CN113587696B - 冷气流冲刷环境下的抗热震蓄热系统及其加热控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷气流冲刷环境下的抗热震蓄热系统及其加热控制方法，包括气流通道以及对气流通道进行分段加热的加热系统；所述气流通道沿气流流通方向依次设置低温蓄热段、过渡段和高温蓄热段，其中，所述低温蓄热段和高温蓄热段均设有独立控制的加热元件，所述过渡段的两端分别与低温蓄热段和高温蓄热段导热对接；所述加热系统包括所述加热元件以及气流通道各段上布置的温度传感器，所述温度传感器通过控制器与加热元件反馈连接，形成闭环控制系统。本发明通过组合多种蓄热体材料并结合加热系统，实现各蓄热体材料工作在各自合适的温度范围，获得加热设备最优的抗热震性能。

Description

冷气流冲刷环境下的抗热震蓄热系统及其加热控制方法

技术领域

本发明属于气体加热设备，具体涉及一种用于冷气流冲刷环境下的抗热震蓄热系统及其加热控制方法。

背景技术

在对航空发动机进行高温进气试验时，通常需要在30MPa压力下将一定流量的常温空气加热至1500℃-1600℃，包括对气体进行直接加热和蓄热式加热方案。直接加热方案是通过对气体直接进行加热升温后输出，加热设备受制于结构、材料、压力环境等因素的影响，对气体加热到以上温度区间的难度较大，能耗高；蓄热式加热方案是一种比较理想的选择，通过对气流采用流动冲刷的方式与蓄热结构进行热传导，需要对气流冲刷通道进行加热升温到高于以上温度区间进行蓄热，因此冲刷通道的蓄热体工作温度相比直接加热的设备要求更高。

但蓄热材料的耐温性能、抗氧化性能、抗热震性能往往是矛盾的，一般都是选择可以耐受更高温度的陶瓷材料作为冲刷通道的蓄热材料。但陶瓷材料的抗热震性差，在1500℃-1600℃的温度下直接与常温的气流进行换热时，由于气体与蓄热体之间的温差较大，容易导致蓄热体的陶瓷材料开裂、粉化，影响设备正常运行。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有陶瓷材料蓄热体对常温气流冲刷换热存在抗热震差的问题，提供一种冷气流冲刷环境下的抗热震蓄热系统及其加热控制方法。

本发明采用如下技术方案实现：

冷气流冲刷环境下的抗热震蓄热系统，包括气流通道以及对气流通道进行分段加热的加热系统；所述气流通道沿气流流通方向依次设置低温蓄热段11、过渡段12和高温蓄热段13，其中，所述低温蓄热段11和高温蓄热段13均设有独立控制的加热元件，所述过渡段12的两端分别与低温蓄热段11和高温蓄热段13导热对接；所述加热系统包括所述加热元件以及气流通道各段上布置的温度传感器，所述温度传感器通过控制器4与加热元件反馈连接，形成闭环控制系统。

在本发明的抗热震蓄热系统中，优选的，所述低温蓄热段11的蓄热体采用金属蓄热砖砌筑。

在本发明的抗热震蓄热系统中，优选的，所述高温蓄热段13的蓄热体采用氧化铝蓄热砖砌筑。

在本发明的抗热震蓄热系统中，优选的，所述过渡段12的蓄热体采用碳化硅蓄热砖+氧化铝蓄热砖砌筑。

在本发明的抗热震蓄热系统中，优选的，所述低温蓄热段11的加热元件和高温蓄热段13的加热元件分别设有独立的加热电源，所述控制器与加热电源的控制电路连接，控制对应加热元件的加热功率。

在本发明的抗热震蓄热系统中，优选的，所述过渡段12上设置的温度传感器沿该段气流通道的气流流通方向等距布置。

本发明还公开了上述抗热震蓄热系统的加热控制方法，具体包括如下步骤：

第一步、加热系统单独加热高温蓄热段至第一温度区间；

第二步、加热系统同时对高温蓄热段和低温蓄热段加热，将低温蓄热段加热至第二温度区间并维持保温，将高温蓄热段加热至第三温度区间并维持保温；

第三步、加热系统监测过渡段的温度梯度，采用闭环PID方法控制高温蓄热段或低温蓄热段的加热功率，使过渡段温度梯度处于设定的温度梯度区间内；

第四步、保温结束。

进一步的，本发明的抗热震蓄热系统加热控制方法的所述第二步中，通过设置加热功率，在相同的加热时间内将低温蓄热段和高温蓄热段同时加热至对应温度区间。

本发明的抗热震蓄热系统加热控制方法中，所述第一温度区间为800℃-1000℃，所述第二温度区间为800-850℃，所述第三温度区间为1650-1700℃。

本发明的抗热震蓄热系统加热控制方法中，所述第三步中，过渡段的温度梯度为：在800℃-1650℃的温度区间范围内，每距离100mm的温差在100-110℃。

本发明通过合理设计蓄热体结构组合，当常温的冷气流在流经金属蓄热材料的低温蓄热段、碳化硅蓄热材料的过渡段与各段的蓄热体进行换热，逐步将气流加热升温到高温蓄热段的氧化铝脆-韧转变温度以上，再通过氧化铝蓄热材料的高温蓄热段将气流加热到目标温度，通过分段加热的方式避免了氧化铝蓄热材料因温差导致开裂、粉化，导致系统失效。

