CN111654925A - 基于水冷-加热双排石英灯管的超高温红外辐射加热装置 - Google Patents

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王铁军
王彬文
江鹏
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    • H05B3/44—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor arranged within rods or tubes of insulating material

Abstract

本发明基于水冷‑加热双排石英灯管的超高温红外辐射加热装置，包括冷却水入水管道、冷却水出水管道、金属基座以及设置在金属基座上的若干个石英灯材质主体；每个石英灯材质主体内开设有贯通水冷通道管并镶嵌有石英灯加热灯管，石英灯加热灯管的外壁采用可透红外光线、高温软化温度为1600℃的石英玻璃，石英灯加热灯管内设置有石英灯加热灯丝，每个石英灯材质主体内的贯通水冷通道管两端分别连通有冷却水入水口和冷却水出水口，所有的冷却水入水口均与冷却水入水管道连通，所有的冷却水出水口均与冷却水出水管道连通，且冷却水入水管道上开设有冷却水总入水口，冷却水出水管道上开设有冷却水总出水口。本发明具有极端高温加热、服役耐久性长的优点。

Description

基于水冷-加热双排石英灯管的超高温红外辐射加热装置
技术领域
本发明涉及一种基于水冷-加热双排石英灯管的超高温红外辐射加热装置，其具有加热温度高、服役耐久性长的优点，适用于高超声速飞行器、火箭、航空发动机、燃气轮机等的高温结构和材料，开展1600℃以上、有氧环境、大面积、长时间加热考核，极大提升了目前石英灯红外辐射加热技术的极限能力。
背景技术
当前，新一轮科技革命和产业变革正在兴起，世界先进航空、航天和能源动力装备加速发展。随着《国家中长期科学和技术发展规划纲要》的实施，我国正加快推进国产大飞机、战略导弹、载人航天、探月工程、深空探测等国家重大战略高科技计划，自主研发一批航空航天及能源动力领域的国家重大需求装备，包括大飞机(C919/C929等)、高超声速飞行器、重型火箭、卫星、航空发动机、重型燃气轮机、汽轮机、核电装置等。为了满足更高的技术指标和要求，航空、航天及能源动力装备越来越多地采用极端耐高温材料及其制造的大型结构，包括涡轮叶片、燃烧室、火焰筒、尾喷管、隔热瓦、翼舵面、高温涂层、高温高压管道、耐高温薄壁构件、高压蒸汽锅炉等，涉及高温合金、高温陶瓷、高温复合材料等多类高温材料。与常规结构不同，这些极端耐高温结构需要在高温下长期服役，面临极端高温、大面积加热、快速热冲击等复杂恶劣的热环境。例如，航空发动机涡轮叶片表面高温燃气温度超1600℃、高超声速飞行器翼舵面温度近1700℃等，这些都给高温结构的性能提出了苛刻的要求。对高温结构进行极端环境服役性能检测与考核，可有效分析其性能变化对航空、航天及能源动力装备结构的影响，为装备结构的设计、制造提供基本参考和依据，并进一步评价装备在高温下的承载能力、使用寿命及安全可靠性。
石英灯红外辐射加热是目前在有氧服役环境下最常见的一种大面积、低成本、极端高温考核技术手段。石英灯加热器采用可透红外光线的石英灯外壁，内部发热体为发热钨灯丝，灯管内部充满卤素气体。灯丝发热后，通过外壁向外界散发热量。然而，石英灯外壁的高温软化温度约1600℃，当外界被加热物体温度超过1300℃时，石英灯外壁已接近软化温度。此时，石英灯管会逐渐发生软化、鼓泡现象，最终导致灯管失效泄露，进而造成钨制灯丝高温氧化烧毁。目前的解决手段主要是对灯管进行表面吹气冷却、带走热量，从而延长灯管使用寿命，同时提高其加热能力。然而，即使采用这种缓解方式，红外石英灯辐射加热装置的长时间工作温度也仅能达1300℃左右，短时最高加热温度仅为1500℃，无法满足高超声速飞行器、火箭、航空发动机、燃气轮机等高温结构对于1600℃以上、长时间热考核的需求。因此，亟需开发一种加热温度更高、服役时间更长的大面积快速加热方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于水冷-加热双排石英灯管的超高温红外辐射加热装置，具有极端高温加热、服役耐久性长的优点，可面向高超声速飞行器、火箭、航空发动机、燃气轮机等高温结构和材料开展1600℃以上、有氧环境、大面积、长时间加热考核，能极大地提升目前石英灯红外辐射加热技术的能力。
