一种空心砖蓄热加热的试验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种空心砖蓄热加热的试验系统，工作分为四个阶段。燃气预热阶段：甲烷(或天然气)和空气燃烧器产生的高温燃气自上而下流过蓄热阵以相对较低的速率将热量储存蓄热阵，并满足预定的初始温度分布要求，然后通过空气出口排出；增压阶段：燃烧器停止工作，出口高温阀关闭，高压空气进口阀打开，通过气源向加热器内充入试验高压空气，以可控的速率向加热器缓慢增压至所需的滞止压力条件；试验运行阶段：空气自下而上流经加热器蓄热体，使气流与蓄热体发生对流换热而得到升温，气流以接近于蓄热体出口端温度的水平流出加热器。结束阶段：试验完成后，首先关闭主空气气路，进行相应的吹除，关闭高温快速阀门，进入下次试验准备阶段或自然冷却结束实验。

A test system for regenerative heating of hollow bricks

The invention discloses a hollow brick regenerative heating test system, which is divided into four stages. Gas preheating stage: high temperature gas generated by methane (or natural gas) and air burner flows from top to bottom through the regenerative array to store heat at a relatively low rate, and meets the predetermined initial temperature distribution requirements, and then discharges through the air outlet; boosting stage: the burner stops working and the outlet high temperature valve closes. The high-pressure air inlet valve opens and fills the heater with test high-pressure air through the gas source, which slowly pressurizes the heater to the required stagnation pressure condition at a controllable rate. During the test operation stage, the air flows from bottom to top through the heater regenerator, so that the convective heat transfer between the air flow and the regenerator occurs and the air flow is heated up, so that the air flow is close to the regenerator. The heater is discharged at the outlet temperature of the heat storage body. End stage: After the test is completed, the main air passage is first closed, the corresponding blow-out is carried out, the high temperature fast valve is closed, and the next test preparation stage or the natural cooling end experiment is entered.

【技术实现步骤摘要】
一种空心砖蓄热加热的试验系统
本专利技术涉及超燃冲压发动机地面实验
，具体的说，涉及蓄热式加热器、预热燃烧器、配气与管路系统、超高温快速阀、冷却水系统以及测控系统。
技术介绍