本发明较现有蓄热系统的加热方式具有如下有益效果：

1)充分利用不同蓄热材料的热物理性能，通过多材料体系组合形成气流通道，对进入气流通道的常温流动气体进行逐步升温加热，使得气体在气流通道内流通过程中与不同蓄热材料接触时，始终处于该蓄热材料可以承受的温差范围内，从而解决了蓄热材料的热震性问题，保证设备可靠运行。

2)采用高温蓄热段和低温蓄热段分段加热的加热方式，保证两个不同蓄热段同时达到预定温度区间，通过PID闭环自动控制，可根据试验条件和各段蓄热体温度测量的反馈温度信号，自动实现功率输出和蓄热体温度精确控制，保证不同段之间的蓄热体不会串温和超温，使蓄热体工作在合适的工作温度，提供材料的抗热震性能。

3)高温蓄热段的蓄热材料可以实现更高温度蓄热保温，可以获得加热温度更高的气体。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为实施例的冷气流冲刷环境下的抗热震蓄热系统结构示意图。

图2为实施例的冷气流冲刷环境下的抗热震蓄热系统加热控制方法流程示意图。

图中标号：1-气流通道，11-低温蓄热段，12-过渡段，13-高温蓄热段，101-气体入口，102-气体出口，21-低温段加热元件，22-高温段加热元件，31-低温段传感器，32-过渡段传感器，33-高温段传感器，4-控制器，41-低温段加热电源，42-高温段加热电源。

具体实施方式

实施例

参见图1，图示中的抗震蓄热系统为本发明的一种具体实施方案，用于对冷气流加热后进行航空发动机高温进气试验，需要在压力下将常温空气加热至1500℃到1600℃，形成高温气体。

本实施例的抗热震蓄热系统包括气流通道1以及对气流通道进行加热的加热系统两大部分，其中气流通道1内部为气流流通的腔道，沿气流流通方向依次设置为低温蓄热段11、过渡段12、高温蓄热段13，在每个蓄热段的气流腔道均布置蓄热体，其中，在低温蓄热段11的蓄热体上设置低温段加热元件21，在高温蓄热段13的蓄热体上设置高温段加热元件22，低温蓄热段11和高温蓄热段13均为主动加热段，过渡段12的蓄热体两端分别与低温蓄热段11和高温蓄热段13的蓄热体导热连接，通过与低温蓄热段11和高温蓄热段13之间实现热传导蓄热，为被动加热段。三段气流腔道对接贯通形成气流通道1，气体入口101位于低温蓄热段11一端，气体出口102则位于高温蓄热段13一端，气流从气体入口101进入气流通道，依次经过低温蓄热段11、过渡段12、高温蓄热段13进行换热升温，从气体出口102排出。

本实施例中，根据冷气体从下而上的流动状态，本系统蓄热体采用多种材料组合的方式，低温蓄热段11的蓄热体采用金属蓄热砖砌筑成管状，高温蓄热段13的蓄热体采用氧化铝蓄热砖砌筑成管状，过渡段12采用碳化硅蓄热砖+氧化铝蓄热砖砌筑成管状。

低温蓄热段11的蓄热体采用具备良好塑性的金属材料，如GH3030、0Cr27Al6Nb，其抗热震性能好，即使在较大温差下也不会开裂，同时通过空气800℃下5h氧化增重不明显，具备良好的抗氧化性；过渡段12的蓄热体选用抗热震良好、耐温高的陶瓷材料，如反应烧结碳化硅陶瓷，该材料通过从800℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃到1500℃的冷空气急冷试验中均保持完好，具备优异的抗热震性能，但其晶体结构中含有残留硅，其使用温度不宜超过1300℃；高温蓄热段13的蓄热体采用耐高温的氧化铝陶瓷，特点是使用温度高可达1700℃，但热震性能较差，必须工作在氧化铝陶瓷的脆-韧转变温度约1200℃之上，否则容易造成开裂、粉化现象。在本实施例中，当冷气流在流经低温蓄热段11的金属蓄热体、过渡段12的碳化硅蓄热体与各段蓄热体进行换热，可被加热到氧化铝的脆-韧转变温度以上，再通过高温蓄热段13的氧化铝蓄热体进行加热到目标温度，有效避免了氧化铝蓄热材料因温差导致开裂、粉化，导致系统失效。