本发明采用如下技术方案来实现的：
基于水冷-加热双排石英灯管的超高温红外辐射加热装置，包括冷却水入水管道、冷却水出水管道、金属基座以及设置在金属基座上的若干个石英灯材质主体；其中，每个石英灯材质主体内开设有贯通水冷通道管并镶嵌有石英灯加热灯管，石英灯加热灯管的外壁采用可透红外光线、高温软化温度为1600℃的石英玻璃，石英灯加热灯管内设置有石英灯加热灯丝，每个石英灯材质主体内的贯通水冷通道管两端分别连通有冷却水入水口和冷却水出水口，所有的冷却水入水口均与冷却水入水管道连通，所有的冷却水出水口均与冷却水出水管道连通，且冷却水入水管道上开设有冷却水总入水口，冷却水出水管道上开设有冷却水总出水口。
本发明进一步的改进在于，金属基座采用不锈钢制成。
本发明进一步的改进在于，石英灯加热灯丝采用钨发热丝。
本发明进一步的改进在于，若干个石英灯材质主体平行设置，且所有冷却水入水口均位于同一端。
本发明进一步的改进在于，该装置的长时间加热能力达到1600℃、短时加热能力达到1700℃。
本发明进一步的改进在于，石英灯加热灯丝位于石英灯加热灯管的中轴线上，且与石英灯加热灯管两端设置的陶瓷绝缘保护头相连。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的基于水冷-加热双排石英灯管的超高温红外辐射加热装置，石英灯加热灯管的外壁采用可透红外光线、高温软化温度为1600℃的石英玻璃，其中的石英灯加热灯丝通电后辐射出红外光线，并穿过透明的石英加热块，辐射加热试样。同时，石英灯材质主体中的贯通水冷通道管为石英灯加热灯管的外壳石英玻璃提供降温。
综上所述，本发明利用于基于水冷-加热双排石英灯管的超高温红外辐射加热技术，取代传统基于风冷的石英灯辐射加热技术，对被测试样进行远程非接触式加热，并通过冷却水对石英灯加热灯管进一步降温，可将石英灯加热器的长时间加热能力从1300℃提升到1600℃、短时加热能力从1500摄氏度提升至1700℃，并可延长其使用耐久性，极大拓展了石英灯加热技术的能力范围。因此，本发明在保证石英灯加热技术的大面积、高温升率优点的同时，还具有极端高温加热、长时间服役的特点，可面向高超声速飞行器、火箭、航空发动机、燃气轮机等高温结构和材料开展1600℃以上、有氧环境、大面积、长时间加热考核，可极大地提高目前石英灯红外辐射加热技术的能力。
附图说明
图1为本发明基于水冷-加热双排石英灯管的超高温红外辐射加热装置的结构示意图。
图2为石英灯管阵列组合的三维结构图。
附图标记说明：
1为冷却水入水口，2为冷却水出水口，3为贯通水冷通道管，4为陶瓷绝缘保护头，5为石英灯加热灯丝，6为石英灯加热灯管，7为石英灯材质主体，8为冷却水总入水口，9为冷却水入水管道，10为冷却水总出水口，11为冷却水出水管道，12为金属基座。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明提供的基于水冷-加热双排石英灯管的超高温红外辐射加热装置，由12个部分组成：冷却水入水口1、冷却水出水口2、贯通水冷通道管3、陶瓷绝缘保护头4、石英灯加热灯丝5、石英灯加热灯管6、石英灯材质主体7、冷却水总入水口8、冷却水入水管道9、冷却水总出水口10、冷却水出水管道11和金属基座12。
石英灯加热灯管6与贯通水冷通道管3安装在石英灯材质主体7上。冷却水入水口1与冷却水出水口2位于石英灯材质主体7上，为其中的贯通水冷通道管3提供冷却水流动通道。冷却水总入水口8、冷却水入水管道9与冷却水总出水口10、冷却水出水管道11为整个系统的冷却水流动提供通道。贯通水冷通道管3的材料为石英灯材质主体7，具有良好的耐热能力，贯通水冷通道管3中的冷却水流动带走从石英灯加热灯管6表面传递来的热量，使石英灯加热灯管6表面的温度下降到软化温度以下，为石英灯加热灯管6提供冷却。石英灯加热灯丝5为钨发热丝，位于石英灯加热灯管6的中轴线上，与两侧的陶瓷绝缘保护头4相连。石英灯加热灯管6中的钨发热丝产生的红外光通过石英灯材质主体7向外辐射，对实验试样进行辐射加热。试验装置的金属基座12主要由不锈钢基座构成，主要用于固定不同排布的石英灯材质主体7，形成一个密集排列的加热阵列。
本发明提供的基于水冷-加热双排石英灯管的超高温红外辐射加热装置，其加热能力超过了原来的使用极限，可将石英灯加热器的长时间加热能力从1300℃提升到1600℃、短时加热能力从1500℃提升至1700℃，并可延长其使用耐久性，极大拓展了石英灯加热技术的能力范围。

