CN110068140A - 一种近似等温壁管内加热高温空气加热器 - Google Patents

一种近似等温壁管内加热高温空气加热器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种近似等温壁管内加热高温空气加热器，涉及航空航天热管理领域，能够提高加热器的加热速度和出口温度，避免壁面超温。本发明包括：主壳体、后端盖、前端盖、进气口、出气口、炉芯和密封挡板。主壳体前端设置前端盖,末端设置后端盖,主壳体的顶部设置进气口,后端盖上设置出气口。炉芯设置于主壳体内部,炉芯内设置加热装置,加热装置使炉芯的前端至末端的加热温度逐渐降低。炉芯上下两面设置密封挡板,密挡板和主壳体之间形成空隙,密封挡板将主壳体的内壁和炉芯外围之间的空间阻隔,形成进气流道。本发明热惯性小、升温速度快（可达50℃/s）、空气出口温度高（可达900℃），且结构紧凑、可靠性高、造价较低，具有良好的应用前景。

Description

一种近似等温壁管内加热高温空气加热器
技术领域
本发明涉及航空航天热管理领域，尤其涉及一种近似等温壁管内加热高温空气加热器。
背景技术
在航空航天器地面模拟试验中，通常需要对高压空气快速加热（可达20℃/s），且出口温度要求较高（可达1000℃）。传统的管外加热式加热器热惯性大、升温速率慢、且出口温度较低，难以满足航空航天器地面模拟试验要求。在金属管两端直接加电，空气在管内加热是一种响应速度更快的加热方式。但是如果金属管采用传统的等规格管路，温度相同时各处电阻相等。但从入口到出口处，随着空气温度逐渐升高，金属壁面温度也逐渐升高，金属管电阻增大，导致后端加热量显著高于前端加热量，壁面和空气的温差逐渐增大，不仅导致壁面容易超温，而且空气出口温度难以提高，如图2所示。此外，管内直接加热的方式还需要解决带电壁面温度测量问题、管内换热面积不足等问题。
综上可知，现有技术中缺乏一种升温速率快、出口温度高、可有效防止壁面超温的高温高压加热器。
发明内容
本发明提供一种近似等温壁管内加热高温空气加热器，能够提高加热器的加热速度和出口温度，避免壁面超温。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种近似等温壁管内加热高温空气加热器，包括:主壳体、后端盖、前端盖、进气口、出气口、炉芯和密封挡板。
主壳体为圆柱形,前端设置前端盖,末端设置后端盖,主壳体的顶部设置进气口,后端盖上设置出气口。
炉芯平行设置于主壳体内部,并且炉芯是开放式的,可供气体通过的结构;炉芯内设置加热装置,加热装置使得炉芯的前端至末端的加热温度逐渐降低。
炉芯外围设置密封挡板,密封挡板和主壳体之间形成空隙,密封挡板靠近后端盖的一端将主壳体的内壁和炉芯外围之间的空间阻隔,阻隔的位置在进气口后方,密封挡板和主壳体之间的空间为进气流道。
气流从主壳体顶部流入,气体通过进气流道进行预热，然后流入炉芯加热,气流通过炉芯加热后通过出气口流出。
进一步的，炉芯由若干横挡板和竖挡板组合而成，横挡板平行于主壳体内部，竖挡板垂直于横挡板，横挡板之间通过竖挡板连接，竖挡板上设置若干金属加热管，金属加热管根据其在炉芯中的位置，从前端到后端电阻逐渐减小，增加炉芯前端的加热量，降低后端加热量，使得不同位置的金属加热管壁温近似相等。
进一步的，金属加热管根据其在炉芯中的位置，从前端到后端金属加热管的管壁厚度逐渐增加。
进一步的，炉芯由若干横挡板和竖挡板组合而成，横挡板平行于主壳体内部，竖挡板垂直于横挡板，横挡板之间通过竖挡板连接，竖挡板上设置若干金属加热管，金属加热管根据其在炉芯中的位置，从前端到后端金属加热管的管壁厚度逐渐增加。
进一步的，金属加热管内部设置肋片，增大换热面积。
进一步的，金属加热管末端设置绝缘测温环，绝缘测温环内设置温度测量装置监测金属加热管壁面温度。
进一步的，后端盖和前端盖为可拆卸结构。
进一步的，炉芯为一体化结构，可从主壳体中整体拉出。
本发明的有益效果为：
本发明通过炉芯上的金属管加热空气,空气在炉芯内流动加热，系统热惯性小、升温速率快，满足航空器地面模拟试验快速控制需求；金属管内壁采用肋化处理，又大幅提高管内传热面积，进而提高出口空气温度，进一步提高加热效率；而且金属管采用变电阻结构，依据金属管的设置位置，电阻从前往后逐渐减小，有效增大前端加热量、减小后端加热量，提高出口温度，出口温度可达900℃，有效避免了壁面超温；在加热前,气体通过进气流道才流入炉芯，在加热前空气首先被炉芯预热，并且进气流道在炉芯和主壳体之间形成了隔热层，对炉芯内加热的气体具有一定的保温作用；金属管末端还设置绝缘测温环，解决了带电测温问题，可实现最高管壁温度（出口处管壁温度）实时监控，进一步的防止金属管壁面超温。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为常温时电阻恒定情况下沿加热流程壁面温度和空气温度；
图3为本发明变电阻情况下沿加热流程壁面温度和空气温度；
图4为本发明采用变管壁厚度达到变电阻目的示意图；
图5为金属管内部肋片的示意图。
