一种螺旋形大流量超高温空气电加热器

1.本技术涉及空气加热技术领域，特别是涉及一种可以提供高超声速飞行器地面验证试验所需大流量超高温来流空气的螺旋形电加热器。


背景技术：

2.高超声速飞行器在高马赫数飞行时，高超声速气流在进气道内经过多道激波会逐渐减速到亚声速状态，气体动能转化为热力学能导致其减速后为超高温气体，例如马赫6飞行速度下，气流总温可高达1650k。为了在地面状态验证飞行器各部件的热力学性能，需要建造空气加热装置提供大流量超高温空气以模拟飞行器高超声速飞行时的高温气流。
3.目前为止，最实际和常用的连续式超高温空气加热方式主要有电弧加热、燃烧加热、蓄热加热、电阻加热等。以电弧加热为例，电弧加热存在nox、电极污染和流动不均匀性等问题。
4.因此，亟需研制出一种能够满足高超声速飞行器地面验证试验高温进气需求，且加热后空气纯净的电加热器。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于克服上述问题或者至少部分地解决或缓减解决上述问题。
6.本技术提供了一种螺旋形大流量超高温空气电加热器，包括：
7.上封头、圆筒及下封头，由上至下通过法兰顺序连接，共同形成电加热器的外壳；
8.冷却气进气管道和冷却气出气管道，相对设置在所述上封头处并与其内部连通；
9.进气管道和出气管道，设置在下封头处并作为空气进气通道和出气通道，所述进气管道及所述出气管道内布置有对应的保温层，以减少热损失；
10.螺旋通道，是由耐高温材料浇注而形成空气流道，布置在所述圆筒内，所述螺旋通道与所述圆筒之间设有保温层；
11.多根硅钼棒，按顺序串联排列在所述螺旋通道内，用于加热；
12.多个陶瓷棒，并排嵌在所述螺旋通道内并处于每根硅钼棒的下游位置处，用于加强所述螺旋通道整体结构强度以及阻挡高温下硅钼棒变形；
13.通道底座，形成在所述下封头的内壁处，由耐高温材料浇注而成，用于支撑所述螺旋通道，所述通道底座中与所述进气管道和所述出气管道对应的位置设有通气孔，以将所述进气管道和所述出气管道与所述螺旋通道连通；和
14.通道盖板，由耐高温材料浇注料浇注而成，安装在所述圆筒的顶部位置处，用于所述螺旋通道的气体密封，还用作所述多个硅钼棒的承力结构。
15.可选地，所述进气管道配置为低温空气进入所述电加热器的接口，所述出气管道配置为是加热空气流出所述电加热器的接口，所述进气管道、所述螺旋通道及所述出气管道配置成：低温空气从所述进气管道流入所述通道底座及所述螺旋通道，向上流遇到所述通道盖板后，拐弯沿所述螺旋通道的螺旋线方向向内流动，空气与通电发热的高温硅钼棒
对流换热，同时也与受硅钼棒辐射加热的高温通道壁对流换热温度升高，最终在所述螺旋通道末端汇聚向下，经过所述通道底座从所述出气管道流出加热器。
16.可选地，所述冷却气进气管道与所述冷却气出气管道是另外的稍高于加热空气压力的冷空气进、出所述电加热器的接口，用于所述通道盖板与所述上封头组成空间内硅钼棒热端及电气连接件的冷却。
17.可选地，所述进气管道内布置的保温层为进气管道保温毡及进气管道耐火水泥层，进气管道保温毡及进气管道耐火水泥层沿所述进气通道的内壁至通道方向顺序布置。
18.可选地，所述出气管道内布置的保温层为出气管道保温毡、出气管道耐火水泥层和隔热涂料层，出气管道保温毡、出气管道耐火水泥层和隔热涂料层沿所述出气管道的内壁至通道方向顺序布置。
19.可选地，所述述螺旋通道、所述通道底座及所述通道盖板均由刚玉材料浇注而成。
20.可选地，所述通道底座与所述下封头之间垫有下封头保温毡。
21.可选地，所述通道盖板与所述圆筒之间垫有圆筒保温毡。