到目前为止，最实际和常用的连续式能量添加方式主要有电弧加热、燃烧加热、电阻加热、蓄热式加热等。其中电弧加热和燃烧加热方式会产生污染，使得试验工质的物理特性不完全等同于空气。电阻加热和蓄热式加热方式产生的是纯净的试验空气，但受常规电阻加热元件的限制，电阻加热方式难以突破飞行马赫数5.0以上的模拟能力。目前，蓄热式加热器是目前获取马赫数6以上高温纯净试验空气的最佳解决方案，最高可以模拟至马赫数8。现有的公开技术文献中，美国的ASE公司完成了一套基于可再生式蓄热加热器的全尺寸高温纯空气风洞设计方案，采用的两个蓄热加热器分别为常规氧化铝蓄热式加热器和氧化锆蓄热式加热器，可以供应滞止温度范围覆盖马赫数2～8范围的大流量纯净试验空气，试验持续时间至少120s。日本宇航院的吸气式冲压发动机试验设备采用氧化铝空心砖型蓄热式加热器来产生高温纯净试验空气，具备马赫数4、6、8三个模拟状态的试验能力。法国空间局S4高超声速下吹式风洞采用氧化铝卵石床蓄热式加热器，可提供总温达1850K的大质量流量纯净空气。国内只有航天701研究所现有一套基于氧化铝卵石床蓄热式加热器的试验系统，但其模拟温度不超过1000K，而且粉尘颗粒污染严重。目前国内还没有用于高超声速风洞的空心砖蓄热加热的试验系统。
技术实现思路
本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：包括蓄热式加热器、预热燃烧器、配气与管路系统、超高温快速阀、冷却水系统及测控系统。蓄热式加热器中心蓄热体采用高纯度氧化铝空心砖和氧化锆空心砖。隔热层总共布置三层，热衬采用氧化锆空心球砖或氧化铝空心球砖，厚度为150mm，内环隔热层采用莫来石轻质砖，外环隔热层采用HA耐火纤维叠块，在外环隔热层和压力容器之间，布置一薄层石棉板，以缓冲材料热胀冷缩的应力。隔热层按照最高温度2200K设计，该种布置可把外环隔热层表面温度控制在380K以内。压力容器罐体总高约为7000mm，设备外径约为罐体底部为具有较强承压能力的圆弧面结构，安装浇注料及高温耐热钢底座，中部为一个圆柱形罐体，安装蓄热体、隔热层；上部一个锥角为60°的倒扣圆锥罐体，隔热层包围着一个锥形空腔，可为天然气燃烧和高温高压空气蓄积提供足够空间。中部柱体与顶部倒扣圆锥罐体之间采用法兰连接，以方便蓄热阵及隔热层的安装。预热燃烧器采用与加热器一体化设计方案。助燃空气进气口焊接在加热器顶部法兰面上，通过法兰与管道连接；天然气管路穿过助燃空气进气口喷射入加热器。天然气在加热器上部罐体中完成燃烧，利用加热器中较厚的隔热层布置，可有效防止高温燃气对罐体壁面的加热。天然气进口通径为空气由天然气进气管周围进入，进口通径为该管路考虑了后续总温提升状态下预热燃气流量需增大的情况。在助燃空气进口处设计一组旋风叶片，使得助燃空气喷注进入加热器后产生强烈的旋转，经下方点火器点燃后，火焰将向四周(径向)分布呈圆盘形状，并且紧贴隔热层的内表面。这样的设计即可以加强天然气和助燃空气的混合，进而减小火焰长度，也将使得燃气温度分布更加均匀，从而有利于蓄热体中心和外围的一致加热。在点火器下游不远位置处，设置一个火检仪，用于检查天然气是否点燃、燃烧是否停止，保障设备能够安全运行。本专利技术中高压空气气源经过减压后以一定的速率、压力向蓄热加热器容器内增压，待压力稳定后即准备进入试验状态。助燃空气采用鼓风机直接从大气获得，其中助燃空气需经由空气滤清器清洁后进入加热器。天然气供应系统气源采用工业气瓶，通过手动减压阀控制音速喷嘴的压力，保证甲烷以稳定的流量供应。氮气供应系统的作用主要有：(1)作为天然气路的吹除气体：氮气吹除目的是对试验后的天然气管路进行吹除；(2)作为气动阀门的指令气。氮气供应系统由高压工业氮气瓶提供气源。选用8个12MPa、40L的工业氮气瓶组成一个汇流排，经过减压阀减压后，分多路供应到相应的气动阀和天然气供应路中。其中指令气是通过几路小流量氮气，控制工作高压空气、低压空气和天然气系统的大流量气动减压器，实现供气系统的压力调节。由于尾气的温度很高、动能较大，直接排放比较危险，所以需要设计降温降噪环节。本方案采用将尾气接入烟道中喷水冷却的方法进行处理。尾气温度控制在在200℃以内，成分主要为水蒸汽和二氧化碳。此外，在燃烧装置和试验段的上空布置喷淋水系统，作为消防和紧急情况下使用，主要包括不锈钢钢管、控制阀门、喷嘴等。为了节省费用，蓄热式加热器底部废弃的排气系统的排气系统采用钢管连接，置入烟囱底部，烟囱采用砖混结构，考虑到以后试验台的扩展能力和消音设备的安装，烟囱为方型结构。而蓄热式加热器底部的废气采用直接导引式的管道，冷却水由排气筒内喷入，废气被排气筒中的冷却水降温后从排气风筒排出试验间外。本专利技术中的高温高压空气排放通过双膜片系统实现，该系统由双膜结构和两个气路组成。双膜腔不加隔热层，通径为两个气路一是膜片保护气路，二是双膜腔充气放气气路。系统中用到的高温开关阀有三处，分别是纯净空气入口、蓄热加热器底部燃气出口和高温纯净空气出口，其中高温纯净空气出口称为超高温快速阀。本专利技术中高压空气经过蓄热阵后进入试验段的超高温快速阀采用直角截止阀，其结构合理，采用启动装置，启闭件为圆柱形阀芯，可以在1秒时间内实现快速开启和关闭，动作灵敏。高压水供应系统主要作用是提供一定流量和压力的工业软化水，主要用途包括：(1)用于试验部件的冷却；(2)试验台水喷淋消防；(3)废气喷淋降温。将自来水经过软化器软化后，存贮在水贮箱中，经过增压泵增压后，供入相应的部位。其中，冷却用的部分包括：高温阀、废气排出管路、高温阀出口后的总温总压测量装置、预热燃烧器等。