一種用于主動冷卻實(shí)驗(yàn)的輻射加熱系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種用于主動冷卻實(shí)驗(yàn)的輻射加熱系統(tǒng)，包括：輻射加熱裝置、電源供電模塊、燃料預(yù)熱輸運(yùn)裝置和熱燃料收集裝置，其中，輻射加熱裝置采用紅外輻射的方式對冷卻面板進(jìn)行加熱，其包括：輻射加熱元件、電極組件、保溫隔熱組件和箱體；電源供電模塊為輻射加熱裝置供電；燃料預(yù)熱輸運(yùn)裝置與碳?xì)淙剂系倪M(jìn)口管道相連，為冷卻面板輸送碳?xì)淙剂?；熱燃料收集裝置與碳?xì)淙剂系某隹诠艿老噙B，對從冷卻面板流出的高溫碳?xì)淙剂线M(jìn)行冷卻。本發(fā)明能夠?qū)ψ畲蟪叽鐬?000mm?x40mm的冷卻面板的下表面提供長大于1000mm，寬大于40mm，且熱流密度高于1Mw/m2的均勻輻射加熱區(qū)，且在此輻射熱流條件下可長時間持續(xù)工作。
【專利說明】一種用于主動冷卻實(shí)驗(yàn)的輻射加熱系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超燃沖壓發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，特別涉及一種用于主動冷卻實(shí)驗(yàn)的輻射加熱系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲速飛行過程中，在高馬赫數(shù)下飛行器外表面的溫度將超出許多常用輕質(zhì)材料的許用溫度，再加上燃燒室內(nèi)有氧氣和強(qiáng)氣流沖刷的環(huán)境，常規(guī)的結(jié)構(gòu)材料在沒有冷卻的條件下難以長時間工作。
[0003]針對高超聲速飛行面臨的熱環(huán)境，主動冷卻技術(shù)被提出用以解決超燃沖壓發(fā)動機(jī)的熱防護(hù)問題，即利用機(jī)載燃料流過開在燃燒室壁板內(nèi)的冷卻通道冷卻燃燒室壁面，然后再將其噴注到燃燒室內(nèi)燃燒。超燃發(fā)動機(jī)以液態(tài)碳?xì)浠衔镒鳛槿剂?，如煤油。煤油?jīng)冷卻通道流動吸熱至超臨界態(tài)，進(jìn)入燃燒室后將直接氣化。若煤油被加熱至超過裂解溫度，煤油開始裂解產(chǎn)生小分子烴，不僅能夠有效促進(jìn)燃燒，而且能夠提高煤油熱沉，從而使得發(fā)動機(jī)的運(yùn)行性能得到顯著優(yōu)化。因此，研究主動冷卻系統(tǒng)，需從實(shí)驗(yàn)方面探索碳?xì)淙剂显诶鋮s通道中的流動與傳熱特性。
[0004]能夠模擬超燃沖壓發(fā)動機(jī)真實(shí)熱環(huán)境的典型實(shí)驗(yàn)設(shè)備有直聯(lián)式超燃實(shí)驗(yàn)臺和高溫射流風(fēng)洞，但這些大設(shè)備難以對熱環(huán)境參數(shù)精確控制，運(yùn)行成本高昂也不利于反復(fù)多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。一些能夠精確控制熱流條件的實(shí)驗(yàn)裝置多以金屬圓管模擬冷卻通道，并通電加熱的方式。這種方式圓管四周熱流分布均勻，與實(shí)際超燃沖壓發(fā)動機(jī)冷卻面板為單側(cè)加載熱流的情況截然不同，因此無法模擬超燃沖壓發(fā)動機(jī)真實(shí)熱環(huán)境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種用于主動冷卻實(shí)驗(yàn)的輻射加熱系統(tǒng)，為主動冷卻實(shí)驗(yàn)中離線測試主動冷卻面板中的碳?xì)淙剂显跓崃鲉蝹?cè)加載條件下的物性、流動與換熱特性提供了實(shí)驗(yàn)平臺。
[0006]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種于主動冷卻實(shí)驗(yàn)的輻射加熱系統(tǒng)，包括:輻射加熱裝置、電源供電模塊、燃料預(yù)熱輸運(yùn)裝置和熱燃料收集裝置，其中，
