CN114018585B - 一种热环境装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及液体火箭发动机环境模拟技术领域，具体为一种热环境装置，以解决现有技术中存在的灯管在真空条件下长时间高功率工作过程中，会出现涂层发黑，导致背面温度聚集，极易造成灯管高温软化甚至断裂；在使用自来水或者消防水冷却时，供水压力不足，容易在热环境装置的高温冷却通道处造成气堵等问题。该装置包括包括隔热板、回防火板、支撑框架、灯阵、冷却系统，支撑框架包括第一框架、第二框架、第三框架与第四框架，冷却回路包括结构不相同的第1路冷却水回路、第2路冷却水回路来对灯阵进行冷却降温。
Description
技术领域
本发明涉及液体火箭发动机环境模拟技术领域，具体涉及一种热环境装置。
背景技术
在进行某型号2000N量级的液体姿控发动机真空热环境点火试验时，需对发动机推力室在最低2Pa真空度环境中进行最高340kW/m2热流密度加载试验，实验过程中，在灯阵散发的热量和发动机点火共同作用下，发动机推力室内部环境温度最高可超过1200℃，因此就需要一套热环境装置来满足该试验要求；
但该热环境装置的设计难点如下：
1)热环境装置分为两个加热分区，两个加热分区内安装的红外石英灯管背面涂有反射涂层，但在真空条件下长时间高功率工作过程中，涂层会发黑，导致背面温度聚集，极易造成灯管高温软化甚至断裂，故需设计合理的冷却通道，对不同分区进行科学冷却；
2)通常试验台上冷却水供水系统直接采用自来水或消防水，而根据试验任务，该种供水方式供水压力不足，容易在热环境装置的高温冷却通道处造成气堵，进而可能对整个热环境装置造成毁灭性破坏；
3)受热环境装置框架热变形的影响，U型灯管在工作过程中会受到一定的应力，而灯管材料为石英玻璃，其具有很高的耐热性，长期使用温度为1100℃～1200℃，短期使用温度可达1400℃，但其热膨胀系数极低，具有很高的弹性模量，在受到外力时易发生脆性断裂，故对于红外石英灯管的安装方式及热防护方式具有特殊的要求。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的灯管在真空条件下长时间高功率工作过程中，会出现涂层发黑，导致背面温度聚集，极易造成灯管高温软化甚至断裂；在使用自来水或者消防水冷却时，供水压力不足，容易在热环境装置的高温冷却通道处造成气堵；材质为石英玻璃的灯管热膨胀系数极低，在受到外力时容易发生脆性断裂等问题，而提供一种热环境装置。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种热环境装置，其特殊之处在于：
包括支撑框架、灯阵以及冷却系统；
支撑框架包括第一框架、依次连接在第一框架上的隔热板、第二框架、第三框架、第四框架以及安装在第四框架上的防回火板，第二框架、第三框架以及第四框架形成灯阵支架；
第三框架与第四框架之间设置用于产生高热量的第一灯阵，第二框架与第三框架之间设置用于产生低热量的第二灯阵；
冷却系统包括供水系统与冷却回路，供水系统和冷却回路连通，用于向冷却回路提供冷却水；
冷却回路包括第1路冷却水回路以及第2路冷却水回路；
第1路冷却水回路用来对第二框架、第三框架以及第二框架与第三框架之间区域进行冷却；
第2路冷却水回路用来对第三框架、第四框架以及第三框架与第四框架之间区域进行冷却；
所述第1路冷却水回路包括设置在第二框架上靠近第三框架一侧的第一路出水环、与设置在第三框架靠近第二框架一侧的第一路入水环，第一路入水环与第一路出水环连通，冷却水从第一路入水环的进水口进水，从第一路出水环的出水口出水；