其中，1-主壳体、2-后端盖、3-前端盖、4-进气口、5-出气口、6-炉芯、61-横挡板、62-竖挡板、63-绝缘环、64-金属加热管、65-肋片、7-进气流道、8-密封挡板、9-测温装置、10-绝缘测温环。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例提供一种近似等温壁管内加热高温空气加热器，如图1所示，包括：主壳体1、后端盖2、前端盖3、进气口4、出气口5、炉芯6、密封挡板8。
主壳体1为圆柱形，主壳体1前端设置前端盖3，末端设置后端2，主壳体1顶部设置进气口4，后端盖2上设置出气口4。
炉芯6平行设置在主壳体1内腔，炉芯6顶面和底面设置密封挡板8，密封挡板8靠近后端盖2的一端将主壳体1内壁和炉芯6外围之间的空间阻隔，阻隔的位置在进气口5的后方，密封挡板8和主壳体1之间围成的空间为进气流道7，气体通过进气口4流入后，通过进气流道7再流入炉芯6.
炉芯6上平行设置若干横挡板61，垂直于横挡板61设置若干竖挡板62，竖挡板62上均设置金属加热管64，金属加热管64和竖挡板62平行。金属加热管64与竖挡板62之间还设置绝缘环63用于金属管与壳体结构绝缘，金属加热管64两端分别设置前接电端和后接电端，金属加热管64直接通电加热。
气流流入后，通过进气口4、进气流道7、金属加热管64管、出气口5形成空气流道，空气在金属加热管64内直接被加热，此结构热惯性小，加热速度快。
根据金属加热管64在炉芯6中的位置，金属加热管64从前端到后端电阻逐渐减小，可增加前端加热量，降低后端加热量，保持被金属加热管64的管壁温度近似恒定且略低于极限温度，并大幅提高出气口4处的空气温度（可达900℃），如图3所示。
变电阻结构可以通过改变金属管壁厚达到，如图4所示，随着金属加热管64管壁厚度逐渐增加，电阻逐渐减小。或者金属加热管64由前到后采用不同材料，材料电阻逐渐降低。
为进一步提高出气口4处空气温度，在金属加热管64内部设置肋片65，增大换热面积和对流传热系统。金属加热管64末端设置绝缘测温环10，绝缘测温环10内设置测温装置9监测金属加热管64壁面温度，防止金属管壁面超温。
本发明的有益效果为：
本发明通过炉芯上的金属管加热空气,空气在炉芯内流动加热，系统热惯性小、升温速率快，满足航空器地面模拟试验快速控制需求；金属管内壁采用肋化处理，又大幅提高管内传热面积，进而提高出口空气温度，进一步提高加热效率；而且金属管采用变电阻结构，依据金属管的设置位置，电阻从前往后逐渐减小，有效增大前端加热量、减小后端加热量，提高出口温度，出口温度可达900℃，有效避免了壁面超温；在加热前,气体通过进气流道才流入炉芯，在加热前空气首先被炉芯预热，并且进气流道在炉芯和主壳体之间形成了隔热层，对炉芯内加热的气体具有一定的保温作用；金属管末端还设置绝缘测温环，解决了带电测温问题，可实现最高管壁温度（出口处管壁温度）实时监控，进一步的防止金属管壁面超温。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种近似等温壁管内加热高温空气加热器，其特征在于,包括:主壳体、后端盖、前端盖、进气口、出气口、炉芯和密封挡板；
主壳体为圆柱形,前端设置前端盖,末端设置后端盖,主壳体的顶部设置进气口,后端盖上设置出气口;
炉芯平行设置于主壳体内部,并且炉芯是开放式的,可供气体通过的结构;炉芯内设置加热装置,加热装置使得炉芯的前端至末端的加热温度逐渐降低;
炉芯的顶面和底面设置密封挡板,密封挡板和主壳体之间形成空隙,密封挡板靠近后端盖的一端将主壳体的内壁和炉芯外围阻隔,阻隔的位置在进气口后方,密封挡板和主壳体之间的空间为进气流道,
气流从主壳体顶部流入,气体通过进气流道后流入炉芯加热,气流通过炉芯加热后通过出气口流出。
2.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述炉芯由若干横挡板和竖挡板组合而成，横挡板平行于主壳体内部，竖挡板垂直于横挡板，横挡板之间通过竖挡板连接，竖挡板上设置若干金属加热管，金属加热管根据其在所述炉芯中的位置，从前端到后端电阻逐渐减小。
3.根据权利要求2所述的加热器，其特征在于，所述金属加热管根据其在所述炉芯中的位置，从前端到后端所述金属加热管的管壁厚度逐渐增加。
4.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述炉芯由若干横挡板和竖挡板组合而成，横挡板平行于主壳体内部，竖挡板垂直于横挡板，横挡板之间通过竖挡板连接，竖挡板上设置若干金属加热管，金属加热管根据其在所述炉芯中的位置，从前端到后端金属加热管的管壁厚度逐渐增加。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的加热器，其特征在于，所述金属加热管内部设置肋片。
6.增大换热面积。
7.根据权利要求2-5任意一项所述的加热器，其特征在于，金属加热管末端设置绝缘测温环。
8.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述后端盖和所述前端盖为可拆卸结构。
9.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述炉芯为一体化结构。
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