[0007]所述輻射加熱裝置采用紅外輻射的方式對冷卻面板進(jìn)行加熱，其包括:輻射加熱元件、電極組件、保溫隔熱組件和箱體，其中，所述輻射加熱元件為石墨板狀結(jié)構(gòu)，位于所述冷卻面板下部，并且所述輻射加熱元件的長度和寬度均大于所述冷卻面板的長度和寬度，所述輻射加熱元件用于對所述冷卻面板下表面提供單側(cè)均勻加熱；所述電極組件位于所述輻射加熱元件兩端，所述輻射加熱元件通過電極組件與電源供電模塊連接；所述保溫隔熱組件為U形，所述輻射加熱元件位于所述保溫隔熱組件的凹槽內(nèi)；所述輻射加熱元件和保溫隔熱組件位于所述箱體內(nèi)部，所述電極組件位于所述箱體的兩端，所述箱體上設(shè)置有碳?xì)淙剂系倪M(jìn)口管道和出口管道；所述燃料預(yù)熱輸運(yùn)裝置與所述碳?xì)淙剂系倪M(jìn)口管道相連，為所述冷卻面板輸送碳?xì)淙剂?；熱燃料收集裝置與所述碳?xì)淙剂系某隹诠艿老噙B，對從冷卻面板流出的高溫碳?xì)淙剂线M(jìn)行冷卻。
[0008]優(yōu)選地，所述熱燃料收集裝置包括:螺旋管道、熱燃料收集水箱、熱燃料收集水泵、熱燃料收集換熱器和熱燃料收集槽，其中，所述螺旋管道位于所述熱燃料收集水箱中，高溫碳?xì)淙剂狭魅胨雎菪艿?，被水冷卻，之后流入熱燃料收集槽中；所述熱燃料收集水泵與熱燃料收集水箱和熱燃料收集換熱器相連，熱燃料收集換熱器與所述熱燃料收集水泵和熱燃料收集水箱相連，熱燃料收集水泵將熱燃料收集水箱中的水抽入至熱燃料收集換熱器中冷卻，水再重新流回?zé)崛剂鲜占洹?br> [0009]優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括水冷模塊，所述水冷模塊分三條循環(huán)冷卻水路分別與所述輻射加熱裝置的兩組電極組件和箱體相連；所述水冷模塊包括水泵、換熱器和水箱，其中，水泵將水箱中的水抽入至輻射加熱裝置的兩組電極組件和箱體；所述換熱器將輻射加熱裝置流出的循環(huán)水冷卻后輸入至所述水箱。
[0010]優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括參數(shù)測量設(shè)備，所述參數(shù)測量設(shè)備包括相連的傳感器和數(shù)據(jù)采集測量裝置，所述傳感器位于所述箱體內(nèi)，在主動冷卻實(shí)驗(yàn)中測量實(shí)驗(yàn)參數(shù)；所述數(shù)據(jù)采集測量裝置用于采集所述傳感器得到的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
[0011]優(yōu)選地，所述傳感器位于所述冷卻面板上，包括熱電偶和壓力傳感器；
[0012]所述數(shù)據(jù)采集測量裝置包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)，所述采集模塊采集并顯示所述傳感器得到的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，轉(zhuǎn)換成O?IOV的電壓信號，輸入至數(shù)據(jù)采集卡；所述數(shù)據(jù)采集卡將所述電壓信號輸入至計算機(jī)，計算機(jī)對所述實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
[0013]優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括抽真空模塊，所述抽真空模塊與箱體相連，包括真空泵，用于為主動冷卻實(shí)驗(yàn)中輻射加熱裝置的箱體抽真空，防止箱體內(nèi)部元件在高溫下被氧化。
[0014]優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括充氮?dú)饽K，所述充氮?dú)饽K與箱體相連，包括氮?dú)馄?，用于為主動冷卻實(shí)驗(yàn)中輻射加熱裝置的箱體充氮?dú)狻?br> [0015]優(yōu)選地，所述電極組件有兩組，分別位于所述輻射加熱元件兩端，均包括導(dǎo)線、黃銅電極和石墨電極，其中，所述導(dǎo)線一端與黃銅電極相連，另一端與供電設(shè)備相連；所述黃銅電極通過石墨電極連接至輻射加熱元件兩端。
