CN112710080B - 一种适用于风洞的电预热加热器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种适用于风洞的电预热加热器，该加热器包括：加热器主体、多组加热部、电源、预热温控系统、进气口以及排气口，其中，加热器主体包括壳体和隔热层组成的内部中空的腔体结构；每个加热部包括蓄热元件和两个加热元件；多组蓄热元件沿腔体结构轴线排列在腔体结构内，两个加热元件沿着垂直于腔体结构轴线且贯穿壳体和隔热层方向，插入到蓄热元件内，加热元件用于发热产生热量，蓄热元件用于根据加热元件产生的热量对腔体结构中冷空气进行加热；电源，用于为加热元件提供电能；预热温控系统，与电源连接，用于控制电源为加热元件提供电能。本申请解决了现有技术中加热器在风洞中的使用频次和效率较低的技术问题。

Description

一种适用于风洞的电预热加热器

技术领域

本申请涉及风洞加热技术领域，尤其涉及一种适用于风洞的电预热加热器。

背景技术

在常规高超声速风洞领域和有加热需求的超声速风洞领域，为防止气体高速膨胀过程中出现冷凝或实现部分温度模拟要求，必须对来流进行加热。在0.5m量级的较大尺寸风洞应用中，此类工况试验中气流加热温度需求一般为1000K，气流有效加热功率需达到8000KW～50000KW，一般采用单台的大尺寸金属蓄热式加热器或多台并联的加热器布局形式。通常金属蓄热式加热器包括燃烧预热的金属蓄热加热器和电预热的金属蓄热加热器两种类型。电预热的金属蓄热加热器包括小尺寸的金属蓄热式加热器和大尺寸的金属蓄热式加热器，其中，大尺寸的金属蓄热式加热器是指有效气流加热功率为8000KW以上，极限使用温度为1000K以上，通气运行时长不低于60s的加热器。

目前，大尺寸的金属蓄热式加热器多采用金属蓄热体内部的轴线方向布置多组加热元件的布局形式，截面方向加热元件为均匀布置形式，一般预热时长在10小时量级。在工程化使用过程中，加热元件多为电辐射加热管、电阻加热管或电阻带加热管，这些加热元件在加热器的金属蓄热体高温使用段(靠近1000K)上加热元件内部的电阻发热件的使用温度一般均超过1000℃，已基本接近金属长期使用温度极限。在配合温控应用时，长期使用过程中极易出现局部超温的加热元件损坏或长期氧化的加热元件损坏，此时则必须进行更换维修。由于现有大尺寸加热器中加热元件沿着金属蓄热体内部的轴线方向，在对损坏的加热元件进行更换维护时，需要将加热器完全拆开，才能更换内部损坏的加热元件，一次维护时间均以月为量级，导致加热器在风洞中的使用频次和效率较低。

发明内容

本申请解决的技术问题是：针对现有技术中加热器在风洞中的使用频次和效率较低。本申请提供了一种适用于风洞的电预热加热器，本申请实施例所提供的方案中，本申请实施例所提供的方案中，在加热器中采用多组加热部，每组加热部包括蓄热元件和两个加热元件。在通气过程中，冷空气由进气口进入加热器主体的腔体结构中，冷空气依次经过多组加热部的蓄热元件，并与蓄热元件对流换热加温，使得加热器能够满足风洞通气试验的承压和耐温使用要求。同时，每组加热部中的两个加热元件沿着垂直于加热器主体的腔体结构轴线且贯穿腔体结构外围的壳体和隔热层方向，插入到所述蓄热元件内，即加热元件一部分在加热器主体内部，一部分在加热器主体外部，且垂直与加热器主体。当加热元件损坏时，可直接从加热器主体外部取出损坏的加热元件，并插入新的加热元件，不需要拆开加热器主体就能完成损毁加热元件的更换，减小了加热元件更换的效率，进而提高了加热器使用频次和效率。

