本发明属于加热器隔热层设计领域，具体来说，涉及一种用于高温风洞空心砖蓄热式加热器隔热层的材料选择，热力计算以及结构布局。
背景技术：
采用空心砖蓄热式加热器用于超声速风洞的空气加热，属于高温纯空气加热设备，它能够提供无污染，并且满足物理化学要求的高焓空气。由于空心砖式蓄热式加热器的蓄热阵使用温度高，最高可达到2100k左右，并且预热时间长，为了减少热损失，确保使用安全，隔热层设计至关重要。迄今为止，国外先后研制了30余套蓄热式加热系统，其中比较典型的有美国aedc的9#风洞、nasa格林研究中心的高超声速风洞设备htf、日本防卫厅研究开发局的rjtf、法国空间局的s4风洞等，但目前国内并没有用于超声速风洞的空心砖蓄热式加热器，然而用于空心砖蓄热式加热器的隔热层需要将温度从2100k降到360k左右，温降很大，并且蓄热器有外壳压力容器的限制，要保证在有限的厚度内达到需要的外围温度对于一般的隔热设计非常困难，国内目前并没有应用在超声速风洞的空心砖蓄热式加热器隔热层系统。
罗飞腾，宋文艳等人2013年在期刊实验流体力学发表的文章：高温风洞蓄热式加热器蓄热单元初步设计与分析，其中理论上分析了一种空心砖蓄热式加热器的设计研究，但没有具体讲述蓄热加热器隔热层的设计。
刘峰，林彬等人2011年在期刊兵工学报发表的文章：高速飞行器复合材料隔热层参数化设计，针对某高速航天飞行器的实际工况，首先设计出新型的整流罩复合材料隔热层形式，并在此基础上开展基于遗传算法和有限元参数化分析的优化设计，最终得到满足安全要求并具有最佳厚度的隔热层结构尺寸。
马秀峰，李志勇等人2015年在期刊推进技术发表的文章：冲压发动机用梯度隔热层隔热性能研究，为了解决冲压发动机被动热防护结构在长时间、狭小空间、大温度梯度下的隔热问题，提出了多层组合梯度隔热方案。对发动机隔热层工作时的受热情况进行初步分析。
隔热层的设计在需要保温的装置中比较常见，但对于特定的结构，隔热层的设计有不同的要求，针对超音速燃烧蓄热加热器的要求，隔热层需要将接近2000k的温度降到360k左右，一般的材料以及结构无法满足要求，而且也要充分考虑材料成本，蓄热式加热器隔热层包裹在蓄热阵外面，还需要满足加热器支撑，密封的要求。
技术实现要素：
为了避免现有的隔热层设计中存在的不足，考虑隔热层设计中材料以级结构的耐温性能、隔热性能、耐压性能、砖块尺寸设计、热膨胀间隙设计、砖块之间的相嵌稳定，以及气流的密封隔绝等问题，本发明提出一种蓄热式加热器隔热层设计方法，解决了空心砖蓄热式加热器高温与外界隔离，确定了加热器需要的隔热材料层配置与各层厚度，确保加热器外壳压力容器处于安全工作环境。
加热器内蓄热阵最高温度2000k，底端温度不超过1100k，根据温度分布和结构特点，将隔热层分为三个部分：拱顶、筒体和锥底。
(1)拱顶部分
拱顶部位温度高、受支撑力较小，而且需考虑到后期更换方便。加热器顶部隔热层采用耐火纤维涂抹料和耐火砖混合结构，内层耐火砖的设计可参考在煤化工领域大型气化炉装置拱顶结构和钨钼冶炼炉拱顶结构的设计方案，通过各砖型的合理设计，使得砖与砖之间相互咬合、受力均匀，保证加热器拱顶部位结构的稳定。采用的方案为：最内层采用氧化锆重质制品，中间层采用氧化锆空心球制品和氧化铝空心球制品，最外层采用硅酸铝纤维涂抹料。氧化锆重质制品和空心球砖通过设计合适的形状，可以相互支撑，不需要外加固定。纤维涂抹料经涂抹施工后，与炉壳上的锚固件紧紧结合形成一体。当炉体内部维修时，仅需吊装开金属与纤维构成的炉壳，手工拆卸掉氧化锆重质制品和氧化锆和氧化铝空心砖即可；维修完毕后，反向操作可实现封炉。