[0016]優(yōu)選地，所述黃銅電極為雙層圓筒狀結(jié)構(gòu)，夾層內(nèi)設(shè)有水冷卻槽道，用于電極冷卻；所述黃銅電極圓筒內(nèi)表面為細(xì)牙螺紋結(jié)構(gòu)；所述石墨電極的材料為等靜壓石墨，為圓筒狀結(jié)構(gòu)，其外表面為細(xì)牙螺紋結(jié)構(gòu)，與所述黃銅電極的內(nèi)螺紋連接配合，保證二者接觸面積大且緊密；所述石墨電極的內(nèi)表面為具有1°錐角的曲面；所述輻射加熱元件的兩端相應(yīng)地為1°錐角的圓臺結(jié)構(gòu)，所述圓臺結(jié)構(gòu)位于所述石墨電極中。
[0017]優(yōu)選地，所述保溫隔熱組件包括隔熱屏和隔熱層，其中，所述隔熱屏和隔熱層均為U形，所述隔熱屏位于內(nèi)層，采用石墨氈材料；所述隔熱層位于外層，采用高硅氧布纖維材料。
[0018]本發(fā)明為離線測試主動冷卻面板中碳?xì)淙剂显跓崃鲉蝹?cè)加載條件下的物性、流動與換熱特性，提供模擬超燃沖壓發(fā)動機(jī)真實(shí)熱環(huán)境的高熱流和單側(cè)加載條件。本發(fā)明的輻射加熱系統(tǒng)能夠?qū)ψ畲蟪叽鐬?000mm x40mm的冷卻面板的下表面提供長大于1000mm,寬大于40mm，且熱流密度高于lMw/m2的均勻輻射加熱區(qū)，且在此輻射熱流條件下可長時間持
續(xù)工作。【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的輻射加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的水冷模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的輻射加熱裝置的電極組件安裝結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖4為本發(fā)明實(shí)施例的U形保溫隔熱組件的剖面視圖；
[0023]圖5為本發(fā)明實(shí)施例的抽真空模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖6為本發(fā)明實(shí)施例的熱燃料收集裝置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互任意組合。
[0026]本發(fā)明實(shí)施例的用于主動冷卻實(shí)驗(yàn)的輻射加熱系統(tǒng)，包括:輻射加熱裝置、電源供電模塊、燃料預(yù)熱輸運(yùn)裝置和熱燃料收集裝置，其中，所述輻射加熱裝置采用紅外輻射的方式對冷卻面板進(jìn)行加熱，其包括:輻射加熱元件、電極組件、保溫隔熱組件和箱體，其中，所述輻射加熱元件為石墨板狀結(jié)構(gòu)，位于所述冷卻面板下部，并且所述輻射加熱元件的長度和寬度均大于所述冷卻面板的長度和寬度，所述輻射加熱元件用于對所述冷卻面板下表面提供單側(cè)均勻加熱；所述電極組件位于所述輻射加熱元件兩端，所述輻射加熱元件通過電極組件與電源供電模塊連接；所述保溫隔熱組件為U形，所述輻射加熱元件位于所述保溫隔熱組件的凹槽內(nèi)；所述輻射加熱元件和保溫隔熱組件位于所述箱體內(nèi)部，所述電極組件位于所述箱體的兩端，所述箱體上設(shè)置有碳?xì)淙剂系倪M(jìn)口管道和出口管道；所述燃料預(yù)熱輸運(yùn)裝置與所述碳?xì)淙剂系倪M(jìn)口管道相連，為所述冷卻面板輸送碳?xì)淙剂?；熱燃料收集裝置與所述碳?xì)淙剂系某隹诠艿老噙B，對從冷卻面板流出的高溫碳?xì)淙剂线M(jìn)行冷卻。
[0027]燃料預(yù)熱輸運(yùn)裝置由燃料預(yù)熱和燃料流動控制兩部分組成。進(jìn)一步，燃料預(yù)熱部分將燃料加熱至主動冷卻實(shí)驗(yàn)所需溫度。流動控制部分控制燃料從燃料預(yù)熱裝置以特定的流量、壓力流入冷卻面板。
[0028]熱燃料收集裝置包括:螺旋管道、熱燃料收集水箱、熱燃料收集水泵、熱燃料收集換熱器和熱燃料收集槽。
[0029]另外，輻射加熱系統(tǒng)還可包括水冷模塊、抽真空模塊、充氮?dú)饽K以及參數(shù)測量設(shè)備。
[0030]水冷模塊分三條循環(huán)冷卻水路分別與所述輻射加熱裝置的兩組電極組件和箱體相連；水冷模塊包括水泵、換熱器和水箱，其中，水泵將水箱中的水抽入至輻射加熱裝置的兩組電極組件和箱體；所述換熱器將輻射加熱裝置流出的循環(huán)水冷卻后輸入至所述水箱。
