[發明專利]一種螺旋式電熱體空氣加熱裝置

在審

• 申請號: 202011324277.1
• 申請日: 2020-11-23
• 公開（公告）號: CN112413890A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 郭孝國;馬繼魁
• 申請（專利權）人: 中國航天空氣動力技術研究院
• 主分類號: F24H3/04
• 分類號: F24H3/04;F24H9/18;F24H9/20
• 代理公司: 北京思創大成知識產權代理有限公司 11614
• 代理人: 張立君

本發明提出了一種螺旋式電熱體空氣加熱裝置，包括：耐壓容器；接地電極組件，設置在所述耐壓容器的前端，所述接地電極組件的前部具有熱氣流出口端；正電極組件，設置在所述耐壓容器的后部端，設置有氣孔；隔熱筒，設置在所述耐壓容器內，具有多個孔；螺旋電熱體，位于所述隔熱筒內，安裝在所述接地電極組件和正電極組件之間；進氣接頭，設置在所述耐壓容器的中部；氣流從所述進氣接頭進入所述隔熱筒的空間，再從所述正電極組件的氣孔進入所述螺旋電熱體的螺旋通道，最后從所述接地電極組件的熱氣流出口端流出。本發明的即熱空氣加熱器，實現大功率連續式加熱，螺旋通道的氣流流通路徑長，換熱面積大，出口氣流溫度穩定。

技術領域

本發明屬于空氣動力學領域，涉及高速風洞技術。具體而言，涉及一種高速風洞主氣流加熱設備，一種螺旋電熱體空氣加熱裝置。

背景技術

目前用于常規高速風洞的加熱方式，有兩種；蓄熱式和即熱式。

蓄熱式加熱器，在國內外高超風洞設備上廣泛應用；按照預熱方式分類，有燃料預熱和電預熱兩種方式。

采用燃料預熱，可以提供快速，大功率的高溫預熱功率，但是需要排煙道和耐高壓煙道閥等輔助設備，投資大，而且燃料燃燒不充分，容易在蓄熱體上形成積碳，有潛在的氣流污染風險。

電預熱方式比較干凈、工藝成熟，是一種常用的空氣加熱方式。但是，現有的電蓄熱式加熱器，蓄熱體均為單一換熱通道布局，設計的加熱器，換熱通道面積按流量給定，加熱器長度就確定了。受設備場地限制，長徑比難以取得太大，會出現換熱通道過短的問題。氣流在蓄熱體通道內的停留時間短，出口氣流的溫度就會達不到要求；如果單純提高蓄熱體的預熱溫度，會造成加熱器超溫，出現安全問題。

加熱器的實際應用中，避免蓄熱材料受到氣流的沖擊，會在風洞的加熱器出口安裝高溫快速閥，這是很困難的事情。這個閥門必須耐高溫高壓，啟閉速度要快。工業品一般無此類閥門，需要花費很多的資金來設計此類閥門，這給風洞的規劃，帶來很大麻煩。目前的加熱器形式，包括板式加熱器，卵石床加熱器，蜂窩體加熱器等，換熱氣流會混入隔熱層的脫落粉體和電熱元件的氧化皮碎屑，給氣流造成污染。風洞中，也想采取過濾器除塵的方式，消除這些影響。但是，過濾網難以承受高溫高壓氣流的沖擊，一直沒有找到合適的選材和結構設計，來解決這一問題。

近年來，科研項目對于試驗時間達到30分鐘到1小時，溫度900K的加熱器需求增加，而蓄熱式加熱器龐大的體積和較長的預熱時間，投資價值很低。而即熱式加熱器，可以實現長時間加熱，響應速度快，體積小，倍受關注。電阻加熱元件布局均勻，采用高溫合金材料，發熱體工作溫度可達到1100℃，配置隔熱單元的氣流管道可在800℃條件下安全運行，能滿足試驗室純凈空氣的加熱需求；電熱元件的形狀有棒狀，帶狀，管狀。

由于要求較大的電功率，即熱式加熱器，一般實驗室采用難度大，在這方面的研究還很少；風洞試驗設備有一定使用經驗，例如，CARDC的FL-31風洞采用電熱管加熱器，需要8000KW電功率，目前在用；CAAA的FD-03風洞采用二級電阻管加熱器，需要400KW電功率，目前閑置；CAAA的FD-02風洞，研究了三種加熱器形式，并發現諸多問題：(1)對6個并聯的小功率加熱器進行試驗，發現電阻絲加熱器，高溫下的強度不夠，容易燒斷；(2)電阻管加熱器，薄壁管子的散熱面積大，但是絕緣件布局復雜，容易發生故障；(3)電阻帶加熱器，受氣流的沖擊后，容易變形短路，固定困難。由于無法克服上述困難，最終FD-02風洞沒有采用即熱式加熱器形式，使用了燃油預熱的蓄熱式加熱器。其他常規實驗室都不提供大功率的電源設備，限制了這種加熱器的普及應用。

資料顯示，普林斯頓大學在60年代研究即熱式加熱器試驗樣機，采用螺旋式加熱元件，獲得研究成果，是一種解決高溫加熱器無污染，加熱功率大穩定、可靠的方式。俄羅斯在大型風洞設計中，采用螺旋式電阻加熱器形式，采用并聯數個螺旋電阻元件加熱器模式，成功制造了大型加熱設備，但是設計技術沒有公開。