再次参见图1，本实施例的加热系统包括分别对低温段加热元件21、高温段加热元件22、低温段传感器31、过渡段传感器32、高温段传感器33、控制器4、低温段加热电源41、高温段加热电源42。其中，低温段加热元件21和高温段加热元件22分别对低温蓄热段11和高温蓄热段13进行加热，加热元件采用电感应加热器，其中低温段加热电源41对低温段加热元件21提供电源，高温段加热电源42对高温段加热元件22提供电源，实现对低温蓄热段11和高温蓄热段13的独立加热。控制器4采用PLC控制器，通过PLC调节低温段加热元件21和高温段加热元件22的加热功率。低温段传感器31、过渡段传感器32和高温段传感器33则分别对应设置在低温蓄热段11、过渡段12和高温蓄热段13上，采用热电偶作为检测各段蓄热体的温度传感器，所有传感器均控制器4的信号输入端连接，将采集到的温度信号反馈传输至控制器，然后通过控制器存储设定的设定目标温度参数比对后，反馈调整控制加热元件的加热功率，整个加热系统形成闭环控制系统。有关加热器的功率控制电路为电感应加热器的常规控制技术，本实施例在此不对控制器与加热电源之间的电路连接进行赘述。

具体的，加热系统在下部的低温蓄热段11金属蓄热体设置热电偶作为低温段传感器31，在中间的过渡段12碳化硅蓄热体设置热电偶作为过渡段传感器32，在顶部的高温蓄热段13氧化铝蓄热体设置热电偶作为高温段传感器33。在使用过程中，加热系统根据设定的工况条件，使用PLC控制器分别控制加热电源的输出功率及收集温度传感器返回的温度信号，采用闭环PID方法计算转换各段传感器收到的温度信号来控制高温蓄热段13的氧化铝蓄热体和低温蓄热段11的金属蓄热体的加热功率，使得高温蓄热段13的温度加热维持在1650℃，低温蓄热段11的温度加热维持在800℃，过渡段12的碳化硅蓄热体+氧化铝蓄热体通过两端蓄热段的热传导，维持在800-1650℃的温度梯度分布，其中碳化硅蓄热砖砌筑在过渡段12的下底部，与低温蓄热段11直接对接，氧化铝蓄热砖砌筑在过渡段12的上顶部，与高温蓄热段13直接对接，这样能保证低温蓄热段11到过渡段12之间、过渡段12到高温蓄热段13之间的对接区域温度传导的平顺性，进一步提高对接处不同蓄热段的蓄热材料的抗热震性。

关于过渡段12，本实施例在过渡段12上沿该段气流通道的气流流通方向等距布置多组热电偶，热电偶根据过渡段12的长度，按照间距100mm等距布置，所有热电偶监测的对应过渡段位置的温度信号均需反馈到控制器来判断过渡段12的温度梯度是否达到设定温度梯度区间；关于低温蓄热段11和高温蓄热段13，同样在对应段蓄热体上设置多组热电偶，但是接收对应蓄热段所有温度信号后，通过其平均值判断对应蓄热段整体加热温度是否达到设定温度区间。

参见图2，本实施例的抗热震蓄热系统的加热控制方法包括如下步骤：

第一步、加热系统单独加热高温蓄热段13加热至第一温度区间，通过高温段传感器33实时监测高温蓄热段13的氧化铝蓄热体温度是否达到第一温度区间，如果没有到，则持续反馈至控制器调整高温段加热电源42的加热功率至氧化铝蓄热体温度达到第一温度区间，本实施例的第一温度区间为800℃-1000℃。

第二步、在第一步中的高温蓄热段13加热至第一温度区间后，加热系统启动同时对高温蓄热段13和低温蓄热段11加热，将低温蓄热段11加热至第二温度区间并维持保温，其间通过低温段传感器31实时监测低温蓄热段11的金属蓄热体温度是否达到第二温度区间，如果没有到，则持续反馈至控制器调整低温段加热电源41的加热功率至金属蓄热体温度达到第二温度区间；将高温蓄热段加热至第三温度区间并维持保温，其间通过高温段传感器33实时监测高温蓄热段13的氧化铝蓄热体温度是否达到第三温度区间，如果没有到，则持续反馈至控制器调整高温段加热电源42的加热功率至氧化铝蓄热体温度达到第三温度区间，本实施例的第二温度区间为800℃，第三温度区间为1650℃。

