CN109058985B - 一种基于旁路的蓄热体加热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于旁路的蓄热体加热方法,空心砖型蓄热式加热器上部进口通入高温燃气，下部进口连接纯净空气，下部出口分别连接低压脱压阀、高压脱压阀，上部出口连接旁路再热冷却器与高温阀，旁路再热冷却器与排气阀相连。旁路加热工作时，蓄热式加热器本体相连接阀门关闭，高温燃气通过旁路再热冷却器排出。整个发明通过在蓄热体与高温阀间增设旁路再热冷却结构，有效防止蓄热体底部支撑部分因重复实验中多次长时间受热导致材料温度过高而被破坏；将加热方式与水冷结合，降低了靠近高温阀入口处排出的高温燃气温度；实现了实验待机时蓄热体的保温及提高其加热速度的效果。可应用于高度较高、对高度方向上的温度控制要求比较严格的加热系统。

Description

一种基于旁路的蓄热体加热方法
技术领域
本发明属于航空航天实验技术领域，具体地说，涉及一种基于旁路再热的蓄热体加热方法。
背景技术
高温纯净空气试验设备对高超声速飞行器、超燃冲压发动机研制及地面试验具有至关重要的作用。蓄热式加热实验设备由于模拟飞行范围宽广，来流污染程度较低，实验持续时间较长等方面的优势，受到广泛关注。目前，蓄热式加热器技术已经在国际上得到广泛使用，极大的推动了高超声速地面试验技术的发展，并在设计方法、性能提升、制造技术等多方面得到不断完善。在目前应用的的蓄热式加热器中，主要包括球卵石形蓄热体的卵石床蓄热加热器和采用空心砖型蓄热体的空心砖型蓄热加热器两种类型，空心砖型蓄热加热器具有产生的粉尘污染更少，蓄热体变形更小，流经蓄热体的气流压降更小，蓄热体发生漂浮的可能性更小等方面的优势。但是空心砖型蓄热加热器由于多层空心砖叠加，高度较高，对高度方向上的温度控制要求比较严格，易发生支撑部分温度过高导致材料破坏问题，因此对传统加热方法提出了挑战。目前国内尚未形成有效解决此问题的加热方法。
发明内容
为实现上述目的，本发明中采取基于旁路的蓄热体加热方法。其特征在于包括以下步骤：
步骤1：预热过程
高压脱压阀(3)、调压阀(4)、排气阀(7)、高温阀(10)关闭，阀门2、12、13低压脱压阀(2)、天然气控制阀(12)、空气控制阀(13)开启，天然气和空气燃烧后产生的高温预热燃气进入加热器，然后自上而下通过蓄热式加热器本体(1)，换热后温度降低,从底部低压脱压阀(2)排出。预热过程持续时间不小于4小时。
步骤2：蓄压过程
调压阀(4)开启，其余阀门关闭，常温高压空气通过调压阀(4)进入加热器，空气被加热并充满加热器内部空间，加热器内部压力升至设定值后蓄压过程停止。
步骤3：工作过程
低压脱压阀(2)、天然气控制阀(12)、空气控制阀(13)保持关闭，调压阀(4)保持开启，高温阀(10)快速开启，高温高压空气通过高温阀(10)进入试验段，同时常温空气通过调压阀(4)不断流入加热器从而使得加热器内压力维持在设定值。工作过程持续时间达到试验所需要求后，高温阀(10)快速闭合，高压脱压阀(3)开启，调压阀(4)闭合，加热器进行冷却。
步骤4：旁路再热过程
重复实验时，低压脱压阀(2)、高压脱压阀(3)、调压阀(4)、高温阀(10)保持关闭，排气阀(7)、天然气控制阀(12)、空气控制阀(13)开启，燃烧产生高温燃气充满蓄热体后通过旁路冷却，经排气阀(7)排出。此时高温燃气辐射加热蓄热体上部，底部支撑部分温度基本保持不变，提高蓄热式加热器的加热速度，防止支撑部分温度过高发生破坏。
步骤5：待机保温阀门设置同步骤4，缩短天然气控制阀(12)、空气控制阀(13)的开启时间，从而实现蓄热体本体的保温功能。
在步骤4中，即对高温燃气的冷却。旁路冷却器为三层结构，外层为耐压管，内层为两层水冷管。蓄热加热器在预热阶段产生的高温排放气体，由上向下流经冷却器时进行冷却。耐压管上部热负荷较高，采用耐热砖隔热，内层采用纯铝制造，外层采用硅酸铝制造。水冷管需要承受高压，并要保持良好的传热性能，其前端需要高压冷却水来冷却内侧，并且水冷管前端的形状和距内壁面的距离应保证在高温排气中不会被烧毁。
有益效果
本发明提出的一种基于旁路的蓄热体加热方法，通过在蓄热体与高温阀间增设旁路再热冷却结构，有效防止蓄热体底部支撑部分因重复实验中多次长时间受热导致材料温度过高而被破坏；而且本加热方式与水冷结合，降低了靠近高温阀入口处排出的高温燃气温度，达到了保护高温阀的目的；同时，本发明也实现了实验待机时蓄热体的保温及提高其加热速度的效果。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种基于旁路的蓄热体加热方法作进一步的详细说明。
图1为本发明的旁路加热系统示意图。
图中
1-蓄热式加热器本体 2-低压脱压阀 3-高压脱压阀 4-调压阀 5-纯净空气 6-排气通风管 7-排气阀 8-旁路再热冷却器 9-实验用高温空气 10-高温阀 11-天然气 12-天然气控制阀 13-空气控制阀 14-空气
具体实施方式
本发明实施实例为氧化铝空心砖型蓄热式加热器系统，结合图一，具体工作步骤如下：
步骤1：预热过程
高压脱压阀(3)、调压阀(4)、排气阀(7)、高温阀(10)关闭，低压脱压阀(2)、天然气控制阀(12)、空气控制阀(13)开启，天然气和空气燃烧后产生的高温预热燃气(温度2000K，压力0.5MPa)进入加热器，然后自上而下通过蓄热式加热器本体(1)，换热后从底部低压脱压阀(2)排出。
步骤2：蓄压过程
调压阀(4)开启，其余阀门关闭，常温高压空气通过调压阀(4)进入加热器，空气被加热并充满加热器内部空间，加热器内部压力升至6MPa后蓄压过程停止。
步骤3：工作过程
低压脱压阀(2)、天然气控制阀(12)、空气控制阀(13)保持关闭，调压阀(4)保持开启，高温阀(10)快速开启，高温高压空气(温度1900K)通过高温阀(10)进入试验段，同时常温空气通过调压阀(4)不断流入加热器从而使得加热器内压力维持在6.5MPa，与蓄压过程相同可在F2的外侧通道内通入一定压力的空气。工作过程持续60s，然后高温阀(10)快速闭合，调压阀(4)闭合，加热器进行冷却。
步骤4：旁路再热过程
重复实验时，低压脱压阀(2)、高压脱压阀(3)、调压阀(4)、高温阀(10)保持关闭，排气阀(7)、天然气控制阀(12)、空气控制阀(13)开启，燃烧产生高温燃气充满蓄热体后通过旁路冷却，经排气阀(7)排出。此时高温燃气辐射加热蓄热体上部，底部支撑部分温度基本保持不变，提高蓄热式加热器的加热速度，防止支撑部分温度过高发生破坏。
步骤5：待机保温
阀门设置同步骤4，缩短天然气控制阀(12)、空气控制阀(13)的开启时间，从而实现蓄热体本体的保温功能。
蓄热式加热器系统的温度可达2200K以上，采用旁路蓄热体加热方法后，可以有效控制加热器支撑部分温度，防止其受到损坏。
以上实例仅用来说明本发明的技术方案，而非对其限制，本领域相关技术人员可对其进行适当修改，拓展应用。