所述第2路冷却水回路包括设置在第三框架上靠近第四框架一侧的第二路进水环、设置在第四框架上的第二路过渡环、以及设置在第二路过渡环与第二路进水环之间的第二路出水环，第二路进水环与第二路过渡环、第二路过渡环与第二路出水环之间均连通，冷却水从第二路进水环的进水口进水，经过第二路过渡环后从第二路出水环的出水口出水。
进一步地，还包括用来给第二框架以及第二框架与隔热板之间区域冷却的第3路冷却水回路；
所述第3路冷却水回路包括设置在第二框架靠近隔热板一侧第三路进水环与第三路出水环，第三路进水环与第三路出水环连通，冷却水从第三路进水环的进水口进入，从第三路出水环的出水口流出。
进一步地，还包括用来给防回火板冷却的第4路冷却水回路；
所述第4路冷却水回路包括设置在防回火板上的内圈冷却环与外圈冷却环，内圈冷却环与外圈冷却环连通，冷却水从内圈冷却环的进水口进水，从外圈冷却环的出水口出水。
进一步地，所述第二框架、第三框架、第四框架均采用空心管且相互连通，从而形成第5路冷却水回路；
冷却水从第四框架的进水口进入，流通第四框架、第三框架以及第二框架后，从第二框架的出水口流出。
进一步地，第一灯阵和第二灯阵结构相同，均由若干个U型灯管组成，U型灯管两端通过不锈钢卡箍安装在支撑框架上，U型灯管的高温端与不锈钢卡箍松配合，U型灯管低温端与不锈钢卡箍紧配合。
进一步地，U型灯管的引线接线端绕过所述支撑框架的外侧并汇总到所述隔热板远离蝶儿框架一侧并包覆有隔热毡，所述U型灯管的引线高温端缠绕有防护胶带；
U型灯管的冷端接线端穿有瓷套管。
进一步地，第一路出水环与第一路入水环之间、第二路进水环与第二路过渡环之间、第二路过渡环与第二路出水环之间、第三路出水环与第三路进水环之间以及内圈冷却环与外圈冷却环之间均通过不锈钢软管连通。
进一步地，内圈冷却环与外圈冷却环均通过不锈钢卡箍连接在防回火板上。
进一步地，第二框架、第三框架与第四框架周侧均安装有至少一个加固支撑板，沿同一水平线上的至少两个所述加固支撑板通过加固螺杆固定，所述加固支撑板包覆有隔热毡。
进一步地，所述供水系统中冷却水采用容器增压方式供应；
所述供水系统包括介质容器、设置在介质容器出口处的过滤器、与介质容器出口连通的冷却管路、与冷却管路连通的进水集水器，设置在冷却管路上的质量流量计与气动初级阀以及增压系统；
流量计设置在介质容器的出口处，气动初级阀设置在进水集水器的进水口处；
增压系统包括增压容器、增压供气管路、设置在增压供气管路上的增压阀；
增压供气管路一端增压容器连通，另一端与介质容器的入口连通；
进水集水器与冷却回路的进水口连通。
本发明的有益效果是：
1.本发明提供一种热环境装置，通过在做液体火箭发动机做环境模拟时的，通过在支撑框架不同区域安装热量不同的灯阵，然后采用不同结构的冷却水回路对两个区域进行冷却降温，通过设置第1路冷却水回路对第二框架、第三框架以及第二框架与第三框架之间区域进行冷却，通过设置第2路冷却水回路对第三框架、第四框架以及第四框架与第三框架之间区域进行冷却降温，通过上述两个冷却水回路使得灯阵周围的温度降低，并且两个冷却水回路的进水口都设置在温度较高的第三框架一侧，进一步可以保证灯阵的冷却效果，降低灯管高温软化的可能性，并且可以通过合理设置冷却通道面积，既可以保证足够的冷却换热量，又不至于由于流量过大导致冷却水浪费。
2.本发明提供一种热环境装置，通过设置的第3路冷却水回路对隔热板、第二框架以及隔热板与第二框架的中间区域进行冷却降温，通过设置第4路冷却水回路对防回火板进行冷却，通过设置的第5路冷却水回路对支撑框架本身进行冷却，进而配合第1路冷却水回路与第2路冷却水回路实现对支撑框架的冷却降温，防止支撑框架在高温下变形，进一步可以对灯阵起到保护作用，降低由于支撑框架的变形而引起灯阵损坏的可能性。
3.本发明提供一种热环境装置，通过将U型灯管靠近第三框架一端与不锈钢卡箍之间预留一定的配合间隙，保证了在U型灯管受热膨胀时，有足够的伸缩裕度，降低U型灯管损坏的可能性。