第三步、在第二步中的低温蓄热段11和高温蓄热段13分别达到第二温度区间和第三温度区间后，加热系统通过多组过渡段传感器32监测过渡段12的温度梯度，将实时监测到的过渡段12的温度梯度与设定温度梯度进行比对，使过渡段温度梯度处于设定的温度梯度区间内。当过渡段12的温度梯度高温端值过低，则通过增加高温蓄热段13的加热功率进行调节，当其低温端值过低，则通过增加低温蓄热段11的加热功率进行调节，通过采用闭环PID方法控制高温蓄热段或低温蓄热段的加热功率使过渡段12的温度梯度达到设定温度梯度区间内，本实施例中过渡段12的设定温度梯度区间为：在800℃-1650℃的温度区间范围内，每距离100mm的温差在100-110℃。

第四步、在过渡段12的温度梯度达到设定温度梯度区间后，可以满足后续试验要求，保温结束，进入试验状态。

本实施例的抗热震蓄热系统具体加热过程如下：采用先单独加热高温蓄热段13的氧化铝蓄热体，然后同时加热高温蓄热段13的氧化铝蓄热体和低温蓄热段11的金属蓄热体的方案。加热系统先加热高温蓄热段13的氧化铝蓄热体的顶部一段至800-1000℃，在过程中实时监测高温蓄热段13的温度。当高温蓄热段13的氧化铝蓄热体达到设定温度区间后，启动低温蓄热段11的金属蓄热体的加热，同时通过设定相同的加热时间(如4h)以及各自的目标温度区间，高温蓄热段13为1650℃，低温蓄热段11为800℃。通过以上操作，可以使得高温蓄热段13的氧化铝蓄热体和低温蓄热段11的金属蓄热体能够同时达到各自设定的目标温度区间。此后，加热系统进入保温状态，系统通过各段的热电偶测温反馈，实时调节高温蓄热段13和低温蓄热段11的加热功率，使高温蓄热段13的氧化铝蓄热体维持1650℃，低温蓄热段11的金属蓄热体维持800℃；同时开始监测过渡段12沿高度方向等间距分布的热电偶温度，当过渡段12整体形成了800℃-1650℃的温度梯度，且过渡段12上相同间距的热电偶之间的温度差基本保持在每100mm高度范围内温差相差100-110℃时，完成蓄热系统的加热过程。

以上，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.冷气流冲刷环境下的抗热震蓄热系统，其特征在于：包括气流通道以及对气流通道进行分段加热的加热系统；

所述气流通道沿气流流通方向依次设置低温蓄热段(11)、过渡段(12)和高温蓄热段(13)，所述低温蓄热段(11)的蓄热体采用金属蓄热砖砌筑，所述高温蓄热段(13)的蓄热体采用氧化铝蓄热砖砌筑，所述过渡段(12)的蓄热体采用碳化硅蓄热砖+氧化铝蓄热砖砌筑，其中，所述低温蓄热段(11)和高温蓄热段(13)均设有独立控制的加热元件，所述过渡段(12)的两端分别与低温蓄热段(11)和高温蓄热段(13)导热对接；

所述加热系统包括所述加热元件以及气流通道各段上布置的温度传感器，所述温度传感器通过控制器(4)与加热元件反馈连接，形成闭环控制系统。

2.根据权利要求1所述的冷气流冲刷环境下的抗热震蓄热系统，所述低温蓄热段(11)的加热元件和高温蓄热段(13)的加热元件分别设有独立的加热电源，所述控制器与加热电源的控制电路连接，控制对应加热元件的加热功率。

3.根据权利要求1所述的冷气流冲刷环境下的抗热震蓄热系统，所述过渡段(12)上设置的温度传感器沿该段气流通道的气流流通方向等距布置。

4.权利要求1-3中任一项所述的抗热震蓄热系统的加热控制方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步、加热系统单独加热高温蓄热段至第一温度区间；

第二步、加热系统同时对高温蓄热段和低温蓄热段加热，将低温蓄热段加热至第二温度区间并维持保温，将高温蓄热段加热至第三温度区间并维持保温；

第三步、加热系统监测过渡段的温度梯度，采用闭环PID方法控制高温蓄热段或低温蓄热段的加热功率，使过渡段温度梯度处于设定的温度梯度区间内；

第四步、保温结束。

5.根据权利要求4所述的抗热震蓄热系统的加热控制方法，所述第二步中，通过设置加热功率，在相同的加热时间内将低温蓄热段和高温蓄热段同时加热至对应温度区间。

6.根据权利要求4所述的抗热震蓄热系统的加热控制方法，所述第一温度区间为800℃-1000℃，所述第二温度区间为800-850℃，所述第三温度区间为1650-1700℃。

7.根据权利要求4所述的抗热震蓄热系统的加热控制方法，所述第三步中，过渡段的温度梯度为：在800℃-1650℃的温度区间范围内，每距离100mm的温差在100-110℃。

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