22.可选地，所述通道盖板中对应于每根硅钼棒的位置处设有阶梯孔，所述螺旋形大流量超高温空气电加热器还包括塞砖，每一塞砖的形状与对应的阶梯孔的形状相匹配，每一塞砖嵌在所述通道盖板的对应的阶梯孔内，用于对应的硅钼棒卡具安装，以便于更换对应的硅钼棒。
23.可选地，每一法兰连接处设有对应的密封垫。
24.可选地，所述螺旋通道与所述圆筒之间设有保温层为纤维毯和保温毡，所述纤维毯和所述保温毡包裹在所述螺旋通道与所述圆筒之间。
25.可选地，每根硅钼棒为u型硅钼棒。
26.本技术的螺旋形大流量超高温空气电加热器，为达到至少1650k的空气温度，选用硅钼棒作为电阻发热元件，硅钼棒元件最高可在1800℃棒温下长期工作不变形不断裂，是一种良好的适用于高温气氛的加热元件。数十根硅钼棒在螺旋通道内串联在一起组成连续式加热装置，空气与通电发热的高温硅钼棒对流换热，同时也与受硅钼棒辐射加热的高温通道壁对流换热温度升高，故本技术是一种将电能以高热效率转换为空气显热的一种加热器。本技术具有结构简单、空间利用率高、通道热变形小、加热后空气纯净、加热温度高的特点，能够满足高超声速飞行器地面验证试验高温进气需求。
27.根据下文结合附图对本技术的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本技术的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
28.后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本技术的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
29.图1是根据本技术一个实施例的螺旋形大流量超高温空气电加热器的示意性主剖视图；
30.图2是沿图1中的剖切线a
‑
a截取的示意性剖视图；
31.图3是沿图1中的剖切线b
‑
b截取的示意性剖视图。
32.图中各符号表示含义如下：
[0033]1‑
上封头；2
‑
冷却气出气管道；3
‑
圆筒保温毡；4
‑
通道盖板；5
‑
圆筒；6
‑
保温毡；7
‑
纤维毯；8
‑
螺旋通道；9
‑
硅钼棒；10
‑
进气管道；11
‑
进气管道保温毡；12
‑
进气管道耐火水泥层；13
‑
出气管道；14
‑
出气管道保温毡；15
‑
出气管道耐火水泥层；16
‑
隔热涂料层；17
‑
冷却气进气管道；18
‑
第一法兰；19
‑
第一密封垫；20
‑
塞砖；21
‑
陶瓷棒；22
‑
第二法兰；23
‑
第二密封垫；24
‑
下封头；25
‑
下封头保温毡；26
‑
通道底座。
具体实施方式
[0034]
图1是根据本技术一个实施例的螺旋形大流量超高温空气电加热器的示意性主剖视图。图2是沿图1中的剖切线a
‑
a截取的示意性剖视图。图3是沿图1中的剖切线b
‑
b截取的示意性剖视图。如图1所示，还可参见图2
‑
图3。本实施例提供了一种螺旋形大流量超高温空气电加热器，一般性可以包括：上封头1、圆筒5、第一法兰18、第二法兰22、下封头24、冷却气进气管道17、冷却气出气管道2、进气管道10、出气管道13、螺旋通道8、多根硅钼棒9、多个陶瓷棒21、通道底座26和通道盖板4。其中，上封头1、圆筒5及下封头24由上至下通过法兰顺序连接，共同形成电加热器的外壳。更具体地，每一法兰连接处设有对应的密封垫。第一法兰18的连接处设有第一密封垫19。第二法兰22的连接处设有第二密封垫23。冷却气进气管道17和冷却气出气管道2相对设置在所述上封头1处并与上封头1的内部连通。进气管道10和出气管道13设置在下封头24处并作为空气进气通道和出气通道。