4.本发明提供一种热环境装置，采用容器增压方式供水的供水系统，保证热环境装置在使用过程中有足够的供水压力及供水流量，通过对增压容器进行增压，经介质容器与集水器后，实现五个冷却水回路上的供水增压，降低冷却水回路出现气堵的可能性。
附图说明
图1是本发明一种热环境装置的加热分区示意图；
图2是本发明一种热环境装置的冷却水回路总体结构示意图；
图3是本发明一种热环境装置的第1路冷却水回路结构示意图；
图4是本发明一种热环境装置的第2路冷却水回路结构示意图；
图5是本发明一种热环境装置的第3路冷却水回路结构示意图；
图6是本发明一种热环境装置的第4路冷却水回路结构示意图；
图7是本发明一种热环境装置的第5路冷却水回路结构示意图；
图8是本发明一种热环境装置的灯阵安装结构示意图；
图9是本发明一种热环境装置的灯阵结构示意图；
图10是本发明一种热环境装置的供应水系统。
图中，1、支撑框架，11、第一框架，12、隔热板，13、第二框架，14、第三框架，15、第四框架，16、防回火板，2、第一灯阵，21、U型灯管，22、不锈钢卡箍，3、第1路冷却水回路，31、第一路入水环，32、第一路出水环，4、第2路冷却水回路，41、第二路进水环，42、第二路过渡环，43、第二路出水环，5、第3路冷却水回路，51、第三路进水环，52、第三路出水环，6、第4路冷却水回路，61、内圈冷却环，62、外圈冷却环，7、第5路冷却水回路，8、加固支撑板，9、瓷套管，10、防护胶带；11、介质容器；12、进水集水器；13、冷却管路；14、质量流量计；15、气动初级阀；16、增压容器；17、增压供气管路；
A-低热流密度分区，B-高热流密度分区。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种热环境装置作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种热环境装置，其基本设计思路是：通过设置在支撑框架1上的不同规格灯阵散发的热量不同划分出处高温与低温不同的区域，即低热流密度分区A区与高热流密度分区B区，然后通过隔热板12、支撑框架1与防回火板16之间不同区域的温度不同，设置相应结构的冷却回路实现对热环境装置进行冷却。
如图1与图2所示，本发明所提供的一种热环境装置，其具体结构包括支撑框架1与冷却系统；
支撑框架1包括第一框架11，在第一框架11上端依次连接隔热板12、第二框架13，第三框架14、第四框架15与安装在第四框架15上的防回火板16，如图8所示，将散发高热量的U型灯管21通过不锈钢卡箍22固定在支撑第四框架15与第三框架14之间，将散发低热量的U型灯管21通过不锈钢卡箍22固定在第三框架14与第二框架13之间，U型灯管21高温端不锈钢卡箍22松配合，U型灯管21低温端与不锈钢卡箍22紧配合，U型灯管21的固定由不锈钢卡箍22和灯管引线共同实现，通过松紧结合的固定方式，保证灯管变形裕度；
如图10所示，整冷却系统通过氮气增压方式对介质容器11增压，从而实现对进水集水器12增压，进水集水器12内的去离子水从进水集水器12出水口流出，进入到五条连接管路内，五条管路分别连接五条不同的冷却水回路的进水口；
如图3所示，第1路冷却水回路3通过设置在第二框架13上靠近第三框架14一侧的第一路出水环32，设置在第三框架14靠近第二框架13一侧并且与第一路出水环32通过不锈钢软管连通的第一路入水环31，实现对第二框架13、第二框架13与第三框架14之间区域(即低热流密度分区A)、第三框架14进行冷却，集水管中的冷却水从第一路入水环31的进水口进水，从第一路出水环32的出水口出水；
