截面上气流通孔的个数

根据蓄热体截面上的等边三角形通孔分布形式，蓄热体截面的空隙率比表面积蓄热床的外径横截面积

通过上述步骤即可得到加热器全部几何参数。

(二)蓄热单元性能分析方法

1.蓄热单元压力损失分析方法

气流经过加热器蓄热单元的压力损失主要有局部损失和沿程损失两个方面。沿程摩擦压力损失的估算可按下式计算：

其中C_f为摩擦系数，与雷诺数相关；P为压力；为通孔内气流平均温度；R为气体常数；d为通孔内径；L为蓄热床通孔长度。局部压力损失可用下面实验经验公式计算：

2.蓄热单元热应力分析方法

蓄热阵内的圆柱型气流通道在截面上呈等边三角形均匀分布(如图3所示)，这种几何构型由纯径向温度梯度的圆管模型来近似，适用于孔间距与孔径比值s/d＞1.2的空心砖。加热器运行过程最大可允许的蓄热单元温度梯度和冷却率可由如下公式得到：

其中，a表示与蓄热材料物性参数相关的热扩散系数；I_a1和I_a3是与空心砖蓄热单元几何尺寸相关的参数，如下：

ΔT_lim为T_m-T₀，T_m为壁面厚度r₀至r_a范围内的平均温度，其定义如下：

T是指每一单孔截面上径向壁面温度T(r)，在表面处T_o＝T(r_o)。

(三)隔热层设计

采用圆柱形隔热分析模型，图4为加热器圆柱段双层隔热的几何模型简图。采用圆筒壁的一维导热简化计算方法。蓄热体外表面到内层隔热层的传热：

内层隔热层外表面到外层隔热层的传热：

外壳与周围空气的大空间自然对流换热：

q₃＝hπD₃(T₃-T_a)

根据热平衡有

q₁＝q₂＝q₃

其中q_i为热流量；λ₁和λ₂为内层和外层隔热材料的热传导系数；T₁为蓄热体外表面温度；T₂为内层隔热层的外表面温度，也就是外层隔热层的内表面温度；T₃为外层隔热层的外表面温度，假设等于外壳表面温度400K；T_a为周围环境温度并假定为288K；D₁、D₂、D₃分别为蓄热体、内层隔热层和外层隔热层的外径；h为外壳与周围空气的自然对流换热系数。

由δ_i＝(D_i+1-D_i)/2可得到每个隔热层厚度δ。求解双层隔热厚度时，采用固定内层厚度的方法进行设计，即首先设定内层厚度，然后利用单层厚度的优化设计方法对各物性参数进行计算，以内层外表面温度不大于外层保温材料允许使用温度作为边界条件，反复迭代，重新设计内层厚度和总厚度。

(四)加热器初步预热设计与分析

对于加热器预热分析，为了简化需要做出如下几点假设：(1)温度恒定的高温燃气从蓄热阵顶部进入，并均匀分散流过所有通孔；(2)当地流体温度与蓄热床温度相等，在蓄热阵横截面方向导热系数无穷大；(3)由于当地温度与周围环境温度的温差驱动，热量从蓄热床外围扩散损失；(4)忽略纵向热传导(即蓄热床长度方向的热传导)。

对于圆柱形壁面，当地隔热层总体热传导系数U可表示为：

其中D_bed为蓄热床外径；h为换热系数，包括自然对流和辐射；k为导热系数；r_ex为压力容器的外径；r_in,r_out分别为某隔热层的内表面和外表面半径；另外，下标1,2…表示同心轴的隔热层。下面为预热过程的简化传热方程：

T为当地温度；T_amb为初始温度，初次预热时为常温，二次预热时为上一试验周期结束后蓄热单元温度；为燃气质量流量；c_p为燃气的定压比热容；z为与蓄热床顶端的距离。C_b为蓄热阵固体材料的比热容；M为蓄热阵的单位长度重量；t为时间变量。而且具有如下边界条件：1)当t＝0时，T＝T_amb+(T_h-T_amb)e^-bz，其中2)对于所有t＞0，在z＝0处均有T＝T_h，T_h顶部进来的燃气温度。根据以上简化传热方程及边界条件，就可得到不同流量条件下预热之后的蓄热阵温度分布。

有益效果

本发明提出了一种空心砖型蓄热式加热器的总体设计评估方法，可用于空心砖型蓄热式加热器的总体设计和性能评估。

根据给定加热器的设计状态要求，采用本发明方法可以进行加热器方案设计，包括确定加热器的总高和最大直径、蓄热材料的高度和直径、隔热层的厚度等其它几何参数；采用本方法可以进一步评估蓄热式加热器的工作过程中的气动参数，即可以计算得到基准条件下的蓄热单元气流质量通量特性、基准运行状态下蓄热单元当地最大温差的沿程变化和预热过程蓄热阵温度径向分布等。本设计方法可为空心砖型蓄热式加热器方案设计和性能评估提供全套技术手段。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明一种空心砖蓄热式加热器的总体设计评估方法作进一步的详细说明。

图1为蓄热式加热器蓄热单元示意图。

图2为空心砖型蓄热单元单孔模型。

图3为空心砖型蓄热单元的单孔热应力分析模型。

图4为蓄热单元隔热计算的几何模型简图。

图5为基准条件下的蓄热单元气流质量通量特性(氧化铝)。

图6为基准条件下的蓄热单元气流质量通量特性(氧化锆)。

图7为基准运行状态下蓄热单元当地最大温差的沿程变化及最大允许值。

图8为加热器隔热层的径向截面视图。

图9为空心砖型蓄热式加热器总体结构示意图。

图10为第一调试阶段时高温燃气预热形成的蓄热阵温度分布评估

图11为第二调试阶段时高温燃气预热形成的蓄热阵温度分布评估。

图中：1.内环隔热层，2.外环隔热层，3.压力容器外壳，4.高温热衬，5.蓄热单元，6.预热燃烧器接口，7.辐射高温计，8.高温空气出口，9.温度测点，10.压力容器，11.隔热层，12.空心砖蓄热阵，13.底部支撑结构，14.空气进口。