第一方面，本申请实施例提供一种适用于风洞的电预热加热器，该加热器包括：加热器主体、多组加热部、电源、预热温控系统、进气口以及排气口，其中，

所述加热器主体是由外到内依次设置的壳体和隔热层组成的内部中空的腔体结构；

每个所述加热部包括蓄热元件和两个加热元件；所述多组加热部中的所述蓄热元件沿所述腔体结构轴线排列在所述腔体结构内；所述两个加热元件沿着垂直于所述腔体结构轴线且贯穿所述壳体和所述隔热层方向，插入到所述蓄热元件内；所述加热元件用于发热产生热量；所述蓄热元件用于储蓄所述加热元件产生的热量，并对所述腔体结构中流经的冷空气进行加热；

所述电源，与所述加热元件连接，用于为所述加热元件提供电能，以使得所述加热元件将电能转换为热量；所述预热温控系统，与所述电源连接，用于控制所述电源为所述加热元件提供电能；

所述进气口，设置于所述加热器主体上，且位于所述多组加热部的一侧，用于向所述腔体结构输入冷空气；所述排气口，设置于所述加热器主体上远离所述进气口的一侧，用于输出所述腔体结构中加热后的空气。

本申请实施例所提供的方案中，在加热器中采用多组加热部，每组加热部包括蓄热元件和两个加热元件。在通气过程中，冷空气由进气口进入加热器主体的腔体结构中，冷空气依次经过多组加热部的蓄热元件，并与蓄热元件对流换热加温，使得加热器能够满足风洞通气试验的承压和耐温使用要求。同时，每组加热部中的两个加热元件沿着垂直于加热器主体的腔体结构轴线且贯穿腔体结构外围的壳体和隔热层方向，插入到所述蓄热元件内，即加热元件一部分在加热器主体内部，一部分在加热器主体外部，且垂直与加热器主体。当加热元件损坏时，可直接从加热器主体外部取出损坏的加热元件，并插入新的加热元件，不需要拆开加热器主体就能完成损毁加热元件的更换，减小了加热元件更换的效率，进而提高了加热器使用频次和效率。

可选地，所述每个蓄热元件包括沿着平行于腔体结构轴线等间距排列的多个金属板片，所述多个金属板片一体化连接。

可选地，所述每个蓄热元件的长度为250mm，直径取值范围为(700mm，750mm)。

可选地，所述每个金属板片上设置有两个贯穿的通孔，任意两个所述金属板片上设置的通孔位置相同，所述每个加热元件通过所述通孔插入到所述蓄热元件中。

可选地，所述通孔的直径为100mm，两个所述通孔之间的距离为所述蓄热元件的直径的0.4倍。

可选地，所述加热部的组数为24，所述多组加热部交错排列，且相邻两个所述加热部之间的间隙不小于所述每个金属板片长度的1/5。

可选地，每个所述加热元件为电辐射金属加热管，功率为5KW。

可选地，所述每个加热元件包括发热区和非发热区；所述发热区位于所述蓄热元件内，用于电阻发热将电能转化热能热量；所述非发热区贯穿所述加热器主体，其外部与所述壳体外表面通过法兰连接。

可选地，所述发热区设置有陶瓷等间距支撑的鼠笼式布置的电阻发热丝，所述发热区的长度与所述蓄热元件对应的总通孔长度相同或比所述总通孔长度短10mm。

可选地，还包括：多个测温装置；每个所述测温装置，与所述预热温控系统连接，用于测量相邻两个所述每组蓄热元件间隙之间的温度；所述预热温控系统，具体用于：根据所述每个测温装置所测量的温度控制所述电源为每个所述加热元件提供的电能量。

附图说明

图1为本申请实施例所提供的一种适用于风洞的电预热加热器的结构示意图；

图2为本申请实施例所提供的一种加热部的正视图；

图3为本申请实施例所提供的一种加热部的剖面俯视图；

图4为本申请实施例所提供的一种加热元件的结构示意图；

图5为本申请实施例所提供的一种加热元件的结构示意图；

图6为本申请实施例所提供的一种加热死区的位置示意图。

附图标记：1：加热器主体；2：多组加热部；3：电源；4：预热温控系统；5：进气口；6：排气口；11：壳体1；12：隔热层；21：蓄热元件；22：加热元件:；211：金属板片；212：通孔；221：发热区；222：非发热区。

