CN111457585B - 一种高温纯净空气加热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高温纯净空气加热器，包括耐压壳体(1)，炉箅(2)，进气管(3)，隔热层(4)，内衬筒(5)，出气管(6)，上盖板(7)，紧固螺栓(8)，刚玉件(9‑1，9‑2，9‑3)，电热组件(10)，换热组件(11)，电源接头(12)，支架(13)；耐压壳体(1)内安装隔热层(4)，电热组件(10)与换热组件(11)上、下组合，每个电热组件(11)位于换热组件(10)下部；换热组件(11)的换热管按照渐开线螺旋布局并上下串联，接口采用锥盘形状插接；装置下部为进气管(3)，上部为出气管(6)。根据本发明的空气加热器，气流的流通路径长，换热面积大，出口气流温度稳定；换热组件立式布局，内部隔热层受力均匀，便于制造加工，安装方便。

Description

一种高温纯净空气加热器

技术领域

本发明涉及空气动力学领域，具体而言，涉及一种高超声速风洞主气流预热设备，一种纯净空气加热装置，属于高超声速风洞技术领域。

背景技术

目前用于常规高超声速风洞的加热方式，有两种；即热式和蓄热式。

即热式加热器，由于要求较大的电功率，一般实验室采用难度大；一般研究型试验设备，运行次数有限，利用率小，常规实验室都不提供大功率的电源设备，限制了这种加热器的应用。例如，高超声速风洞中，即热式电加热器需要很大的电功率，以及电源调节设备，CARDC的风洞需要 8000KW电功率，对于小型风洞FD-03高超声速风洞，单是二级加热器，也需要至少400KW电功率；

蓄热式加热器，在国内外高超风洞设备上广泛应用；按照预热方式分类，有燃料预热和电预热两种方式。

采用燃料预热，可以提供快速，大功率的高温预热功率，但是，需要排烟道，和耐高压烟道阀等辅助设备，投资大，而且燃料燃烧不充分，容易在蓄热体上形成积碳，有潜在的气流污染风险；另一个重要问题，预热温度高时，蓄热体长度有限制，排气温度会很高，废热难以回收，排到大气中，浪费严重。

电预热方式比较干净、工艺成熟，是一种常用的空气加热方式；电阻加热元件的布局均匀，高温合金材料，发热体工作温度可达到1100℃，预热蓄热体800℃，能满足试验室纯净空气的加热需求；电热元件的形状有棒状，带状，管状；

但是，现有的电蓄热式加热器，蓄热体均为单一换热通道布局，设计的加热器，换热通道面积按流量给定，加热器长度就确定了；受设备场地限制，长径比难以取得太大，会出现换热通道过短的问题；气流在蓄热体通道内的停留时间短，出口气流的温度就会达不到要求；如果单纯提高蓄热体的预热温度，会造成加热器超温，出现安全问题；

另外，目前单一通道的竖直安装的加热器，由于空气对流，上部温度就会不受限制的持续升温，炉顶温度很高；给使用安全造成影响。

加热器的实际应用中，避免蓄热材料受到气流的冲击，会在风洞的加热器出口安装高温快速阀，这是很困难的事情；这个阀门必须耐高温高压，启闭速度要快；工业品一般无此类阀门，花费很多的资金来设计此类阀门；这给风洞的规划，带来很大麻烦。

目前的加热器形式，包括板式加热器，卵石床加热器，蜂窝体加热器等，换热气流会混入隔热层的脱落粉体和电热元件的氧化皮碎屑，给气流造成污染；风洞中，也想采取过滤器除尘的方式，消除这些影响，但是，过滤网难以承受高温高压气流的冲击，选材和结构设计，一直没有找到合适的办法，来解决这一问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种洁净无污染，输出高温高压气流，易于加工制造的风洞气流加热装置。

本发明解决以上技术问题的技术方案如下：一种高温纯净空气加热器，包括耐压壳体，炉箅，进气管，隔热层，内衬筒，出气管，上盖板，电热组件，换热组件，电源接头；

耐压壳体底部通过炉篦作为底部支撑，用于安装隔热层、内衬筒；隔热层包裹在内衬筒上，内衬筒壁面 上开通气孔；电热组件通过绝缘座安装在内衬筒内，换热组件通过隔热支座安装在内衬筒内，二者上下布局且换热组件位于电热组件上部，换热组件上下串接且之间无对流；进气管通过与换热组件相连，由出气管引出；电热组件通过电源接头，引出电源，最上部换热组件的上方安装上端盖，耐压壳体上部与上盖板密封连接。