[0031]抽真空模塊與箱體相連，包括真空泵，用于為主動冷卻實(shí)驗(yàn)中輻射加熱裝置的箱體抽真空，防止箱體內(nèi)部元件在高溫下被氧化。
[0032]充氮?dú)饽K，所述充氮?dú)饽K與箱體相連，包括氮?dú)馄?，用于為主動冷卻實(shí)驗(yàn)中輻射加熱裝置的箱體充氮?dú)狻?br> [0033]參數(shù)測量設(shè)備包括相連的傳感器和數(shù)據(jù)采集測量裝置，所述傳感器位于所述箱體內(nèi)，在主動冷卻實(shí)驗(yàn)中測量實(shí)驗(yàn)參數(shù)；所述數(shù)據(jù)采集測量裝置用于采集所述傳感器得到的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。[0034]本發(fā)明實(shí)施例的用于主動冷卻實(shí)驗(yàn)的輻射加熱系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該輻射加熱系統(tǒng)采用紅外輻射的方式對冷卻面板I (也稱為主動冷卻面板)進(jìn)行高熱流長時間單側(cè)加熱。由于冷卻面板I為板狀結(jié)構(gòu)，最大尺寸為1000mmX40mm，為了保證冷卻面板I所受輻射均勻，輻射加熱元件2為板狀結(jié)構(gòu)，冷卻面板I位于輻射加熱元件2上方中央?yún)^(qū)域，其長L和寬W分別滿足L>1000mm和WMOmm，L和W越大，其對冷卻面板I的輻射角系數(shù)越大。若加熱元件2的上表面對冷卻面板I的下表面提供的IMwm2輻射熱流，則對于發(fā)射率為I的黑體來說，該熱流密度對應(yīng)的表面溫度約為1776.3°C，因此加熱板的材料須至少在這個溫度下能夠正常工作。故選用耐高溫、熱密度大的高純石墨作為輻射加熱元件2的材料。為了保證輻射加熱元件(也稱為石墨加熱板)2在高溫時具有足夠的強(qiáng)度，石墨加熱板的厚度H≥16mm。[0035]石墨加熱板2依次通過其兩端的石墨電極3，黃銅電極4，導(dǎo)線5連接至電源供電模塊6的正負(fù)極，從而形成通電回路。導(dǎo)線5為紫銅板導(dǎo)線，具有純度高、導(dǎo)電性能好的特點(diǎn)，通過增大紫銅板導(dǎo)線5的橫截面積減小電阻，使其消耗的功率為石墨加熱板2上消耗功率的1%。本實(shí)施例中黃銅電極4采用水冷黃銅電極。紫銅板導(dǎo)線5與水冷黃銅電極4焊接連接。為了避免水冷黃銅電極4與石墨加熱板2直接接觸增大石墨加熱板的熱損失，輻射加熱裝置中水冷黃銅電極4與石墨加熱板2之間通過石墨電極3過渡連接。
[0036]為了減小石墨電極3與水冷黃銅電極4之間的接觸電阻，可采用螺紋連接的方式保證其二者接觸緊密且具有較大的接觸面積。而石墨加熱板2與之石墨電極3間接觸緊密，則是依靠石墨加熱板2兩端設(shè)計的圓臺結(jié)構(gòu)與石墨電極3內(nèi)與圓臺相同錐角的曲面結(jié)構(gòu)在通電加熱的情況下熱膨脹變形導(dǎo)致相互擠壓實(shí)現(xiàn)。水冷黃銅電極4加工為雙層圓筒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)20根冷卻槽道如85，每根槽道直徑Φ2πιπι。黃銅電極4上的進(jìn)口冷卻水管8、10和出口冷卻水管7和9的管徑為Φ IOmm,材料為不銹鋼管。
[0037]進(jìn)水方向，進(jìn)口冷卻水管道8、10通過不銹鋼管12和14與水冷模塊15相連，其上設(shè)置手動閥80、82和流量計77、79，分別用來控制通斷此冷卻水路和監(jiān)測冷卻水流量。回水方向，出口冷卻水管道7、9通過不銹鋼管11、13與水冷模塊15相連，其上設(shè)置熱電偶71、73和壓力表72、74，用來監(jiān)測此路冷卻水的出口水溫、水壓，從而在主動冷卻實(shí)驗(yàn)加熱過程中實(shí)現(xiàn)電極冷卻。
[0038]水冷模塊15組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。水冷模塊主要由水泵101、換熱器102和水箱103組成。水冷模塊與輻射加熱裝置500相連形成冷卻水循環(huán)回路。圖中的“IN”和“OUT”分別表示流入和流出輻射加熱裝置的管道接口。冷卻水壓力表69和熱電偶70用來測量水箱103中流出的冷卻水水溫和壓力。
