专利名称：一种防掉渣高温高压纯净空气蓄热式加热系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种蓄热式加热系统，特别涉及一种提供高温高压纯净空气并且防掉渣的蓄热式加热系统。
背景技术：
为了在地面进行超声速燃烧的试验研究，需建造能模拟飞行状态的焓值、速度和气体中氧气组分的地面模拟设备。具有这种模拟能力的加热方式有多种，目前国内外采用的大流量气体加热方式主要分为三类(1)电弧加热通过高压直流电弧放电使流过电弧的气流被加热；(2)燃烧加热通过供入氢等燃料，利用部分空气作为氧化剂实现燃烧加热气流；(3)蓄热加热利用预储于高温蓄热材料中的热能加热气流。电弧加热方式能获得很高的加热温度(3000-10000K)，但氮氧化合物的产生以及电极烧蚀污染物和流场不均匀性等问题使得该类加热器难以真正复现高超声速飞行器的真实特征热、化学环境。燃烧加热方式可获得较高的气流温度。然而，实验和数值模拟均发现，燃烧加热方式会产生自由基，依然存在获得的气流化学组分与真实空气有差别的问题。当化学组分偏离时，空气的物理特性，例如比热等会发生显著变化，影响实验精度。燃烧加热方式具有经济性好，结构简单，效率高的特点，应用最广泛。然而燃烧加热后的试验气体中存在与空气不同的污染组分。当使用氢燃料加热空气时，在高温状态下污染组分主要是H20和自由基，而使用烃燃料加热空气时，污染组分主要是H20、C02和自由基；污染组分使得被加热的高温气体无法完全模拟真实飞行状况下的气体来流，导致从地面试验向发动机飞行试验的延伸存在不确定性。蓄热式加热将热能以较慢的速率通过电加热或燃烧加热过程储存在蓄热材料中，当风洞运行时热能再以很高的速率传给空气。此种加热方式可获得化学组分与真实空气完全一致的气流条件。用于超燃冲压发动机地面性能测试时，蓄热式加热是三种加热方式中获得数据可靠性最高的一种。严格来说，蓄热式加热后的高温空气不是100%纯净的，一般都夹杂着固体粉尘，这些固体粉尘是由于蓄热材料和炉衬材料受到气流反复冲刷而脱落的。这些固体粉尘会影响地面试验的可靠性和真实性，为了得到更可靠的试验数据，有必要对气体中夹杂的固体粉尘进行处理。旋风分离器具有构造简单和造价低廉等优点，操作压降中等，如能合理使用，可长期不会发生故障。对于粒径大于5微米粉尘的分离，它的分离效率是很好的。旋风分离器常用作大颗粒粉尘分离过程中的最后一个分离器，亦可作为高效分离器。而本发明防掉渣高温高压纯净空气蓄热式加热系统即是在蓄热式加热系统的基础上加上了带水冷结构的旋风分离器，对蓄热器出口的高温高压气体进行除尘，本套分离器系统对对粒径大于5微米的粉尘具有很好的分离性
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可供应高温高压纯净空气的蓄热式加热系统，用于地面超声速燃烧试验研究，并解决加热后高温空气中夹杂固体粉尘的问题。本发明解决其技术问题所采用的技术方案一种防掉渣高温高压纯净空气蓄热式加热系统，主要包括蓄热器、燃烧器、旋风分离器；蓄热器由陶瓷蜂窝体、耐火浇注层、绝热层、保温层及外筒组成，陶瓷蜂窝体耐热温度高，具有较好的蓄热能力，其蜂窝孔的尺寸、横截面积和长度经过详细的传热计算优化得到，耐火浇注层的耐热温度与蜂窝体相当，导热率较小，可防止绝热层和保温层的烧蚀，绝热层的耐热温度和导热系数介于耐火浇注层和保温层之间，可进一步降低热冲击和热损失，保温层的绝热效果最好，而耐热性略差于绝热层，经过耐火浇注层、绝热层和保温层的隔绝后，最外层筒体的温度不会高于100°c，不影响外层筒体的热强度，而且热损失很小，外筒采用高压压力容器，蓄热器水平放置；燃烧器安装在蓄热器前端，尾部与蓄热器的前端通过法兰连接，其有三个接口，分别是液化石油气、风机空气以及高压空气的入口，燃烧器内放置旋流器来组织气流，点火器通过液化石油气入口插入到旋流器后的合适位置；旋风分离器安装在蓄热器出口，垂直放置，具有切向进气口和锥底筒身的结构，分离器材料为不锈钢，其进出口以及筒体都采用水冷结构，保证高温下分离器的强度。