所述进气管道10及所述出气管道13内布置有对应的保温层，以减少热损失。更具体地，所述进气管道10内布置的保温层为进气管道保温毡11及进气管道耐火水泥层12，进气管道保温毡11及进气管道耐火水泥层12沿所述进气通道的内壁至通道方向顺序布置。更具体地，所述出气管道13内布置的保温层为出气管道保温毡14、出气管道耐火水泥层15和隔热涂料层16，出气管道保温毡14、出气管道耐火水泥层15和隔热涂料层16沿所述出气管道13的内壁至通道方向顺序布置。螺旋通道8是由耐高温材料浇注利用泡沫模具分层浇注而形成空气流道，布置在所述圆筒5内，所述螺旋通道8与所述圆筒5之间设有保温层。更具体地，所述螺旋通道8与所述圆筒5之间设有保温层为纤维毯7和保温毡6，所述纤维毯7和所述保温毡6包裹在所述螺旋通道8与所述圆筒5之间。更具体地，所述螺旋通道8、所述通道底座26及所述通道盖板4均由刚玉材料浇注而成。多根硅钼棒9按顺序串联排列在所述螺旋通道8内，用于加热。更具体地，每根硅钼棒9为u型硅钼棒。优选地，多根硅钼棒9可以等间距地排列在螺旋通道8内。多个陶瓷棒21并排嵌在所述螺旋通道8内并处于每根硅钼棒9的下游位置处，用于加强所述螺旋通道8整体结构强度以及阻挡高温下硅钼棒9变形。通道底座26形成在所述下封头24的内壁处，由耐高温材料浇注而成，用于支撑所述螺旋通道8，所述通道底座26中与所述进气管道10和所述出气管道13对应的位置设有通气孔，以将所述进气管道10和所述出气管道13与所述螺旋通道8连通。更具体地，所述通道底座26与所述下封头24之间垫有下封头保温毡25。通道盖板4由耐高温材料浇注料浇注而成，安装在所述圆筒5的顶部位置处，用于所述螺旋通道8的气体密封，还用作所述多个硅钼棒9的承力结构。更具体地，所述通道盖板4与所述圆筒5之间垫有圆筒保温毡3。进一步地，所述通道盖板4中对应于每根硅钼棒9的位置处设有阶梯孔，所述螺旋形大流量超高温空气电加热器还包括塞砖20，每一塞砖20的形状与对应的阶梯孔的形状相匹配，每一塞砖20嵌在所述通道盖板4的对应的阶梯孔内，用于对应的硅钼棒卡具
安装，以便于更换对应的硅钼棒9。
[0035]
本实施例中，如图1所示，还可参见图2
‑
图3，所述进气管道10配置为低温空气进入所述电加热器的接口，所述出气管道13配置为是加热空气流出所述电加热器的接口。所述进气管道10、所述螺旋通道8及所述出气管道13配置成：低温空气从所述进气管道10流入所述通道底座26及所述螺旋通道8，向上流遇到所述通道盖板4后，拐弯沿所述螺旋通道8的螺旋线方向向内流动，空气与通电发热的高温硅钼棒9对流换热，同时也与受硅钼棒9辐射加热的高温通道壁对流换热温度升高，最终在所述螺旋通道8末端汇聚向下，经过所述通道底座26从所述出气管道13流出加热器。本实施例中，空气沿螺旋通道8由外向内流动，内侧温度高、外侧温度低，有利于螺旋通道8的保温设计。
[0036]
本实施例中，如图1所示，还可参见图2
‑
图3，所述冷却气进气管道17与所述冷却气出气管道2是另外的稍高于加热空气压力的冷空气进、出所述电加热器的接口，用于所述通道盖板4与所述上封头1组成空间内硅钼棒9热端及电气连接件的冷却。
[0037]
本技术的螺旋形大流量超高温空气电加热器，为达到至少1650k的空气温度，选用硅钼棒9作为电阻发热元件，硅钼棒9元件最高可在1800℃棒温下长期工作不变形不断裂，是一种良好的适用于高温气氛的加热元件。数十根硅钼棒9在螺旋通道8内串联在一起组成连续式加热装置，空气与通电发热的高温硅钼棒9对流换热，同时也与受硅钼棒9辐射加热的高温通道壁对流换热温度升高，最终可升温至1400℃左右。故本技术是一种将电能以高热效率转换为空气显热的一种加热器。本技术具有结构简单、空间利用率高、通道热变形小、加热后空气纯净、加热温度高的特点，能够满足高超声速飞行器地面验证试验高温进气需求。