Claims (1)

1.一种基于旁路的蓄热体加热方法,包括蓄热式加热器本体、低压脱压阀、高压脱压阀、调压阀、排气通风管、排气阀、旁路再热冷却器、高温阀、控制阀，其特征在于:通过在蓄热体与高温阀间增设旁路再热冷却结构，有效防止蓄热体底部支撑部分因重复实验中多次长时间受热导致材料温度过高而被破坏；将加热方式与水冷结合，降低了靠近高温阀入口处排出的高温燃气温度；实现了实验待机时蓄热体的保温及提高其加热速度的效果；该加热方法包括以下步骤：
步骤1：预热过程
高压脱压阀(3)、调压阀(4)、排气阀(7)、高温阀(10)关闭，低压脱压阀(2)、天然气控制阀(12)、空气控制阀(13)开启，天然气和空气燃烧后产生的高温预热燃气进入加热器，然后自上而下通过蓄热式加热器本体(1)，换热后温度降低,从底部低压脱压阀(2)排出，预热过程持续时间不小于4小时；
步骤2：蓄压过程
调压阀(4)开启，其余阀门关闭，常温高压空气通过调压阀(4)进入加热器，空气被加热并充满加热器内部空间，加热器内部压力升至设定值后蓄压过程停止；
步骤3：工作过程
低压脱压阀(2)、天然气控制阀(12)、空气控制阀(13)保持关闭，调压阀(4)保持开启，高温阀(10)快速开启，高温高压空气通过高温阀(10)进入试验段，同时常温空气通过调压阀(4)不断流入加热器从而使得加热器内压力维持在设定值，工作过程持续时间达到试验所需要求后，高温阀(10)快速闭合，高压脱压阀(3)开启，调压阀(4)闭合，加热器进行冷却；
步骤4：旁路再热过程
重复实验时，低压脱压阀(2)、高压脱压阀(3)、调压阀(4)、高温阀(10)保持关闭，排气阀(7)、天然气控制阀(12)、空气控制阀(13)开启，燃烧产生高温燃气充满蓄热体后通过旁路冷却，经排气阀(7)排出，此时高温燃气辐射加热蓄热体上部，底部支撑部分温度基本保持不变，提高蓄热式加热器的加热速度，防止支撑部分温度过高发生破坏；
步骤5：待机保温
阀门设置同步骤4，缩短天然气控制阀(12)、空气控制阀(13)的开启时间，从而实现蓄热体本体的保温功能；
在步骤4中，即对高温燃气的冷却，旁路冷却器为三层结构，外层为耐压管，内层为两层水冷管，蓄热加热器在预热阶段产生的高温排放气体，由上向下流经冷却器时进行冷却，耐压管上部热负荷较高，采用耐热砖隔热，内层采用纯铝制造，外层采用硅酸铝制造，水冷管需要承受高压，并要保持良好的传热性能，其前端需要高压冷却水来冷却内侧，并且水冷管前端的形状和距内壁面的距离应保证在高温排气中不会被烧毁。
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