本发明的工作原理风机提供的低压空气和液化气进入蓄热器的前置燃烧器，通过点火器点燃，形成的高温燃气进入蓄热器中，加热陶瓷蜂窝体，测量蜂窝体前燃气温度，以及蓄热器出口处温度，当出口燃气温度达到预定温度时，关闭液化气路，风机继续供气5min，将蓄热器和分离器中的残余燃气吹除干净；打开高压气路，高压气经过蓄热器后被加热预定温度，由蓄热器出口流出的带有粉尘的高温高压空气由分离器入口方管以切向进入旋风分离器内，且在旋风分离器内形成漩涡，在分离器导出管下面与漩涡底部上面的区域内，旋转的气流向低压的中央核心作径向移动，当气流达到器底核心时，经净制后的气体则向上移动，而通过分离器导出管排出分离器外，分离出来的粉尘随着下旋的气流沿着器壁落到粉尘出口管进入分离器漏斗，分离器能很好的去除气流中粒径大于5微米的粉尘，使气流更加纯净，组分更贴近飞行状况下的进口气流。本发明与现有技术相比具有的优点如下(I)本发明的蓄热式加热系统能够较长时间的提供较大流量的高温高压空气，温度最高可到1500K,压力最高可到3. 5MPa,流量最大可到4kg/s,并且流阻低,热损失小；(2)本发明的蓄热式加热系统加入了旋风分离器结构，能有效去除气流中粒径大于5微米的粉尘，使气流更加洁净，能更好的满足试验的精确性和可靠性。
图1为本发明的防掉渣高温高压纯净空气蓄热式加热系统结构示意图；图2为本发明的旋风分离器结构示意图；图3为本发明的蓄热器剖面结构示意图；图中I蓄热器，2燃烧器，3旋风分离器，4分离器主体，5转接段，6分离器入口方管，7分离器漏斗，8高压空气入口，9风机空气入口，10液化石油气入口，11分离器内筒，12分离器导出管，13分离器导出管法兰，14分离器漏斗上法兰，15分离器漏斗下法兰，16分离器漏斗堵盖，17分离器入口管宽度，18分离器内筒直径，19分离器出口管深度，20分离器直筒长度，21分离器锥筒长度，22分离器入口管高度，23外陶瓷蜂窝体，24耐火泥浇注料层，25绝热层，26保温层，27外筒，28分离器出口管直径，29分离器排料口直径，30分离器漏斗，31分离器入口方管法兰，32分离器内筒上法兰，33分离器内筒下法兰，34分离器堵盖法
兰
具体实施例方式图1为防掉渣高温高压纯净空气蓄热式加热系统结构示意图，高温高压空气所含渣子的临界粒径范围为5 10微米，高温高压空气温度范围为60(Γ1500Κ，压力范围为1~3. 5MPa。本发明包括蓄热器I，燃烧器2，旋风分离器3，分离器主体4，转接段5，分离器入口方管6，分离器漏斗7，高压空气入口 8，风机空气入口 9，液化石油气入口 10。燃烧器2安装在蓄热器I前端，尾部与蓄热器I的前端连接，燃烧器2有三个接口，分别是液化石油气入口 10、风机空气入口 9以及高压空气的入口 8 ;旋风分离器3安装在蓄热器I出口，垂直放置，空气切向进入后向上流动。本发明系统的整个工作过程蓄热器I预热阶段风机空气和液化石油气分别由风机空气入口 9和液化石油气入口 10供入到燃烧器2中混合燃烧，燃烧后的热燃气通入蓄热器I中预热蓄热器1，当蓄热器I加热到指定温度时，液化石油气入口 10停止液化石油气的供应，风机空气入口 9继续供入空气吹扫5min，将蓄热器I中残余的燃气吹扫干净；蓄热器I放热阶段高压空气由高压空气入口 8通入到蓄热器I中，流经蓄热器I的过程即为被加热的过程，到蓄热器I出口被加热到指定温度，由蓄热器I出口流出的带有粉尘的高温高压空气由分离器入口方管6以切向进入旋风分离器3内，经过分离器的分离效应，绝大部分粉尘被剔除，较纯净的高温高压空气通过分离器导出管12排出分离器3外。