优选的，所述的上盖板为三层结构，最外层为耐压外壳，材料与耐压壳体相同，中间为隔热层，最内层为圆球冠形状的拱顶内衬；拱顶内衬固定在上盖板上且其上开平衡气孔，平衡气 孔尺寸与内衬筒上通气孔一致，所述的隔热层固定在拱顶内衬上。

优选的，所述的换热组件由换热管采用螺旋、渐开线形状绕制而成；上下两件换热管接通成为一组换热组件，具体为两件换热管上下放置，最外侧的换热管接头焊接连通，盘状中心内侧接头一端为进气口，一端为出气口，换热组件之间的上下串接通过进气口、出气口之间的接口采用锥盘形状插接完成，换热组件与进气管、出气管之间通过螺纹连接。

优选的，所述的绝缘座采用刚玉铸造而成，通过凸起绝缘隔离发热元件，中心凸起设置通孔用于换热组件的上下串接。

优选的，所述的绝缘座、隔热支座在内衬筒内上下对接，外部组成一个圆筒形状，与圆筒最上部的上端盖一起构成绝缘筒，绝缘筒材质优选刚玉。

优选的，所述的炉篦为带蜂窝状开孔的金属板。

优选的，所述耐压壳体同侧壁面上，安装进气管和出气管，二者均采用法兰盘固定。

优选的，所述电源接头，安装在耐压壳体侧壁上，接线柱通过绝缘密封，引入电源。

优选的，所述出气管与换热组件的接口处开孔，实现换热管内部与耐压壳体内部空间相通。

优选的，还包括用于安装测温测压排架的测量装置，所述测量装置位于耐压壳体的上盖板位置。

本发明与现有技术相比，优点体现在：

(1)换热管组件作为加热器的蓄热体和对流换热体，结构紧凑，气流不受污染；螺旋管形式的换热管长度达到几十米，换热充分，热量损失小，主气流快速达到要求的温度，能够缩短风洞启动时间，减少风洞气源消耗。

(2)采用立式安装加热器，隔热层受力小且均匀，耐压筒体内可以布局较厚的隔热层，不受结构限制，隔热效果好，蓄热温度高。

(3)根据主气流在换热管内流动，耐压筒体内气体是静止的，上下换热管之间用刚玉隔热座隔离，热对流受到限制，炉顶温度升温慢，减小运行时高温风险。

(4)采用换热管的电预热加热器，由于加热器换热管内的气体内外压差相等；设计合适的流速；可不安装类高温高压截止阀设备，降低风洞设备高温高压条件下的运行风险；

(5)易于加工制造，便于调整更换。

附图说明

图1为纯净空气加热器结构图；

图2-1为上盖板截面图；

图2-2为上盖板俯视图；

图3-1为上盖板的拱顶内衬截面图；

图3-2为上盖板的拱顶内衬俯视图；

图4-1为炉篦截面图；

图4-2为炉篦俯视图；

图5为气路进口截面图；

图6为电热元件截面图；

图7-1为刚玉盖板截面图；

图7-2为刚玉盖板俯视图；

图7-3为刚玉绝缘、隔热支座组合截面图；

图7-4为电热元件绝缘支座截面图；

图7-5为换热管隔热支座截面图；

图8-1为换热管组件截面图；

图8-2为换热管组件俯视图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明，相同的附图标记表示相同的部件，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种高温纯净空气加热装置，为一种通过无污染的方式获得高温气流，相对于燃烧、电弧加热方式气流里面有反应的产物获得高温气体而言的，用于试验时获得更高的模拟精度。如图1所示，包括耐压壳体1，炉箅2，进气管3，隔热层4，内衬筒5，出气管6，上盖板7，紧固螺栓8，刚玉盖板9-1，绝缘座9-2，隔热支座9-3(由于绘制比例原因，从清晰度考虑，图1中刚玉盖板、绝缘座和隔热支座均简化画法，具体参见后续部件细节图)，电热组件10，换热组件11，电源接头12，支架13，测量装置14；耐压壳体1的内部为隔热层4，隔热层4包裹在内衬筒5上固定，绝缘座9-2，隔热支座9-3竖直组装的刚玉绝缘筒放置在内衬筒5内，电热组件10和换热组件11上下层叠布局，换热管放置在加热元件上部，分为数层，各层之间隔离，上下无对流；防止静止空气在加热器内的对流，造成下面温度低，上面温度高的问题。