具体实施方式

本申请实施例提供的方案中，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

参见图1，本申请实施例提供的一种适用于风洞的电预热加热器，该加热器包括：加热器主体1、多组加热部2、电源3、预热温控系统4、进气口5以及排气口6，其中，所述加热器主体1是由外到内依次设置的壳体11和隔热层12组成的内部中空的腔体结构；每个所述加热部2包括蓄热元件21和两个加热元件22；所述多组加热部2中的所述蓄热元件21沿所述腔体结构轴线排列在所述腔体结构内；所述两个加热元件22沿着垂直于所述腔体结构轴线且贯穿所述壳体11和所述隔热层12方向，插入到所述蓄热元件21内；所述加热元件22用于发热产生热量；所述蓄热元件21用于储蓄所述加热元件22产生的热量，并对所述腔体结构中流经的冷空气进行加热；

所述电源3，与所述加热元件22连接，用于为所述加热元件22提供电能，以使得所述加热元件22将电能转换为热量；所述预热温控系统4，与所述电源3连接，用于控制所述电源3为所述加热元件22提供电能；所述进气口5，设置于所述加热器主体1上，且位于所述多组加热部2的一侧，用于向所述腔体结构输入冷空气；所述排气口6，设置于所述加热器主体1上远离所述进气口5的一侧，用于输出所述腔体结构中加热后的空气。

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，加热器主体1是由外到内依次设置的壳体11和隔热层12组成的内部中空的腔体结构，该空腔结构为密封的腔体结构，该腔体结构包括进气端、蓄热段以及出气段。蓄热段设置与所述进气段、出气段之间，在蓄热段中设置了多个蓄热元件21，每个蓄热元件21上垂直插入了两个加热元件22；

进一步，在本申请实施例所提供的方案中，每个蓄热元件21的结构有多种，下面以其中一种为例进行说明。

在一种可能实现的方式中，所述每个蓄热元件21包括沿着平行于腔体结构轴线等间距排列的多个金属板片211，所述多个金属板片211一体化连接。

进一步，在一种可能实现的方式中，所述每个蓄热元件21的长度为250mm，直径取值范围为(700mm，750mm)。

进一步，参见图2，在一种可能实现的方式中，所述每个金属板片211上设置有两个贯穿的通孔212，任意两个所述金属板片211上设置的通孔212位置相同，所述每个加热元件22通过所述通孔212插入到所述蓄热元件21中。

进一步，在一种可能实现的方式中，所述通孔212的直径为100mm，两个所述通孔212之间的距离为所述蓄热元件21的直径的0.4倍。

具体的，参见图3，为本申请实施例提供的一种加热部的剖面俯视图。在图2中，每个蓄热元件21包括并列排列的多个金属板片211，任意两个金属板片211的厚度相同且任意相邻两个金属板片211之间的间隙相等。为了使得加热元件22能够插入到每个蓄热元件21中，每个金属板片211上设置有两个贯穿的通孔，且通孔的直径略大于加热元件22的直径。优选的，通孔的直径为100mm，两个所述通孔之间的距离为所述蓄热元件21的直径的0.4倍。采用此开孔间隙，能够确保预热过程中，两个加热元件22之间能最大限度且均匀的辐射热量，以使得预热过程中蓄热元件温度足够均匀，削弱热集中现象，进而提高极限使用温度下加热元件的功率加载能力，提高加热器的预热性能。