[0038]
具体实施时，如图1所示，还可参见图2
‑
3，电加热器的外部壳体由上封头1、圆筒5、下封头24、大法兰18、大法兰22、冷却气进气管道17、冷却气出气管道2、进气管道10、出气管道13组成。
[0039]
下封头24表层垫有5mm厚保温毡25，然后在其上用刚玉浇注料浇注出通道底座26，起到支撑螺旋通道8的作用。进气管道10和出气管道13分别与下封头24焊接形成空气进出气通道。进气管道10内表面垫有10mm厚进气管道保温毡11，然后再浇注形成进气管道耐火水泥层12，起到保温作用。出气管道13内表面垫有10mm厚出气管道保温毡14，再浇注形成出气管道耐火水泥层15，然后涂刷形成耐高温的隔热涂料层16，起到保温作用。
[0040]
螺旋通道8由刚玉浇注料利用泡沫模具分层浇注而成，浇注过程中在每根硅钼棒9位置下游放置并排陶瓷棒21，脱模后，陶瓷棒21的两端紧紧嵌在螺旋通道8内，用于加强螺旋通道8整体结构强度并阻挡高温下硅钼棒9变形。40根相同尺寸u型硅钼棒9串联等间距排列在螺旋通道8内，硅钼棒9过渡段上沿与螺旋通道8上沿平齐。螺旋通道8与圆筒5之间紧密塞有纤维毯7和10mm厚保温毡6，起到保温作用。
[0041]
通道盖板4由刚玉浇注料浇注而成，作为40根硅钼棒9的承力结构，通道盖板4与圆筒5之间垫有5mm厚圆筒保温毡3，通道盖板4与螺旋通道8之间以及螺旋通道8与通道底座26之间接触线用耐火水泥层涂抹密封。通道盖板4浇注时在其上预制出40个阶梯孔，阶梯状塞砖20嵌在阶梯孔内用于硅钼棒卡具与硅钼棒9的固定，塞砖20做成阶梯形便于硅钼棒9更换。
[0042]
由于硅钼棒9电热元件在低温下电阻率很小，在高温下电阻率较大，所以本发明提
供加热器处于高温工作状态时经济性更好。
[0043]
实施例1
[0044]
质量流量0.15kg/s、压力0.5mpa、温度20℃的大流量高压洁净空气，自冷却气进气管道17进入加热器上部空间冷却硅钼棒9热端及电气连接件，然后自冷却气出气管道2流出，在初级加热系统中加热升温至650℃，然后自点加热器的进气管道10流入通道底座26及螺旋通道8，向上流遇到通道盖板4后拐弯沿螺旋通道8的螺旋线方向向内流动，空气与通电发热的高温硅钼棒9对流换热，同时也与受硅钼棒9辐射加热的高温螺旋通道壁对流换热，最终温度升高至1400℃，在螺旋通道8末端汇聚向下经过通道底座26从出气管道13流出电加热器，空气总压力损失不超过5kpa。螺旋通道8最外侧壁温最高不超过900℃，经纤维毯7和10mm厚保温毡6的隔热保温作用后，圆筒5外壁温度不超过100℃。
[0045]
需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域技术人员所理解的通常意义。
[0046]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
[0047]
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0048]
在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0049]
在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0050]
以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。