一种高温高压纯净空气供应装置的制作方法

本发明涉及一种空气供应装置，尤其是涉及一种高温高压纯净空气供应装置，适用于需要高温高压纯净空气的试验设备，如超声速风洞、冲压发动机试验设备、烧蚀试验设备等，可以供应大流量的高温高压纯净空气。

背景技术：

目前，高温高压空气供应装置按供应方式分为直接供应和蓄热供应两种类型。

高温高压空气直接供应装置持续将所需流量的高压空气加热，实时供应给用气设备。其空气加热方式主要有燃烧直接加热、燃烧间接加热、电阻加热、电弧加热。

燃烧直接加热方式通过向空气中通入氢气或者醇类、油类等燃料，点燃生成高温混合气体，再向温合气体中补入氧气使得氧气含量与空气中氧气含量相近。这种方式系统简单、效率高，因而应用较广泛。但是所合成的气体中含有水蒸汽、碳氧化物、自由基等杂质，其组分与实际空气有差别，影响试验数据的准确性。

燃烧间接加热方式通过换热器采用非接触换热方式，利用高温燃气将空气加热。这种方式所获得的空气纯度高，但受换热器材料耐温性能和高温下强度的限度，所能供应的空气的压力和温度都不能太高，另外这种方式的加热效率也较燃烧直接加热方式低。

电阻加热方式将电阻加热元件均匀布置在加热器气流通道中，通电后电热元件被加热，高压空气流过电阻加热元件的间隙，电热元件的热传递给空气，获得高温空气。这种加热方式所获得的空气纯度高，但需要设计制造大功率的加热器和调压供电设备，超出了一般试验单位的供电能力，加之启动过程中气流升温慢，稳定时间长，限制了这种加热方式的使用范围。

电弧加热方式使用高压电弧直接对气体进行加热，可以将气流加热到很高的加温度，但是电弧加热器需要配套大功率供电设备，还存在流场不均匀、气流中含有氮氧化合物以及电极烧蚀产生的污染物等问题。

高温高压空气蓄热供应装置，在加热器内部设置蓄热材料，蓄热材料沿气流方向分布，气流通过蓄热材料的狭缝换热。预热阶段进行蓄热材料的加热，把热量存储在蓄热材料中，供气过程中，蓄热材料再把热量传递给空气，加热器出口可获得高温高压空气。其预热方式主要有燃料燃烧加热、电阻元件加热、感应加热等。

燃料燃烧预热蓄热方式在预热阶段先使高温燃气通过蓄热材料，蓄热材料温度逐渐升高，然后停燃气，通入空气，空气吸收蓄热材料的热量温度升高，从而获得高温高压空气。这种方式蓄热体上容易产生积碳，燃烧产物在蓄热材料间的残留可造成空气的污染。

电阻预热蓄热方式在预热阶段依靠电阻元件加热元件加热蓄热材料，加热器内的空气同时衩加热。这种方式预热时间长，受温差影响，蓄热材料预热温度不高。

感应预热蓄热方式通过电磁感应在金属蓄热体内产生涡流，加热温度高、速度快，空气不会被污染。但是为了防止耐压容器壳体被过度加热，需要用导磁体进行屏蔽，导磁体占用空间，造成耐压容器的制造成本增加。运行时，耐压容器内是高温高压空气，而导磁体要求环境温度为常温，导磁体的隔热很难解决。

蓄热供应方式一般选用非金属材料作为蓄热材料，由于蓄热材料受到温度冷热交错以及气流反复冲刷会脱落，因此蓄热供应方式产生的空气流中一般都掺杂着固体粉尘颗粒，会对试验结果造成影响。另外因前面的空气带走热量，蓄热材料的温度降低，后面的空气被加热的温也会越来越低，难以保持出口空气温度的稳定。

综上所述，很多高压空气加热方式都会产生污染杂质，使空气不纯净，影响试验准确性等问题。其中电阻加热直接供应方式和电感应预热蓄热供应方式可效得较纯净的高温高压空气，但电阻加热直接供应方式用电功率往往超出一般试验单位的供电能力，而且存在启动过程升温慢，稳定时间长等问题；而电感应预热蓄热供应方式目前技术还不成熟，难以工程化应用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于克服现有高温高压空气供应技术的不足，提供一种新的高温高压纯净空气供应装置，尤其是适用于需要高温高压纯净空气的试验设备的高温高压纯净空气供应装置，该装置所生成的空气纯净且温度稳定。

为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的：高温高压纯净空气供应装置由耐压容器、电阻加热器、增压阀、供气阀、调压电源、压力传感器、温度传感器、监控设备、叶栅装置、分配器等几部分组成。其中耐压容器包括耐压容器本体、封头、耐高温隔热层、增压法兰接口、供气法兰接口、电接头法兰接口、安全接地极等，耐压容器本体和封头采用法兰形式对接。

调压电源用于向电阻加热器供电；压力传感器用于测量耐压容器内空气压力；温度传感器用于测量耐压容器内空气温度；监控设备用于监测压力和温度参数，控制阀门开关以及调整电阻加热器加热功率；耐高温隔热层除有利于减少热量损失外，还有利于保护耐压容器外壳，防止外壳在承压的情况下因温度过高而强度降低损坏；安全接地接极用于将耐压容器外壳与安全地相连，以防止设备带电，保护操作人员安全；叶栅装置、分配器用于防止产生旋涡，减弱冷、热空气掺混；为了进一步减弱冷、热空气掺混，充分利用耐压容器内的热空气，还可在耐压容器内设置耐高温金属导流隔板。