具体实施方式

结合附图，对本发明实施例中的设计评估进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一

本实施例提供一种空心砖加热器蓄热单元设计及性能评估方法。

实施例中空心砖型蓄热式加热器设计的基准设计状态需求为：空气流量3.0kg/s、模拟总温2200K、模拟总压5.0MPa、有效运行时间至少50秒。表1给出了设计方案中的蓄热单元几何参数及采用本方法计算得到相关参数。蓄热材料采用高纯氧化铝砖和氧化锆砖。氧化铝材料配置于加热器下半部分较低温区域(1900K以下)，氧化锆材料配置于加热器上半部分较高温区域(1900K-2400K)，以满足2200K气流温度的加热需求。

基于空心砖型蓄热单元几何参数和氧化铝、氧化锆材料特性，在初始预热温度确定的前提下，对加热器性能进行计算与评估，在计算评估中取安全因子等于2。

表2为加热器设计运行状态及初始条件。根据以上初始条件，可以评估得到试验消耗热量大约占蓄热总量的14.3％。

表3列出了该基准状态下蓄热单元的几个重要参数，其中包括热应力限制参数与“漂浮限值”，带★上标分别为最大可允许的初始预热温度型斜率和当地冷却率两个热应力限制参数。

表1空心砖型蓄热式加热器蓄热单元几何参数

表2空心砖型蓄热加热器工作状态及初始条件

表3空心砖型蓄热单元的几个重要特性参数

图5和6分别显示了氧化铝、氧化锆蓄热阵中受限于热应力、“漂浮极限”的质量通量特性，星号*表示了对应于基准状态流量3.0kg/s时的实际气流质量通量，从图5和6可以看出，总体设计方案中蓄热阵实际气流质量通量远低于“漂浮限值”，可以确保加热器的安全运行。

图7显示了基准状态下0～50s运行时间内蓄热单元高度方向上当地最大温差的沿程变化以及最大允许温差。从评估结果来看，基准运行状态的当地最大温差均小于最大允许值，可以确保整体的热应力安全性；不同蓄热材质分界面处当地最大温差存在阶跃，这是因为材料特性差异引起的，但仍能满足安全性要求。

实施例二

本实施例为一种隔热层的校核方法。针对图8这一圆柱隔热结构布置进行校核计算。已知从里到外，各层分别为蓄热单元、高温热衬、内环隔热层、外环隔热层、不锈钢外壳，各层的直径分别如下：D1＝450mm，D2＝650mm，D3＝850mm，D4＝1050，D5＝1150mm。采用多层圆筒隔热的一维稳态导热关系进行校核验证，可以确定出加热器中部等直圆柱段单位高度热损失功率为：

各层外表面温度为：

热面温度(即蓄热单元外表面温度)T_in按＝2400K(高温段)和1900K(低温段)两种计算，经过隔热后不锈钢外壳温度为T_out＝400K，周围环境温度按T_amb＝288K算。代入各参数可计算得到如表5和6所示结果，各接触界面温度均满足相应隔热材料的使用温度要求。

表4最高热面温度2400K时加热器隔热结构布置及热工估算结果

表5最高热面温度1900K时加热器隔热结构布置及热工估算结果

由实施例1和实施例2可以大致确定出了空心砖型蓄热式加热器本体的基本规模，图9显示加热器本体的总体结构示意图，蓄热单元蓄热单元外径0.45m，高度5.0m，加热器本体高约7.0m，直径约1.2m。

本实施例为加热器初步预热评估方法。对于实施例一、二中的加热器设计方案，针对表6中的加热器两个运行状态，给出以下初始条件：a.从常温开始预热，即整个蓄热单元初始温度取288K；b.顶部进口燃气温度恒为1900K或2400K两种；c.预热过程分两个阶段进行，即小流量燃气预热阶段和大流量燃气预热阶段，小流量预热时为0.010kg/s，大流量预热时为0.100kg/s。图10和11分别显示了1900K和2400K时高温燃气预热形成的蓄热阵温度分布评估。其中小流量预热下达到准稳态温度分布条件大约需要3～4个小时，包括形成蓄热阵顶部恒温段在内的整个加热器预热时间大致在5个小时以内。

表6加热器蓄热材质垒积高度和目标状态要求

Claims

1.一种空心砖型蓄热式加热器设计与评估方法，其特征包括：

(一)加热器蓄热单元几何设计，包括蓄热体截面的空隙率、比表面积、蓄热床的外径和横截面积等；

(二)蓄热单元性能分析方法，包括蓄热单元压力损失分析方法和热应力分析方法，可计算得到最大可允许的初始预热温度型斜率和当地冷却率两个热应力限制参数；

(三)加热器隔热层设计与分析方法，迭代计算隔热层各个隔热材料的厚度；

(四)加热器初步预热设计与分析方法。可得到不同流量条件下预热之后的蓄热阵温度分布；

采用本发明设计评估空心砖蓄热式加热器的步骤如下：

步骤一、根据给定加热器的基准设计状态要求，采用本发明方法可以进行加热器方案几何设计，包括确定加热器的总高和最大直径、蓄热材料的高度和直径、隔热层的厚度等其它几何参数；

步骤二、更进一步评估蓄热式加热器的工作过程中的气动参数，即可以计算得到加热器蓄热单元出口温度随时间的变化、蓄热单元内沿程气流温度和固体温度分布、预热过程蓄热阵温度径向分布等。