如图4所示，第2路冷却水回路4通过设置在第三框架14上靠近第四框架15一侧的第二路进水环41、设置在第四框架15靠近第三框架14一侧并且与第二路进水环41通过不锈钢软管连通的第二路过渡环42、设置在第二路进水环41与第二路过渡环42之间并且与第二路过渡环42通过不锈钢软管连通的第二路出水环43，集水器中的冷却水从第二路进水环41的进水口进水，经过第二路过渡环42后从第二路出水环43的出水口出水；
如图5所示，第3路冷却水回路5是通过设置在第二框架13上第三路进水环51、与第三路进水环51通过不锈钢软管连通的第三路出水环52，实现对隔热板12与第二框架13进行冷却，集水管中的冷却水从第三路进水环51的进水口进入，从第三路出水环52的出水口流出；
如图6所示，第4路冷却水回路6中通过设置防回火板16上的内圈冷却环61与外圈冷却环62，对防回火板16进行冷却，内圈冷却环61与外圈冷却环62通过不锈钢软管连通，内圈冷却环61与外圈冷却环62通过不锈钢卡箍与防回火板16连接，冷却水从内圈冷却环61的进水口进水，从外圈冷却环62的出水口出水
如图7所示，第5路冷却水回路7通过采用空心管的第四框架15、第三框架14以及第二框架13，并且第四框架15、第三框架14以及第二框架13之间相互连通，实现对支撑框架1的冷却，冷却水从第四框架15的进水口进入，流通第四框架15、第三框架14以及第二框架13后，从第二框架13的出水口流出；
最优为冷却水回路的出水口跟进水口全部设置在冷却水回路的底部，冷却水回路的出水口连通管道至地下水。
如图2所示，在第二框架13、第三框架14与第四框架15周围安装至少一个被隔热毡包覆的加固支撑板8，然后通过加固螺杆连接起来，增加支撑框架1的强度，加强灯阵2的稳定性。
如图9所示，在所有U型灯管21的冷端接线端均穿瓷套管9，并用高温防护胶带10对置于灯阵2附近的引线进行全面缠绕防护；灯管引线走向沿装置支架温度较低部分进行固定，灯管引线固定后统一捋顺至隔热板12之后，并对灯管引线与不锈钢卡箍22进行硅酸铝隔热毡包覆。
供水系统中冷却水采用容器增压方式供应，冷却水采用去离子水；
供水系统包括介质容器11、设置在介质容器11出口处的过滤器、冷却管路13、设置在冷却管路13上的质量流量计14与气动初级阀15、进水集水器12与增压系统；
冷却管路13一端与介质容器11连通，另一端与进水集水器12连通；过滤器与质量流量计14设置在介质容器11的出口处，气动初级阀15设置在进水集水器12的进水口处；
增压系统采用氮气增压的方式对介质容器11进行增压，增压系统包括增压容器16、增压供气管路17、设置在增压供气管路17上的增压阀；增压供气管路17一端增压容器16连通，另一端与介质容器11的入口连通，先通过增压阀对增压容器16增压，然后依次传递到增压供气管路17、介质容器11、冷却管路13与集水器，然后冷却水从进水集水器12进入到五条冷却水回路中进行热环境装置冷却。
该结构中主要部件的作用分别如下：
冷却水回路：在不同区域设置不同结构的冷却水回路来实现热环境装置的降温冷却，并且通过从U型灯管21受热较严重的区域进水，保证了U型灯管21的冷却效果，降低U型灯管21高温软化的可能性，并且可以通过合理的设置冷却水回路的体积，既可以保证足够的冷却换热量，又不至于由于流量过大导致冷却水浪费。
供水系统：采用容器增压的方式进行供水，保证了供水的压力，不容易在冷却水回路中造成气堵，保证了整个热环境环境装置的安全性。
固定U型灯管21的不锈钢卡箍22：通过将U型灯管21高温端与不锈钢卡箍22之间松配合，保证了在U型灯管21受热膨胀时，有足够的伸缩裕度，降低U型灯管21损坏的可能性。