[0039]電極組件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。水冷黃銅電極4圓筒內(nèi)表面加工為細(xì)牙螺紋。石墨電極3的材料為強(qiáng)度好、發(fā)熱率低的等靜壓石墨，同樣將其加工為圓筒狀結(jié)構(gòu)，外表面加工為細(xì)牙螺紋結(jié)構(gòu)，與黃銅電極4的內(nèi)螺紋連接配合，保證二者接觸面積大且緊密。同時，石墨電極3內(nèi)表面設(shè)計為1°錐角的曲面。石墨加熱板2兩端相應(yīng)設(shè)計為1°錐角的圓臺結(jié)構(gòu)204。安裝時,將石墨加熱板2的兩端分別插入石墨電極3當(dāng)中。當(dāng)石墨加熱板2升溫時沿軸向發(fā)生熱膨脹，石墨加熱板2兩端圓臺204與石墨電極3內(nèi)表面相互擠壓，從而保證石墨加熱板2兩端圓臺204與石墨電極3內(nèi)表面緊密接觸。
[0040]考慮石墨加熱板2軸線方向膨脹變形，石墨電極3的1°錐角的內(nèi)表面沿軸線方向的長度應(yīng)長于圓臺的長度，為石墨加熱板2軸向變形留出伸長空間。經(jīng)查表可知:高純石墨在20~100°C溫度范圍內(nèi)，沿軸線(即平行于擠壓層)方向的熱膨脹系數(shù)為aQ=1.97X10-7°C，溫度達(dá)到2000°C左右時，此熱膨脹系數(shù)還需在20~100°C區(qū)間測定的熱膨脹系數(shù)基礎(chǔ)上加一個附加系數(shù)α δ=2.12X10_6/°C，因此可得高純石墨在2000°C左右時熱膨脹系數(shù)為a 2000=4- 09 X 10_6/°C，如令石墨加熱板2長度L=1300mm，升溫范圍從20°C到2000°C，計算可知石墨加熱板2沿軸向的變形量AL為AL=a2_LAT=9.52mm，因而可設(shè)計石墨電極3軸線方向比石墨加熱板2兩端圓臺204長15mm。為了減小石墨加熱板2與石墨電極3的接觸電阻，石墨加熱板2兩端圓臺204與石墨電極3的接觸面積(即圓臺側(cè)面積)設(shè)計為石墨加熱板2橫截面積的30倍。在石墨加熱板2兩端的圓臺204端面上開深槽206來釋放擠壓過程所產(chǎn)生的應(yīng)力。為了防止出現(xiàn)棱角造成應(yīng)力集中，石墨加熱板2矩形橫截面與兩端圓臺204的圓截面之間平滑過渡205。
[0041]由于輻射加熱元件2為石墨板狀結(jié)構(gòu)，且只有上表面對冷卻面板I單側(cè)加載輻射熱流，而另外他三個表面均為非有效輻射表面，需盡可能的減小其輻射損失。因此，該加熱裝置的設(shè)計有U形保溫隔熱組件。保溫隔熱組件由隔熱屏16和隔熱層17組成。U形保溫隔熱組件內(nèi)表面沿與石墨加熱板2非有效工作表面平行，沿加熱板軸線方向的長度與石墨加熱板2長度L相同(該長度L不包括圓臺204部分)。圖4為保溫隔熱組件的側(cè)視圖，內(nèi)層為U形隔熱屏16，選用熱導(dǎo)率小、耐熱沖擊性能好、易于加工的石墨氈材料制成。外層為U形隔熱層17，由導(dǎo)熱系數(shù)低的高硅氧布纖維組成。U形隔熱屏16內(nèi)層與石墨加熱板2相鄰的三個表面分別與石墨加熱板2的三個非有效輻射表面(即兩個側(cè)面和底面)平行。石墨加熱板2與隔熱屏16，以及各屏相鄰表面之間通過輻射的方式換熱。最外層隔熱屏16與高硅氧布隔熱層17相互接觸，因此二者之間通過熱傳導(dǎo)的方式換熱。石墨加熱板2對冷卻面板I進(jìn)行單側(cè)加熱時，石墨加熱板2的非有效工作表面與U形隔熱屏16最內(nèi)層各表面之間開始進(jìn)行輻射換熱，當(dāng)達(dá)到輻射換熱平衡時，石墨加熱板2非有效表面的輻射損失不足加熱板2上表面輻射功率的1%，故可以忽略不計，從而有效降低了石墨加熱板2非有效工作面的輻射損失。進(jìn)一步，為了防止從石墨加熱板2兩端相比冷卻面板I長出的部分直接對輻射加熱裝置的外殼腔體21或冷卻面板I進(jìn)出碳?xì)淙剂系墓艿?`1、52進(jìn)行輻射，造成對設(shè)備損壞或影響實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果，在加熱板2兩端沿上表面法線方向由內(nèi)向外依次用隔熱屏18和隔熱層19將其遮擋，并且利用石墨擋板20將該隔熱屏18和隔熱層19與工作區(qū)之間隔開。