耐压壳体1，是加热器的关键部件，材料为合金钢锻件加工而成，牌号为20MnMo，能够承受10.0MPa的高压气体，在200℃以下使用；整个加热器承压由耐压壳体1和上盖板7两部分组成，采用紫铜垫密封，确保加热器壳体内的高压气体不泄露；紧固螺栓8连接耐压壳体1与上盖板7。

图2-1，图2-2所示，耐压外壳体的上盖板7，由三层结构组成，最外层为耐压外壳7，材料与耐压壳体1相同，材料20MnMo，中间为隔热层 7-1，固定在圆球冠形状的拱顶内衬7-2上，拱顶内衬7-2的材料为GH128，采用螺钉7-3固定在上盖板7上。拱顶内衬7-2板材上开平衡气孔，开孔尺寸与内衬筒上通气孔一致。图3-1，图3-2所示，为拱顶内衬的结构简图。

图4-1，图4-2所示，炉篦2截面图和俯视图，炉箅2，是一个蜂窝状的金属板，材料为Cr25Ni20，作为底部支撑，在耐压壳体内，形成一个平面，方便安装隔热层4，内衬筒5和刚玉绝缘筒，本实施例炉箅2上的圆孔为直径8，开孔率为0.3，厚度50mm。

图5为气路进口截面图，进气管3，由密封法兰、引入管和螺纹接头组成，管道从法兰盘孔通入，焊接密封，法兰与耐压壳体1用螺钉连接；另一端管道外螺纹头与换热管11的内螺纹相连；进气管3的法兰盘和管子材料均为321不锈钢。

隔热层4，为高硅氧材料，用纤维丝状棉织成细绳和粗纤维布，包裹散棉缝制成被子；围在内衬筒5上，外径与耐压壳体1的筒内径尺寸一致。

内衬筒5，高温合金加工，材料为GH128，耐温1100℃；外部焊接翅片固定隔热层4，内部为光滑圆筒，在加热器长度方向上，隔热层组装为一个整体；在内衬筒壁面上开有直径3mm的通气孔，本实施例孔间距的展开尺寸为100mmx100mm间隔，有一个孔；用于维持内衬筒5的壁内外气压一致；不承受压力。

出气管6，有密封法兰、引入管和螺纹接头组成，与进气管3的结构大致相同，不同之处在于出气管6的螺纹接头处，开有4个直径8mm孔，实现换热管11内部与耐压壳体1内部空间相通，工作时，用于向耐压壳体1 内充气，平衡换热管内外压力一致；高压气体在管道内，从换热管末端接出；输出到用气装置。被加热气流在换热管内流动，而换热管的内部洁净度高，能够保持纯净空气不受污染；气体在管道内，不接触加热器的隔热层和加热元件，能够保持出口气流的洁净；

图6为电热元件截面图，所述电源接头12，为电热元件的电源引线，必须保证电绝缘和气密封，工业上已有比较成熟产品，火花塞形状的比较常用；12-1为固定法兰盘，与耐压壳体1连接密封，法兰中心引出电源导电杆12-2，通过在法兰盘上安装绝缘垫片，实现密封和电绝缘；电热组件10由金属电阻丝12-4加工而成，通过连接螺栓12-3与导电杆12-2连接。

为了便于安装，采用更合理的电源引线，采用的导电杆重新设计，提供更大的电功率，通过在法兰盘上安装绝缘垫片，实现密封和电绝缘。本实施例，共有6个电源接口，共6套加热组件11，提供120KW电源；电热组件10，电热元件为电阻发热元件，可以选择硅碳棒电阻发热件或者金属电阻发热件，单路设计功率一般为5～40KW，本实施例采用金属电阻加热元件，绕制成电阻丝形状，材料为Cr20Ni80；通过与电源接头12相连，提供电源。

刚玉绝缘筒，根据设计尺寸由纯刚玉铸造而成，本实施例由三种形状组成；上盖板即刚玉盖板9-1，绝缘座9-2，隔热支座9-3，电热元件的绝缘座9-2与隔热支座9-3，在内衬筒5内上下对接，外部组成一个圆筒形状；最上部为盖板9-1。图7-1，7-2给出刚玉盖板截面图和俯视图，本例中采用刚玉盖板，安装在所述刚玉绝缘筒的最上层，出气管6处于受热辐射的空间，换热稳定，耐压壳体内充平衡气时，气流对内衬板7-2无冲击。

为了详细说明加热器的预热与换热结构，图7-3给出了为刚玉绝缘筒组合截面图，包括电热元件的绝缘座9-2，换热管的隔热支座9-3，预热电阻棒10-1，换热管11-1。