本发明的工作原理：使用增压系统对介质容器11进行增压，进而冷却水从进水集水器12进入到五个冷却水回路中，然后通过第三路进水环51与第三路出水环52实现对隔热板12与第二框架13进行冷却；通过设置的第一路出水环32与第一路入水环31对第二框架13、第二框架13与第三框架14之间区域、第三框架14进行冷却；通过设置的第二路进水环41、第二路过渡环42与第二路出水环43对第三框架14、第三框架14与第四框架15之间区域、第四框架15进行降温，通过设置的内圈冷却环61与外圈冷却环62对防回火板16进行冷却，第二框架13、第三框架14与第四框架15采用空心管并且相互连通实现对支撑框架1本身进行冷却。
注：图2-图7，箭头为冷却水的流向。
在使用时，给定各部件的参数：
供应容器采用5m3介质容器，冷却管路采用DN32不锈钢供应管路，过滤器选用400目，质量流量计选用DN16质量流量计，最大供水流量可达2.5kg/s，气动初级阀选用DN32气动初级阀，增压容器采用0.2m3容器作为缓冲气垫，增压供气管路采用DN20不锈钢供应管路；
基于上述条件，各冷却回路面积见表1所示，该冷却回路面积可以保证足够的冷却换热量，又不至于由于流量过大导致冷却水消耗过大。
表1冷却回路面积
五路冷却水回路的流量见表2所示，该流量可以保证在340kW/m2高热流密度加载条件下热环境装置的安全。
表2装置五路冷却水回路流量
| 进水压力P(MPa) | 流量Q(g/s) | |
| 第1路 | 0.351 | 245.7 |
| 第2路 | 0.354 | 220.9 |
| 第3路 | 0.354 | 266 |
| 第4路 | 0.349 | 269.7 |
| 第5路 | 0.353 | 210.2 |
热环境装置的五路冷却水进水流量通过容器增压进行控制，进水集水器12水压维持0.5MPa时，各路流量如表3所示。
表3 0.5MPa水压
由表3可知，在五路冷却水路全开，保证水压0.5MPa的条件下总流量可达1.445kg/s，持续供应3460s，可以满足试验任务需求。
此处还需要强调的一点是：冷却水回路调试时，由于热流计自身结构的原因，无法承受0.5MPa的水压，故通过试验台自来水系统或者消防水系统进行单独供应，冷却管路采用DN20金属软管，并在供水出口设置400目过滤器和DN8流量计，在冷却管路上设置供水手动球阀，保证热流计的冷却水流量维持在300g/s左右。
Claims (7)
1.一种热环境装置，其特征在于：包括支撑框架(1)、灯阵以及冷却系统；
支撑框架(1)包括第一框架(11)、依次连接在第一框架(11)上的隔热板(12)、第二框架(13)、第三框架(14)、第四框架(15)以及安装在第四框架(15)上的防回火板(16)，第二框架(13)、第三框架(14)以及第四框架(15)形成灯阵支架；
第三框架(14)与第四框架(15)之间设置用于产生高热量的第一灯阵(2)，第二框架(13)与第三框架(14)之间设置用于产生低热量的第二灯阵；
冷却系统包括供水系统与冷却回路，供水系统和冷却回路连通，用于向冷却回路提供冷却水；
冷却回路包括第1路冷却水回路(3)以及第2路冷却水回路(4)；
第1路冷却水回路(3)用来对第二框架(13)、第三框架(14)以及第二框架(13)与第三框架(14)之间区域进行冷却；
第2路冷却水回路(4)用来对第三框架(14)、第四框架(15)以及第三框架(14)与第四框架(15)之间区域进行冷却；
所述第1路冷却水回路(3)包括设置在第二框架(13)上靠近第三框架(14)一侧的第一路出水环(32)、与设置在第三框架(14)靠近第二框架(13)一侧的第一路入水环(31)，第一路入水环(31)与第一路出水环(32)连通，冷却水从第一路入水环(31)的进水口进水，从第一路出水环(32)的出水口出水；