(2)筒体部分
整个筒体部位分为5层结构，6种材质，筒体结构由内到外分别是耐冲刷高温热衬，所用材料为氧化锆重质砖(底部为刚玉砖)、高温内环隔热层，所用材料为氧化锆空心球砖、中环隔热层，所用材料为氧化铝空心球砖、外环隔热层，所用材料为复合高温纤维绝热制品，超级绝热层，所用材料为纳米绝热板。考虑到蓄热阵最高温度达2000k，加热器中上部和上部区域向火面耐火材料以环境温度2100k计算设计；考虑到氧化锆制品成本高的因素，在筒体内壁底部用刚玉砖代替氧化锆重质砖，而在筒体次内层低温段则全部采用氧化铝空心球砖。
通过砖体上设计子母扣来控制错位，通过砖体上设计测温元件的安装圆孔以便测温元件的安装，通过预留膨胀缝来避免工作过程中的热应力破坏。
(3)锥底部分
炉体底座要求承受隔热层、蓄热阵砖块的自重，并能够实现均匀分配底部通入的气流，采用高强度铝硅系耐火浇注料，该材料具有强度高、易施工等优点，而且完全可以满足该区域对温度的要求。
具体来讲，每层隔热层厚度的确定是在一定的假设下(加热器外壳温度与隔热层为同一温度，隔热层，蓄热加热器，外壳之间没有引入附加热阻)，通过热力计算得到的。根据经典传热理论，以及热平衡，求解5组方程，由于存在较多的待定参数，所以首先设定内层厚度，然后利用单层厚度的优化设计方法对各物性参数进行计算，以内层外表面温度不大于外层保温材料允许使用温度作为边界条件，反复迭代，重新设计内层厚度和总厚度，最终获得每层隔热层厚度。
压力容器设计属于隔热层设计的一部分，主要考虑强度与刚度的要求，以及蓄热阵燃气泄漏条件下的瞬间抗热能力。结构为底部浇注承力，外壳为钢制结构材料。压力容器设置为双层，夹层之间设置冷空气通道。材料选择为内层为碳钢，外层为不锈钢或喷涂不锈涂层。压力容器罐体总高6000mm，设备外径1600mm。连接结构方面，拱顶和筒体采用法兰连接，筒体和底锥之间采用焊接结构，罐体底部为具有较强承压能力的圆弧面。为了隔离隔热层产生的固体颗粒、尘埃等，在底部低温区蓄热阵外圈增加不锈钢薄板。
有益效果
本发明设计了一种蓄热式加热器隔热层，主要由外壳压力容器和内部隔热结构组成，内部隔热结构使压力容器工作环境温度合理，压力容器满足了试验压力在10-13mpa的要求，总压损失保持在5000pa以下，将蓄热器以及内部结构固定起来，内部隔热层将温度从2100k降到361k，保证了隔热层气流的密封隔绝，罐体底部圆弧面结构有效支撑了整个蓄热式加热器，蓄热阵外圈的不锈钢薄板隔离了隔热层产生的颗粒物以及尘埃，隔热层每层结构选择不同材料，将温降控制在合理的范围，特有的子母扣砖体结构使隔热层结构更紧凑，密封性更好。组装维护方便，选择易于获取，价格便宜的材料，保证隔热性能的同时尽可能的节约了成本。
附图说明
参阅附图：