图7-4，为电热元件绝缘座9-2截面图，采用刚玉材料铸造而成，结构与电炉的原理相同，电阻丝或者电阻棒，按着设计功率计算出直径和长度，布置在绝缘座9-2内；本实施例，采用直径3mm电阻丝，设计功率10KW。实用电阻丝加热，电阻加热元件可以达到温度1100℃，通过热辐射、热传导对换热管加热，气流通过换热管，能稳定输出气流温度800℃；绝缘座通过凸起绝缘隔离发热元件，中心凸起设置通孔用于换热组件的上下串接。

图7-5，换热管隔热支座9-3截面图，采用刚玉材料铸造而成，中间通孔用于通过换热管的连接管道，换热管隔热支座9-3的壁厚均匀，冷热交替不发生应力集中而损坏。

图8-1，8-2所示，换热组件11，采用耐高温的不锈钢管道，按照螺旋线形状绕制而成，取两件盘状绕制管上、下放置，最外侧的上下管接头采用焊接联通，盘管圆周的内测，下端为进气口，上端为出气口；上下换热组件的上下串接通过锥盘形状的接口插接而成；高温材料一般选取 1Cr18Ni9Ti，Cr25Ni20，GH128，Cr20Ni80材料。本实施例选取Cr25Ni20，耐温800℃；

支架13，蓄热式加热器采用立式安装，在加热器壳体底部安装支座，金属支架与壳体焊接固联，确保稳定。

测量装置14用于安装测温测压排架,测温测压排架采购通用的测量管和热电偶装置就可以实现，热电偶测点在排架的前部端点处，并在此处引出测量管，用传感器实现压力测量。

实施例仅是用于示范地说明本发明。说明书仅是用于解释权利要求书。但本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明批露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，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书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高温纯净空气加热器，其特征在于：包括耐压壳体，炉箅，进气管，隔热层，内衬筒，出气管，上盖板，电热组件，换热组件，电源接头；

耐压壳体底部通过炉篦作为底部支撑，用于安装隔热层、内衬筒；隔热层包裹在内衬筒上，内衬筒壁面上开通气孔；电热组件通过绝缘座安装在内衬筒内，换热组件通过隔热支座安装在内衬筒内，二者上下布局且换热组件位于电热组件上部，换热组件上下串接且之间无对流；进气管通过与换热组件相连，由出气管引出；电热组件通过电源接头，引出电源，最上部换热组件的上方安装上端盖，耐压壳体上部与上盖板密封连接；

所述的换热组件由换热管采用螺旋、渐开线形状绕制而成；上下两件换热管接通成为一组换热组件，具体为两件换热管上下放置，最外侧的换热管接头焊接连通，盘状中心内侧接头一端为进气口，一端为出气口，换热组件之间的上下串接通过进气口、出气口之间的接口采用锥盘形状插接完成，换热组件与进气管、出气管之间通过螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的空气加热器，其特征在于：所述的上盖板为三层结构，最外层为耐压外壳，材料与耐压壳体相同，中间为隔热层，最内层为圆球冠形状的拱顶内衬；拱顶内衬固定在上盖板上且其上开平衡气孔，平衡气孔尺寸与内衬筒上通气孔一致，所述的隔热层固定在拱顶内衬上。

3.根据权利要求1所述的空气加热器，其特征在于：所述的绝缘座采用刚玉铸造而成，通过凸起绝缘隔离发热元件，中心凸起设置通孔用于换热组件的上下串接。

4.根据权利要求1所述的空气加热器，其特征在于：所述的绝缘座、隔热支座在内衬筒内上下对接，外部组成一个圆筒形状，与圆筒最上部的上端盖一起构成绝缘筒。

5.根据权利要求4所述的空气加热器，其特征在于：绝缘筒材质选刚玉。

6.根据权利要求1所述的一空气加热器，其特征在于：所述的炉篦为带蜂窝状开孔的金属板。

7.根据权利要求1所述的一空气加热器，其特征在于：所述耐压壳体同侧壁面上，安装进气管和出气管，二者均采用法兰盘固定。

8.根据权利要求1所述的一空气加热器，其特征在于：所述电源接头，安装在耐压壳体侧壁上，接线柱通过绝缘密封，引入电源。

9.根据权利要求1所述的一空气加热器，其特征在于：所述出气管与换热组件的接口处开孔，实现换热管内部与耐压壳体内部空间相通。

10.根据权利要求1-9之一所述的一空气加热器，其特征在于：还包括用于安装测温测压排架的测量装置，所述测量装置位于耐压壳体的上盖板位置。

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