[0042]由于輻射加熱裝置是在高溫真空下工作，因此輻射加熱裝置的箱體21采用強(qiáng)度高的圓筒狀結(jié)構(gòu)，選用可焊性好、加工性能好、機(jī)械強(qiáng)度高的不銹鋼板作為箱體外殼材料。因此，輻射加熱裝置的箱體21，由鋼板卷筒后焊接而成，內(nèi)表面分布有冷卻管道22，箱體底部外殼上設(shè)置冷卻水進(jìn)口管道23和冷卻水出口管道24的管徑為Φ20πιπι，可采用Φ26Χ3的不銹鋼管與箱體焊接密封。進(jìn)水方向，進(jìn)口冷卻水管道通過不銹鋼管83與水冷模塊15相連，其上設(shè)置手動閥81和流量計78，分別用來控制通斷此冷卻水路和監(jiān)測冷卻水流量?；厮较?，出口冷卻水管道通過不銹鋼管84與冷卻模塊15相連，其上設(shè)置熱電偶75和壓力表76，用來監(jiān)測此路冷卻水的出口水溫、水壓。從而，確保輻射加熱裝置對冷卻面板高溫加熱時箱體外殼不會出現(xiàn)局部過熱或燒壞等現(xiàn)象。箱體兩端采用法蘭結(jié)構(gòu)25和26與電極組件相連，并采用耐高溫的氟膠圈密封27。為了防止石墨加熱板2、冷卻面板I在高溫下被氧化，在箱體左側(cè)法蘭31上設(shè)有抽真空管道接口 32，該管道接口 32采用紫銅管為材料，與法蘭31之間采用焊接密封，抽真空管道接口 32通過紫銅管道33連至抽真空模塊34。
[0043]抽真空模塊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。抽真空模塊包括真空泵301、高真空氣動擋板閥302和手動閥303。主動冷卻實(shí)驗(yàn)過程中，通過真空壓力表68，可監(jiān)測輻射加熱裝置的箱體21內(nèi)部的壓力變化。
[0044]在箱體21內(nèi)充入一定壓力的氮?dú)猓梢苑乐瓜潴w內(nèi)部在高溫加熱過程中輝光放電，同時抑制石墨加熱板2在高溫下蒸發(fā)，延長其使用壽命。因此在箱體右側(cè)端面的法蘭上35設(shè)置氮?dú)夤艿澜涌?36，該接口 36為紫銅管，與法蘭35連接處采用焊接的方式密封。氮?dú)夤艿澜涌?36通過紫銅管41與氮?dú)馄?7連接，氮?dú)馄?7與氮?dú)夤艿澜涌谥g設(shè)置減壓閥38、手動閥39和單向閥40，分別用于調(diào)壓、關(guān)斷和防止實(shí)驗(yàn)時由于負(fù)壓導(dǎo)致氮?dú)獾构嘀恋獨(dú)馄?7中。在箱體21底部設(shè)有單向閥65、溢流閥66和手動放氣閥67，當(dāng)輻射加熱裝置內(nèi)部過高(即已經(jīng)超過某個預(yù)設(shè)最高壓力時)，溢流閥66起到卸荷保護(hù)的作用，同時也可以通過手動閥67排放輻射加熱裝置內(nèi)部氣體從而起到卸荷的作用。單向閥65則防止箱內(nèi)為負(fù)壓時，誤開手動閥而導(dǎo)致箱外氣體倒灌至箱體中。
[0045]冷卻面板I正上方為輻射加熱裝置的頂蓋42，頂蓋42與圓筒箱體21之間采用法蘭43連接，硅橡膠密封44。頂蓋42上設(shè)有液態(tài)碳?xì)淙剂系倪M(jìn)口管道47和出口管道48，均采用不銹鋼管與頂蓋42外部焊接密封連接。箱體外側(cè)碳?xì)淙剂线M(jìn)口管道47和出口管道48分別通過不銹鋼管51和52與燃料預(yù)熱輸運(yùn)裝置49和熱燃料收集裝置50連接，而頂蓋內(nèi)側(cè)則采用一條不銹鋼直管51將頂蓋42上的內(nèi)側(cè)碳?xì)淙剂线M(jìn)口管道47與冷卻面板I上的碳?xì)淙剂线M(jìn)口 53連接。采用另一條不銹鋼直管52將頂蓋上的內(nèi)側(cè)碳?xì)淙剂铣隹诠艿?8與冷卻面板上的碳?xì)淙剂铣隹?54連接。主動冷卻實(shí)驗(yàn)時，燃料從燃料預(yù)熱輸運(yùn)裝置49流出進(jìn)入被單側(cè)加熱的冷卻面板1，再從面板另一端出口 54流出，進(jìn)而流入熱燃料收集裝置50，形成燃料流動回路。關(guān)于燃料預(yù)熱輸運(yùn)裝置的詳細(xì)內(nèi)容參見專利《用于超聲速燃燒試驗(yàn)臺的煤油加熱系統(tǒng)》。