进一步，在本申请实施例所提供的方案中，优选的每个蓄热元件21的长度LA为250mm，直径D为700～750mm，多个金属板片211通过螺栓垫片连为一体。采用此种优选的蓄热元件21长度和直径，再配合2个加热元件22的辐射加热能力，单个蓄热元件21的蓄热量与2个加热元件22的加热可以匹配，蓄热元件21的金属板片蓄热量约为(1.7～2.1)×10⁸J，两个加热元件22的最大加热功率为10Kw，按极限加热功率对应的加热时间约为4.6～5.8小时，实际需考虑加热元件22在高温段的功率加载限制，通过对不同蓄热单元温度下的加热元件22功率进行控制，确保加热元件22的电阻丝不超温破坏，如选用更大的蓄热元件21将导致预热时间加长，如选用较小的蓄热元件21则没有足够的空间布置两根加热元件22，最终能够确保全冷预热时长在10小时以内；同时，如采用更大的蓄热元件21，金属板片靠经加热元件22处与金属板片远离加热元件22处的距离增大，热传导路径增大，会导致金属板片两处的温度差增大，故本申请实施例所提供的方案中，选定的尺寸能够保证预热过程中蓄热元件的温度不均匀性在可接受范围内，在蓄热元件高温段(800K以上)使用时，单个蓄热元件的温差不超过100K量级，从而提高极限使用温度下加热元件的功率加载能力，提高加热器的预热性能。

进一步，在一种可能实现的方式中，所述加热部2的组数为24，所述多组加热部2交错排列，且相邻两个所述加热部2之间的间隙不小于所述每个金属板片211长度的1/5。

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，在加热器中包括多组加热部2，即加热器2中包括多个蓄热元件21。优选地，加热部2的组数为24，采用此种蓄热元件21组数，可以使得加热器中蓄热段长度满足空气在该段运行试验时长不低于60s，且满足温度可控制在1000K左右，进而满足风洞中8000KW以上气流加热需求。进一步，对于有更长的通气运行时长和功率需求的加热器，可通过增加加热部2组数来实现。

进一步，在本申请实施例所提供的方案中，在加热器蓄热段的多组加热部2可以依次交错布置，即一组蓄热元件21中的金属板片211为整体竖直放置，相邻下一组蓄热元件21的金属板片211整体水平放置，依次类推布置，且相邻蓄热元件21之间的间隙SA≥1/5LA，其中，LA表示金属板片211的长度。由于采用交错布置方式和间隙布置，能够减小加热元件22背风区的换热死区(流动死区)的面积，参见图6，进而减弱加热元件22换热能力不均匀性，确保气流与金属板片211换热能力足够充分且均匀，提高了加热器的通气加热能力。

进一步，参见图4，在一种可能实现的方式中，每个所述加热元件22为电辐射金属加热管，功率为5KW。

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，每个加热元件22为电辐射金属加热管，功率为5KW。当每个加热元件22的功率为5KW时，根据加热元件22加热功率与其尺寸之间的映射关系，可以确定每个加热元件22的外径不大于100mm，即保证了每个加热元件22的外径不会过大，进而减小了每个加热元件22所对应的换热死区面积，进而降低换热死区对通气过程的影响，确保气流与板片换热能力足够充分且均匀，提高了加热器的通气加热能力；同时，可以确保蓄热元件22上的通孔直径不会过大，防止开孔挖除的蓄热材料过多，增加加热器整体规模尺寸，提高了加热器的通气加热能力。

进一步，在一种可能实现的方式中，所述每个加热元件22包括发热区221和非发热区222；所述发热区221位于所述蓄热元件21内，用于电阻发热将电能转化热能热量；所述非发热区222贯穿所述加热器主体1，其外部与所述壳体11外表面通过法兰连接。

进一步，参见图5，在一种可能实现的方式中，所述发热区221设置有陶瓷等间距支撑的鼠笼式布置的电阻发热丝，所述发热区221的长度与所述蓄热元件21对应的总通孔长度相同或比所述总通孔长度短10mm。

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，每个加热元件22由非发热区222和发热区221组成，发热区221长度与对应蓄热元件21对应的总通孔长度相同或比所述总通孔长度短10mm。发热区221布置形式，能够确保加热元件发热区周围有足够的金属板片蓄热能力，在预热过程中能够最大程度的削弱加热元件22端部热集中现象，提高了极限使用温度下加热元件22的功率加载能力，提高加热器预热能力。