系统中对关键位置的水流量，如高温阀的冷却水，安装流量计进行流量的调节和测量，保证供应给试验系统的水流量满足要求。本专利技术中控制系统由两部分组成：预热燃烧器控制系统和加热器运行控制系统。根据控制系统基本设计要求和功能要求，安全性、可靠开行设计原则，采用工控计算机(IPC)、可编程控制器(PLC)构成硬件平台，其中可编程控制器(PLC)完成试验程序控制功能和试验储箱压力调节控制功能，工控计算机(IPC)完成试验工艺状态和试验工艺参数的实时显示，两者之间采用以太网进行数据通讯。对于本加热器系统，需要测量的温度、压力主要有以下几个：(1)高温阀后的高焓空气的总温总压；(2)蓄热器不同轴向位置、不同深度的静温、静压测量；(3)供应系统中的温度、压力测量；(4)流量测量。有益效果本专利技术的试验系统工作分为四个阶段，分别如下(1)燃气预热阶段：甲烷(或天然气)和空气燃烧器产生的高温燃气自上而下流过蓄热阵，以相对较低的速率将热量储存蓄热阵，并满足预定的初始温度分布要求，然后通过空气出口排出，该过程所需的时间较长，约4个小时以上。(2)增压阶段：燃烧器停止工作，出口高温阀关闭，高压空气进口阀打开，通过气源向加热器内充入试验高压空气，以可控的速率向加热器缓慢增压至所需的滞止压力条件。(3)试验运行阶段：空气自下而上流经加热器蓄热体，使气流与蓄热体发生对流换热而得到升温，气流以接近于蓄热体出口端温本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空心砖蓄热加热的试验系统，包括蓄热式加热器、预热燃烧器、配气与管路系统、超高温快速阀、冷却水系统及测控系统。蓄热式加热器中心蓄热体采用高纯度氧化铝空心砖和氧化锆空心砖。隔热层总共布置三层，热衬采用氧化锆空心球砖或氧化铝空心球砖，内环隔热层采用莫来石轻质砖，外环隔热层采用HA耐火纤维叠块，在外环隔热层和压力容器之间，布置一薄层石棉板，以缓冲材料热胀冷缩的应力。隔热层按照最高温度2200K设计，该种布置可把外环隔热层表面温度控制在380K以内。压力容器罐体总高约为7000mm，设备外径约为

【技术特征摘要】
1.一种空心砖蓄热加热的试验系统，包括蓄热式加热器、预热燃烧器、配气与管路系统、超高温快速阀、冷却水系统及测控系统。蓄热式加热器中心蓄热体采用高纯度氧化铝空心砖和氧化锆空心砖。隔热层总共布置三层，热衬采用氧化锆空心球砖或氧化铝空心球砖，内环隔热层采用莫来石轻质砖，外环隔热层采用HA耐火纤维叠块，在外环隔热层和压力容器之间，布置一薄层石棉板，以缓冲材料热胀冷缩的应力。隔热层按照最高温度2200K设计，该种布置可把外环隔热层表面温度控制在380K以内。压力容器罐体总高约为7000mm，设备外径约为罐体底部为具有较强承压能力的圆弧面结构，安装浇注料及高温耐热钢底座，中部为一个圆柱形罐体，安装蓄热体、隔热层；上部一个锥角为60°的倒扣圆锥罐体，隔热层包围着一个锥形空腔，可为天然气燃烧和高温高压空气蓄积提供足够空间。中部柱体与顶部倒扣圆锥罐体之间采用法兰连接，以方便蓄热阵及隔热层的安装。2.预热燃烧器采用与加热器一体化设计方案。助燃空气进气口焊接在加热器顶部法兰面上，通过法兰与管道连接；天然气管路穿过助燃空气进气口喷射入加热器。天然气在加热器上部罐体中完成燃烧，利用加热器中较厚的隔热层布置，可有效防止高温燃气对罐体壁面的加热。天然气进口通径为空气由天然气进气管周围进入，进口通径为该管路考虑了后续总温提升状态下预热燃气流量需增大的情况。在助燃空气进口处设计一组旋风叶片，使得助燃空气喷注进入加热器后产生强烈的旋转，经下方点火器点燃后，火焰将向四周(径向)分布呈圆盘形状，并且紧贴隔热层的内表面。这样的设计即可以加强天然气和助燃空气的混合，进而减小火焰长度，也将使得燃气温度分布更加均匀，从而有利于蓄热体中心和外围的一致加热。在点火器下游不远位置处，设置一个火检仪，用于检查天然气是否点燃、燃烧是否停止，保障设备能够安全运行。3.高压空气气源经过减压后以一定的速率、压力向蓄热加热器容器内增压，待压力稳定后即准备进入试验状态。助燃空气采用鼓风机直接从大气获得，其中助燃空气需经由空气滤清器清洁后进入加热器。天然气供应系统气源采用工业气瓶，通过手动减压阀控制音速喷嘴的压力，保证甲烷以稳定的流量供应。氮气供应系统的作用主要有：(1)作为天然气路的吹除气体：氮气吹除目的是对试验后的天然气管路进行吹除；(2)作为气动阀门的指令气。氮气供应系统由高压工业氮气瓶提供气源。选用8个12MPa、40L的工业氮气瓶组成一个汇流排，经过减压阀减压后，分多路供应到相应的气动阀和天然气供应路中。其中指令...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建平，金荣嘉，陈亮，宋文艳，焦贵谦，吴品鑫，王宇航，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61