准备过程中，通过增压阀向耐压容器充入空气，利用电阻加热器将耐压容器内的空气加热，通过增压阀和供气阀调整耐压容器内空气压力；供气过程中，打开供气阀向设备供应适当压力和温度的纯净空气，同时打开增压阀向耐压容器充入常温空气，通过调整进气流量，使耐压容器内压力稳定，从而保持供气压力稳定。

由于采用了上述方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本装置采用电阻加热的方式，且耐压容器内部没有会产生粉尘颗粒的蓄热材料，因此所供应的空气纯净无污染；

(2)本装置耐压容器内部没有蓄热材料占用空间，可容纳更多的空气，除了少量散热外，热量主要用于加热空气，不会产生存储在蓄热材料内的热量无法利用的情况，因而效率较高；

(3)本装置所供应的空气的温度、压力稳定，容易控制。

附图说明

图1是本发明高温高压纯净空气供应装置的原理图；

图2是本发明立式安装耐压容器剖视图；

图3是本发明卧式安装耐压容器剖视图。

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详细说明。

由附图1给出，本发明采用电阻加热方式，加热耐压容器内的空气，由耐压容器1、电阻加热器2、增压阀3、供气阀4、调压电源5、压力传感器6、温度传感器7、监控设备8等、叶栅装置9、分配器10几部分组成。

由附图2、附图3给出，本发明耐压容器1包括耐压容器本体11、封头12、耐高温隔热层13、增压法兰接口14、供气法兰接口15、电接头法兰接口16、安全接地极17等几部分，耐压容器本体11和封头12采用法兰形式对接，将两者拆开，可进行内部设备安装、与维护。

附图2是本发明立式安装耐压容器1剖视图，附图3是本发明卧式安装耐压容器1剖视图。增压法兰接口14位于耐压容器1下部，供气法兰接口15位于耐压容器1的上部，这种布置可减缓充入的冷空气与耐压容器1内原有热空气的掺混，提高热空气供应量。

耐压容器1的容积根据单次试验最大空气用量确定，容积越大，所供应的空气压力与温度越稳定，但设备规模与成本会相应增加。一般情况下，耐压容器1的容积为单次试验最大空气用量的1.5倍左右时可满足使用要求。相同容积的情况下，立式安装供应空气温度的稳定性优于卧式安装。

耐高温隔热层13有利于减少热量损失，而且还有利于保护耐压容器1外壳，防止外壳在承压的情况下因温度过高而强度降低损坏。耐高温隔热层一般选用非金属耐高温材料，选用AL₂O₃-SiC-C浇注料时，耐温可达1700K以上，耐压可达30MPa以上。为防止非金属耐高温材料脱落形成固体粉尘颗粒，从而造成所供应的空气污染，在耐高温隔热层内表面设置一层耐高温金属内胆。

安全接地接极17用于将耐压容器1外壳与安全地相连，以防止设备带电，保护操作人员安全。

电阻加热器2安装于耐压容器1内，用于将耐压容器1内的空气加热，由调压电源供应。根据耐压容器1内空气温度变化情况调整加热功率，若达到预期温度，则停止加热。电阻加热器2可选用的加热元件包括金属电阻带、电阻管、碳化硅等，可将耐压容器1内的空气加热加热到1600K以上。电阻加热器2在耐压容器1应设置可靠的绝缘支撑，防止设备漏电。

增压阀3用于向耐压容器1内充入空气，使耐压容器1内空气压力升高。供气阀4用于向设备供应适当压力和温度的纯净空气，打开供气阀4可使耐压容器1内空气压力降低。预热阶段通过增压阀3和供气阀4配合工作可调整耐压容器1内空气压力。预热前耐压容器1初始充气压力可根据空气压力与温度的关系及初始空气温度、预期空气温度、预期空气压力确定。

调压电源5用于向电阻加热器2供电，可通过控制其输出电压，控制电阻加热器2加热功率。

压力传感器6用于测量耐压容器1内空气压力；温度传感器7用于测量耐压容器1内空气温度；监控设备8用于监测压力和温度参数，控制阀门开关以及调整电阻加热器2加热功率。监控设备一般包括工控机、采集卡、调理电路、控制电路和操作台等，可人工手动操作，也可对调压、调温过程自动控制。

叶栅装置9采用耐高温金属板制成蜂窝状结构，分配器10采用耐高温金属板制成多级孔板形式或多圈周心圆形开孔管形式，用于防止产生旋涡，减弱冷、热空气掺混；为了进一步减弱冷、热空气掺混，充分利用耐压容器内的热空气，还可在耐压容器1内设置耐高温金属导流隔板，对增压冷空气进行导流。

本发明装置的整个工作过程：准备过程中，通过增压阀3向耐压容器1充入空气，利用电阻加热器2将耐压容器1内的空气加热，通过增压阀3和供气阀4调整耐压容器1内空气压力；供气过程中，打开供气阀4向设备供应适当压力和温度的纯净空气，同时打开增压阀3向耐压容器1充入常温空气，通过调整进气流量，使耐压容器1内压力稳定，从而保持供气压力稳定。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。