附图1为加热器隔热层纵截面视图，附图2以及附图3为隔热层纵截面局部视图e和l，结构分别为1-氧化锆重质制品，2-氧化锆空心球砖，3-氧化铝空心球制品，4-硅酸铝纤维涂抹料，5-复合高温纤维绝热制品，6-纳米绝热板，7-碳钢，8-刚玉制品，9-氧化铝制空心球砖，10-莫来石质空心砖，11-高强度耐火浇注料，还有一些用于粘连的耐火泥浆。
附图4和附图5分别为加热器隔热层剖面d-d以及剖面c-c，附图6为加热器隔热层的径向截面视图，从内到外属于隔热层结构依次为5-压力容器外壳，4-外环隔热层，3-内环隔热层，2-高温热衬。1为中心蓄热阵。
附图7为隔热层筒体带测温元件安装孔的砖型结构。
具体实施方式
本实施例是一种用于超音速燃烧的蓄热加热器隔热层结构布局以及各层厚度计算。蓄热式加热器隔热层整个结构可参考附图1，隔热层分为三个部分，分别是拱顶部分，筒体部分以及锥底部分。
拱顶结构参考煤化工领域大型气化炉装置，采用的方案为：最内层采用1-氧化锆重质制品，中间层采用2-氧化锆空心球制品和3-氧化铝空心球制品，最外层采用4-硅酸铝纤维涂抹料。氧化锆重质制品和空心球砖通过设计合适的形状，可以相互支撑，不需要外加固定。纤维涂抹料经涂抹施工后，与炉壳上的锚固件紧紧结合形成一体。
隔热层筒体部分为5层结构，6种材质，筒体部分属于高温段，结构详见附图6，由内到外分别是1-氧化锆重质砖(底部为刚玉砖，厚度为50mm，最高温度2045k)，2-氧化锆空心球砖(厚度100mm，最高温度1784k)，3-氧化铝空心球砖(厚度200mm，最高温度1496k)，5-复合高温纤维绝热制品(厚度200mm，最高温度515k)，6-纳米绝热板(厚度10mm，最高温度361k)。具体结构布置及估算见下表。
隔热层筒体部分具体结构布置及估算
筒体砖体上设计子母扣来控制错位，设计测温元件的安装圆孔以便测温元件的安装，预留膨胀缝来避免工作过程中的热应力破坏。砖体示意图如附图4所示。
锥底部分为高强度耐火浇注料，优点是强度高，能够承受蓄热阵和隔热层的自重，并且能够满足蓄热器底部温度要求，易于施工。
隔热层厚度的计算方法首先根据经典导热理论，以及热平衡，采用一维导热计算方法求解5组方程，由于存在较多的待定参数，所以首先设定内层厚度，然后利用单层厚度的优化设计方法对各物性参数进行计算，以内层外表面温度不大于外层保温材料允许使用温度作为边界条件，反复迭代，重新设计内层厚度和总厚度，最终获得每层隔热层厚度。具体计算公式如下：
蓄热体外表面到内层隔热层的传热：
内层隔热层外表面到外层隔热层的传热：
外壳与周围空气的大空间自然对流换热：
q3＝hπd3(t3-ta)
根据热平衡有
q1＝q2＝q3
其中qi为热流量；λ1和λ2为内层和外层隔热材料的热传导系数；t1为蓄热体外表面温度；t2为内层隔热层的外表面温度，t3为外层隔热层的外表面温度，假设等于外壳表面温度400k；ta为周围环境温度并假定为288k；d1、d2、d3分别为蓄热体、内层隔热层和外层隔热层的外径；h为外壳与周围空气的自然对流换热系数。
由δi＝(di+1-di)/2可得到每个隔热层厚度δ。求解双层隔热厚度时，存在较多的待定参数，一般采用固定内层厚度的方法进行设计。即首先设定内层厚度，然后利用单层厚度的优化设计方法对各物性参数进行计算，以内层外表面温度不大于外层保温材料允许使用温度作为边界条件，反复迭代，重新设计内层厚度和总厚度。