[0046]熱燃料收集裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。熱燃料收集裝置對從冷卻面板I流出的高溫燃料進(jìn)行迅速冷卻，然后進(jìn)行收集。熱燃料收集裝置主要由螺旋管道603 (本實(shí)施例中，采用不銹鋼制成)、熱燃料收集水箱602、熱燃料收集水泵606、熱燃料收集換熱器605和熱燃料收集收集槽604組成。熱燃料從冷卻面板6-1出口流出后，流經(jīng)熱燃料收集水箱602中的不銹鋼螺旋管道603時，與熱燃料收集水箱602中的水發(fā)生熱交換，從而被冷卻，之后流入熱燃料收集槽604中。而熱燃料收集水泵606則將熱燃料收集水箱604中的水不停的抽入熱燃料收集換熱器605時被冷卻，之后重新流回?zé)崛剂鲜占?02，形成冷卻水循環(huán)，保持水箱內(nèi)較低的水溫。
[0047]為了進(jìn)一步測試在高熱流單側(cè)加載條件下冷卻面板I內(nèi)碳?xì)淙剂系牧鲃訐Q熱特性，需要在實(shí)驗(yàn)過程中直接測量冷卻面板I進(jìn)口 53、出口 54處碳?xì)淙剂系臏囟?、壓力以及冷卻面板I輻射熱流加載表面與非熱流加載表面的溫度分布等參數(shù)。故在頂蓋42上安裝排線插座55。箱體內(nèi)部管腳56通過線纜63與冷卻面板I上所安裝的熱電偶57、58和壓力傳感器59、60引線相連接，而箱體外部管腳61則直接通過纜線64與數(shù)據(jù)采集測量裝置62相連，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。參數(shù)測量設(shè)備包括傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊(智能儀表)、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)。數(shù)據(jù)采集模塊采集并顯示從熱電偶、壓力傳感器獲取的冷卻面板溫度、壓力信號，之后再變送成0-10V的電壓信號輸入給數(shù)據(jù)采集卡。[0048]輻射加熱裝置通過紅外測溫儀進(jìn)行反饋控溫。紅外測溫儀通過輻射加熱裝置箱體側(cè)面的觀察窗來測量石墨加熱板側(cè)表面水平中心位置的實(shí)時溫度，其測溫范圍為750?3000°C。紅外測溫儀的輸出信號與PID溫度控制裝置相連接，PID溫度控制裝置則通過對實(shí)測溫度與目標(biāo)溫度進(jìn)行比較，來控制電源提供的加熱電壓大小。
[0049]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于主動冷卻實(shí)驗(yàn)的輻射加熱系統(tǒng)，其特征在于，包括:輻射加熱裝置、電源供電模塊、燃料預(yù)熱輸運(yùn)裝置和熱燃料收集裝置，其中， 所述輻射加熱裝置采用紅外輻射的方式對冷卻面板進(jìn)行加熱，其包括:輻射加熱元件、電極組件、保溫隔熱組件和箱體，其中，所述輻射加熱元件為石墨板狀結(jié)構(gòu)，位于所述冷卻面板下部，并且所述輻射加熱元件的長度和寬度均大于所述冷卻面板的長度和寬度，所述輻射加熱元件用于對所述冷卻面板下表面提供單側(cè)均勻加熱；所述電極組件位于所述輻射加熱元件兩端，所述輻射加熱元件通過電極組件與電源供電模塊連接；所述保溫隔熱組件為U形，所述輻射加熱元件位于所述保溫隔熱組件的凹槽內(nèi)；所述輻射加熱元件和保溫隔熱組件位于所述箱體內(nèi)部，所述電極組件位于所述箱體的兩端，所述箱體上設(shè)置有碳?xì)淙剂系倪M(jìn)口管道和出口管道；所述燃料預(yù)熱輸運(yùn)裝置與所述碳?xì)淙剂系倪M(jìn)口管道相連，為所述冷卻面板輸送碳?xì)淙剂?；熱燃料收集裝置與所述碳?xì)淙剂系某隹诠艿老噙B，對從冷卻面板流出的高溫碳?xì)淙剂线M(jìn)行冷卻。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述熱燃料收集裝置包括:螺旋管道、熱燃料收集水箱、熱燃料收集水泵、熱燃料收集換熱器和熱燃料收集槽，其中，所述螺旋管道位于所述熱燃料收集水箱中，高溫碳?xì)淙剂狭魅胨雎菪艿?，被水冷卻，之后流入熱燃料收集槽中；所述熱燃料收集水泵與熱燃料收集水箱和熱燃料收集換熱器相連，熱燃料收集換熱器與所述熱燃料收集水泵和熱燃料收集水箱相連，熱燃料收集水泵將熱燃料收集水箱中的水抽入至熱燃料收集換熱器中冷卻，水再重新流回?zé)崛剂鲜占洹?br> 3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述系統(tǒng)還包括水冷模塊，所述水冷模塊分三條循環(huán)冷卻水路分別與所述輻射加熱裝置的兩組電極組件和箱體相連；所述水冷模塊包括水泵、換熱器和水箱，其中，水泵將水箱中的水抽入至輻射加熱裝置的兩組電極組件和箱體；所述換熱器將輻射加熱裝置流出的循環(huán)水冷卻后輸入至所述水箱。`