图2为旋风分离器结构示意图，旋风分离器3承受压力6MPa，承受温度1300K。旋风分离器3包括分离器内筒11，分离器导出管12，分离器导出管法兰13，分离器漏斗上法兰14，分离器漏斗下法兰15，分离器漏斗堵盖16，分离器入口管宽度17，分离器内筒直径18，分离器出口管深度19，分离器直筒长度20，分离器锥筒长度21，分离器入口管高度22，分离器出口管直径28，分离器排料口直径29，分离器漏斗30，分离器入口方管法兰31，分离器内筒上法兰32，分离器内筒下法兰33，分离器堵盖法兰34。分离器入口方管6 —端与分离器入口方管法兰31焊接在一起，另一端以切向直接焊接在分离器内筒11上，分离器内筒11上下焊接法兰作为连接件，其中分离器内筒上法兰32与分离器导出管法兰13连接，分离器内筒下法兰33与分离器漏斗上法兰14连接，分离器漏斗下法兰15与分离器堵盖法兰34连接。由蓄热器I出口流出的带有粉尘的高温高压空气由分离器入口方管6以切向进入旋风分离器3内，且在分离器内筒11内形成漩涡，在分离器导出管12下面与漩涡底部上面的区域内，旋转的气流向低压的中央核心作径向移动，当气流达到器底核心时，经净制后的气体则向上移动，而通过分离器导出管12排出分离器外，分离出来的粉尘随着下旋的气流沿着器壁落到粉尘出口管进入分离器漏斗30。旋风分离器内筒11直径范围为20(T300mm，旋风分离器入口管宽度17为4(T60mm，旋风分离器入口管高度22为8(Tl20mm ;分离器出口管直径28范围8(Tl20mm ;分离器排料口直径29范围为4(T60mm ;分离器直筒长度20范围为40(T500mm ;分离器锥筒长度21范围为40(T500mm。图3为蓄热器剖面结构示意图，蓄热器I包括陶瓷蜂窝体23，耐火泥浇注料24，绝热层25，保温层26，外筒27 ;蓄热器的蓄热材料为陶瓷蜂窝体23，包裹着陶瓷蜂窝体23从内到外依次为耐火泥浇注料层24，绝热层25，保温层26和外筒27。总之，本发明适用于需要高纯度纯净空气的地面试验系统中，结构简单紧凑，并且热损失小。本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。以上所述，仅为本发明部分具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种防掉渣高温高压纯净空气蓄热式加热系统，其特征在于包括蓄热器(I)、燃烧器(2 )和旋风分离器(3 );所述蓄热器(I)水平放置，包括陶瓷蜂窝体(23 )、耐火泥浇注料层(24)、绝热层(25)、保温层(26)和外筒(27)，蓄热器(I)的蓄热材料为陶瓷蜂窝体(23)，包裹着陶瓷蜂窝体(23)从内到外依次为耐火泥浇注料层(24)、绝热层(25)、保温层(26)和外筒(27);燃烧器(2)安装在蓄热器(I)前端，尾部与蓄热器(I)的前端连接，燃烧器(2)有三个接口，分别是液化石油气入口(10)、风机空气入口(9)以及高压空气的入口(8);所述旋风分离器(3 )安装在蓄热器(I)出口，垂直放置，空气切向进入后向上流动；首先风机空气和液化石油气分别从风机空气入口(9)和液化石油气入口(10)进入燃烧器(2)，在燃烧器(2 )内点燃后预热蓄热器(I)，陶瓷蜂窝体(23 )达到指定温度后，将高压空气通入蓄热器(I)，排出蓄热器(I)后即达到指定温度，当蓄热器(I)内耐火泥浇注料层(24 )掉渣，陶瓷蜂窝体(23)由于开裂以及碰撞而掉渣，渣子随高压空气(8)进入旋风分离器(3)后由于自身重力降落，而高温高压空气则向上流动排出。