Claims (6)

1.基于水冷-加热双排石英灯管的超高温红外辐射加热装置，其特征在于，包括冷却水入水管道(9)、冷却水出水管道(11)、金属基座(12)以及设置在金属基座(12)上的若干个石英灯材质主体(7)；其中，
每个石英灯材质主体(7)内开设有贯通水冷通道管(3)并镶嵌有石英灯加热灯管(6)，石英灯加热灯管(6)的外壁采用可透红外光线、高温软化温度为1600℃的石英玻璃，石英灯加热灯管(6)内设置有石英灯加热灯丝(5)，每个石英灯材质主体(7)内的贯通水冷通道管(3)两端分别连通有冷却水入水口(1)和冷却水出水口(2)，所有的冷却水入水口(1)均与冷却水入水管道(9)连通，所有的冷却水出水口(2)均与冷却水出水管道(11)连通，且冷却水入水管道(9)上开设有冷却水总入水口(8)，冷却水出水管道(11)上开设有冷却水总出水口(10)。
2.根据权利要求1所述的基于水冷-加热双排石英灯管的超高温红外辐射加热装置，其特征在于，金属基座(12)采用不锈钢制成。
3.根据权利要求1所述的基于水冷-加热双排石英灯管的超高温红外辐射加热装置，其特征在于，石英灯加热灯丝(5)采用钨发热丝。
4.根据权利要求1所述的基于水冷-加热双排石英灯管的超高温红外辐射加热装置，其特征在于，若干个石英灯材质主体(7)平行设置，且所有冷却水入水口(1)均位于同一端。
5.根据权利要求1所述的基于水冷-加热双排石英灯管的超高温红外辐射加热装置，其特征在于，该装置的长时间加热能力达到1600℃、短时加热能力达到1700℃。
6.根据权利要求1所述的基于水冷-加热双排石英灯管的超高温红外辐射加热装置，其特征在于，石英灯加热灯丝(5)位于石英灯加热灯管(6)的中轴线上，且与石英灯加热灯管(6)两端设置的陶瓷绝缘保护头(4)相连。
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