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述系統(tǒng)還包括參數(shù)測量設(shè)備，所述參數(shù)測量設(shè)備包括相連的傳感器和數(shù)據(jù)采集測量裝置，所述傳感器位于所述箱體內(nèi)，在主動冷卻實(shí)驗(yàn)中測量實(shí)驗(yàn)參數(shù)；所述數(shù)據(jù)采集測量裝置用于采集所述傳感器得到的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述傳感器位于所述冷卻面板上，包括熱電偶和壓力傳感器； 所述數(shù)據(jù)采集測量裝置包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)，所述采集模塊采集并顯示所述傳感器得到的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，轉(zhuǎn)換成O~IOV的電壓信號，輸入至數(shù)據(jù)采集卡；所述數(shù)據(jù)采集卡將所述電壓信號輸入至計算機(jī)，計算機(jī)對所述實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述系統(tǒng)還包括抽真空模塊，所述抽真空模塊與箱體相連，包括真空泵，用于為主動冷卻實(shí)驗(yàn)中輻射加熱裝置的箱體抽真空，防止箱體內(nèi)部元件在高溫下被氧化。
7.如權(quán)利要求1~6中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述系統(tǒng)還包括充氮?dú)饽K，所述充氮?dú)饽K與箱體相連，包括氮?dú)馄?，用于為主動冷卻實(shí)驗(yàn)中輻射加熱裝置的箱體充氮?dú)狻?br> 8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述電極組件有兩組，分別位于所述輻射加熱元件兩端，均包括導(dǎo)線、黃銅電極和石墨電極，其中，所述導(dǎo)線一端與黃銅電極相連，另一端與供電設(shè)備相連；所述黃銅電極通過石墨電極連接至輻射加熱元件兩端。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述黃銅電極為雙層圓筒狀結(jié)構(gòu)，夾層內(nèi)設(shè)有水冷卻槽道，用于電極冷卻；所述黃銅電極圓筒內(nèi)表面為細(xì)牙螺紋結(jié)構(gòu)；所述石墨電極的材料為等靜壓石墨，為圓筒狀結(jié)構(gòu)，其外表面為細(xì)牙螺紋結(jié)構(gòu)，與所述黃銅電極的內(nèi)螺紋連接配合，保證二者接觸面積大且緊密；所述石墨電極的內(nèi)表面為具有1°錐角的曲面；所述輻射加熱元件的兩端相應(yīng)地為1°錐角的圓臺結(jié)構(gòu)，所述圓臺結(jié)構(gòu)位于所述石墨電極中。
10.如權(quán)利要求1~9中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述保溫隔熱組件包括隔熱屏和隔熱層，其中，所述隔熱屏和隔熱層均為U形，所述隔熱屏位于內(nèi)層，采用石墨氈材料 ；所述隔熱層位于外層，采用高硅氧布纖維材料。
【文檔編號】G01M15/14GK103512755SQ201310421329
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】袁越明, 李龍, 程迪, 陸陽, 盧錫年, 范學(xué)軍 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所