2.根据权利要求1所述的防掉渣高温高压纯净空气蓄热式加热系统，其特征在于所述高温高压空气所含渣子的临界粒径范围为5 10微米，高温高压空气温度范围为600 1500K，压力范围为I 3· 5MPa0
3.根据权利要求1所述的防掉渣高温高压纯净空气蓄热式加热系统，其特征在于所述旋风分离器(3)承受压力6MPa，承受温度1500K。
4.根据权利要求1或3所述的防掉渣高温高压纯净空气蓄热式加热系统，其特征在于所述旋风分离器(3)包括分离器入口方管(6)、分离器内筒(11)、分离器导出管(12)、分离器导出管法兰(13)、分离器漏斗上法兰(14)、分离器漏斗下法兰(15)、分离器漏斗堵盖(16)、分离器入口管宽度(17)、分离器内筒直径(18)、分离器出口管深度(19)、分离器直筒长度(20)、分离器锥筒长度(21)、分离器入口管高度(22)、分离器出口管直径(28)、分离器排料口直径(29)、分离器漏斗(30)，分离器入口方管法兰(31)，分离器内筒上法兰(32)，分离器内筒下法兰(33)，分离器堵盖法兰(34);分离器入口方管(6) —端与分离器入口方管法兰(31)焊接在一起，另一端以切向直接焊接在分离器内筒(11)上，分离器内筒(11)上下焊接法兰作为连接件，其中分离器内筒上法兰(32)与分离器导出管法兰(13)连接，分离器内筒下法兰(33)与分离器漏斗上法兰(14)连接，分离器漏斗下法兰(15)与分离器堵盖法兰(34)连接。
5.根据权利要求4所述的防掉渣高温高压纯净空气蓄热式加热系统，其特征在于所述旋风分离器内筒(11)直径范围为20(T300mm，旋风分离器入口管宽度(17)为4(T60mm，旋风分离器入口管高度(22)为8(Tl20mm。
6.根据权利要求4所述的防掉渣高温高压纯净空气蓄热式加热系统，其特征在于所述分离器出口管直径(28)范围8(Tl20mm。
7.根据权利要求4所述的防掉渣高温高压纯净空气蓄热式加热系统，其特征在于所述分离器排料口直径(29)范围为4(T60mm。
8.根据权利要求4所述的防掉渣高温高压纯净空气蓄热式加热系统，其特征在于所述分离器直筒长度(20)范围为40(T500mm。
9.根据权利要求4所述的防掉渣高温高压纯净空气蓄热式加热系统，其特征在于所述分离器锥筒长度(21)范围为40(T500mm。
全文摘要
防掉渣高温高压纯净空气蓄热式加热系统，主要由蓄热器、燃烧器、旋风分离器构成；蓄热器水平放置，其蓄热材料为陶瓷蜂窝体；燃烧器安装在蓄热器前端，尾部与蓄热器的前端连接，其有三个接口，分别是液化石油气、风机空气以及高压空气的入口；旋风分离器安装在蓄热器出口，垂直放置，空气切向进入后向上流动；首先预热蓄热器，陶瓷蜂窝体达到指定温度后，将高压空气通入蓄热器，其排出蓄热器后即达到指定温度，当蓄热器内耐火泥浇注料掉渣，陶瓷蜂窝体由于开裂以及碰撞而掉渣，渣子随高压空气进入旋风分离器后由于自身重力降落，而高压空气则向上流动排出；本发明适用于需要高纯度纯净空气的地面试验系统中，结构简单紧凑，并且热损失小。
文档编号F24H7/02GK103032961SQ20121056084
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者林宇震, 刘伟, 张弛, 王建臣, 贺杰, 徐向阳 申请人:北京航空航天大学