进一步，加热元件22的非发热区222贯穿加热器主体1，即加热元件22贯穿壳体11和隔热层12，其外部与壳体11外表面通过法兰连接。在本申请实施例所提供的方案中，加热元件22的外金属管与壳体11的外表面局部凸台通过法兰密封连接。加热元件22的外金属管由高温合金制成，也可由其他材料制成，在此不做限定。

进一步，在本申请实施例所提供的方案中，每个加热元件22的发热区221设置有陶瓷等间距支撑的鼠笼式布置的电阻发热丝。由于在发热区221采用陶瓷等间距支撑的鼠笼式布置，利用陶瓷支撑的导热能力，可以降低发热丝自身的热集中现象和高温软化影响，提高了极限使用温度下加热元件的功率加载能力，提高加热器的预热能力。

进一步，为了提高加热器的加热效果，在一种可能实现的方式中，还包括：多个测温装置7；每个所述测温装置7，与所述预热温控系统4连接，用于测量相邻两个所述每组蓄热元件21间隙之间的温度；所述预热温控系统4，具体用于：根据所述每个测温装置7所测量的温度控制所述电源3为每个所述加热元件22提供的电能量。

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，通过测温装置7测量与相邻连个蓄热元件21间隙中心辐射温度，并依据测的温度分档控制电源加载功率；在低温段按最大的电源功率加载，在高温段按降低电源功率加载。通过这种电能加载控制方式，能够使系统具有最优的预热加载能力，且同时确保加热元件22的电阻丝不超温损坏，结合前述多种提升预热能力的设计，使加热器的总体预热时长优于国内现有的大尺寸电预热金属加热器设备的预热时长，约为8小时，提高了大尺寸电预热金属加热器的试验使用频次，一定程度提高了其工程化使用性能。

进一步，在本申请实施例所提供的方案中，预热温控系统4可以单独对每个加热部2中的加热元件22进行控制，通过预热温控系统4使靠近进气段的蓄热元件21温度较低，使靠近排气段的蓄热元件22温度较高。此种沿轴线独立进行温度控制的布置形式，能够显著缩短一次试验后的预热时长。这是由于一次吹风后靠近进气段的蓄热元件被吹得很冷，预热透的时间长；靠近排气段的蓄热元件温度比较高，预热透的时间段。因此，可以同步预热一定的时间后，使入口段蓄热元件温度低，出口段蓄热元件温度高，形成一定的温度分布曲线，依然能满足下次风洞试验要求。本发明加热器的一次吹风后的再次预热时长约为3小时，极大提高了大尺寸电预热金属加热器的试验使用频次，显著提高了工程化使用性能。

进一步，为了向加热器主体1的腔体结构中输入冷空气以及将加热后的冷空气输出，在加热器上还设置有进气口5和排气口6。在本申请实施例所提供的方案中，进气口5设置于加热器1的进气段，在加热器进气段的进气口5为水平布置，沿轴线以等直-扩张-等直结构。此种布置结构能够改善靠近进气口5的第一组蓄热元件21前气流均匀性，从而使后续换热更为均匀，提高了蓄热元件21的热能利用效率，从而提升了加热器的通气加热能力。

本申请实施例所提供的方案中，在加热器中采用多组加热部2，每组加热部2包括蓄热元件21和两个加热元件22。在通气过程中，冷空气由进气口5进入加热器主体1的腔体结构中，冷空气依次经过多组加热部2的蓄热元件21，并与蓄热元件21对流换热加温，使得加热器能够满足风洞通气试验的承压和耐温使用要求。同时，每组加热部2中的两个加热元件22沿着垂直于加热器主体1的腔体结构轴线且贯穿腔体结构外围的壳体11和隔热层12方向，插入到所述蓄热元件21内，即加热元件22一部分在加热器主体1内部，一部分在加热器主体1外部，且垂直与加热器主体1。当加热元件21损坏时，可直接从加热器主体1外部取出损坏的加热元件21，并插入新的加热元件21，不需要拆开加热器主体1就能完成损毁加热元件21的更换，减小了加热元件21更换的效率，进而提高了加热器使用频次和效率。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种适用于风洞的电预热加热器，其特征在于，包括：加热器主体(1)、多组加热部(2)、电源(3)、预热温控系统(4)、进气口(5)、排气口(6)和多个测温装置(7)，其中，