所述第2路冷却水回路(4)包括设置在第三框架(14)上靠近第四框架(15)一侧的第二路进水环(41)、设置在第四框架(15)上的第二路过渡环(42)、以及设置在第二路过渡环(42)与第二路进水环(41)之间的第二路出水环(43)，第二路进水环(41)与第二路过渡环(42)、第二路过渡环(42)与第二路出水环(43)之间均连通，冷却水从第二路进水环(41)的进水口进水，经过第二路过渡环(42)后从第二路出水环(43)的出水口出水；
还包括用来给第二框架(13)以及第二框架(13)与隔热板(12)之间区域冷却的第3路冷却水回路(5)；
所述第3路冷却水回路(5)包括设置在第二框架(13)靠近隔热板(12)一侧第三路进水环(51)与第三路出水环(52)，第三路进水环(51)与第三路出水环(52)连通，冷却水从第三路进水环(51)的进水口进入，从第三路出水环(52)的出水口流出；
还包括用来给防回火板(16)冷却的第4路冷却水回路(6)；
所述第4路冷却水回路(6)包括设置在防回火板(16)上的内圈冷却环(61)与外圈冷却环(62)，内圈冷却环(61)与外圈冷却环(62)连通，冷却水从内圈冷却环(61)的进水口进水，从外圈冷却环(62)的出水口出水；
所述第二框架(13)、第三框架(14)、第四框架(15)均采用空心管且相互连通，从而形成第5路冷却水回路(7)；
冷却水从第四框架(15)的进水口进入，流通第四框架(15)、第三框架(14)以及第二框架(13)后，从第二框架(13)的出水口流出。
2.根据权利要求1所述的一种热环境装置，其特征在于：第一灯阵(2)和第二灯阵结构相同，均由若干个U型灯管(21)组成，U型灯管(21)两端通过不锈钢卡箍(22)安装在支撑框架(1)上，U型灯管(21)的高温端与不锈钢卡箍(22)松配合，U型灯管(21)低温端与不锈钢卡箍(22)紧配合。
3.根据权利要求2所述的一种热环境装置，其特征在于：U型灯管(21)的引线接线端绕过所述支撑框架(1)的外侧并汇总到所述隔热板(12)远离第二框架(13)一侧并包覆有隔热毡，所述U型灯管(21)的引线高温端缠绕有防护胶带(10)；
U型灯管(21)的冷端接线端穿有瓷套管(9)。
4.根据权利要求1所述的一种热环境装置，其特征在于：第一路出水环(32)与第一路入水环(31)之间、第二路进水环(41)与第二路过渡环(42)之间、第二路过渡环(42)与第二路出水环(43)之间、第三路出水环(52)与第三路进水环(51)之间以及内圈冷却环(61)与外圈冷却环(62)之间均通过不锈钢软管连通。
5.根据权利要求1所述的一种热环境装置，其特征在于：内圈冷却环(61)与外圈冷却环(62)均通过不锈钢卡箍连接在防回火板(16)上。
6.根据权利要求1所述的一种热环境装置，其特征在于：第二框架(13)、第三框架(14)与第四框架(15)周侧均安装有至少一个加固支撑板(8)，沿同一水平线上的至少两个所述加固支撑板(8)通过加固螺杆固定，所述加固支撑板(8)包覆有隔热毡。
7.根据权利要求1所述的一种热环境装置，其特征在于：
所述供水系统中冷却水采用容器增压方式供应；
所述供水系统包括介质容器(110)、设置在介质容器(110)出口处的过滤器、与介质容器(110)出口连通的冷却管路(130)、与冷却管路(130)连通的进水集水器(120)，设置在冷却管路(130)上的质量流量计(140)与气动初级阀(150)以及增压系统；
流量计设置在介质容器(110)的出口处，气动初级阀(150)设置在进水集水器(120)的进水口处；
增压系统包括增压容器(160)、增压供气管路(17)、设置在增压供气管路(17)上的增压阀；
增压供气管路(17)一端增压容器(160)连通，另一端与介质容器(110)的入口连通；
进水集水器(120)与冷却回路的进水口连通。
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