所述加热器主体(1)是由外到内依次设置的壳体(11)和隔热层(12)组成的内部中空的腔体结构；

每个所述加热部(2)包括蓄热元件(21)和两个加热元件(22)；所述多组加热部(2)中的所述蓄热元件(21)沿所述腔体结构轴线排列在所述腔体结构内；所述两个加热元件(22)沿着垂直于所述腔体结构轴线且贯穿所述壳体(11)和所述隔热层(12)方向，插入到所述蓄热元件(21)内；所述加热元件(22)用于发热产生热量；所述蓄热元件(21)用于储蓄所述加热元件(22)产生的热量，并对所述腔体结构中流过的冷空气进行加热；

所述电源(3)，与所述加热元件(22)连接，用于为所述加热元件(22)提供电能，以使得所述加热元件(22)将电能转换为热量；所述预热温控系统(4)，与所述电源(3)连接，用于控制所述电源(3)为所述加热元件(22)提供电能；

所述进气口(5)，设置于所述加热器主体(1)上，且位于所述多组加热部(2)的一侧，用于向所述腔体结构输入冷空气；所述排气口(6)，设置于所述加热器主体(1)上远离所述进气口(5)的一侧，用于输出所述腔体结构中加热后的空气；

每个所述蓄热元件(21)包括沿着平行于腔体结构轴线等间距排列的多个金属板片(211)，所述多个金属板片(211)一体化连接；其中，任意两个金属板片(211)的厚度相同且任意相邻两个金属板片(211)之间的间隙相等；

每个金属板片(211)上设置有两个贯穿的通孔(212)，任意两个所述金属板片(211)上设置的通孔(212)位置相同，每个所述加热元件(22)通过所述通孔(212)插入到所述蓄热元件(21)中；其中，两个所述通孔(212)之间的距离为所述蓄热元件(21)的直径的0.4倍；

所述多组加热部(2)交错排列置，即一组蓄热元件(21)中的金属板片(211)为整体竖直放置，相邻下一组蓄热元件(21)的金属板片(211)整体水平放置，依次类推布置；

每个所述加热元件(22)包括发热区(221)和非发热区(222)；发热区(221)长度与对应蓄热元件(21)对应的总通孔长度相同或比所述总通孔长度短10mm；所述发热区(221)位于所述蓄热元件(21)内，用于电阻发热将电能转化热能热量；所述非发热区(222)贯穿所述加热器主体(1)，其外部与所述壳体(11)外表面通过法兰连接；

所述发热区(221)设置有陶瓷等间距支撑的鼠笼式布置的电阻发热丝；

每个所述测温装置(7)，与所述预热温控系统(4)连接，用于测量相邻两个每组蓄热元件(21)间隙之间的温度；其中，所述预热温控系统(4)，具体用于：根据每个测温装置(7)所测量的温度控制所述电源(3)为每个所述加热元件(22)提供的电能量。

2.如权利要求1所述的适用于风洞的电预热加热器，其特征在于，每个蓄热元件(21)的长度为250mm，直径取值范围为(700mm，750mm)。

3.如权利要求1所述的适用于风洞的电预热加热器，其特征在于，所述通孔(212)的直径为100mm。

4.如权利要求1所述的适用于风洞的电预热加热器，其特征在于，所述加热部(2)的组数为24，且相邻两个所述加热部(2)之间的间隙不小于所述每个金属板片(211)长度的1/5。

5.如权利要求1所述的适用于风洞的电预热加热器，其特征在于，每个所述加热元件(22)为电辐射金属加热管，功率为5KW。

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