[发明专利]一种螺旋式电热体空气加热装置

说明书

本发明提出了一种螺旋式电热体空气加热装置，包括：耐压容器；接地电极组件，设置在所述耐压容器的前端，所述接地电极组件的前部具有热气流出口端；正电极组件，设置在所述耐压容器的后部端，设置有气孔；隔热筒，设置在所述耐压容器内，具有多个孔；螺旋电热体，位于所述隔热筒内，安装在所述接地电极组件和正电极组件之间；进气接头，设置在所述耐压容器的中部；气流从所述进气接头进入所述隔热筒的空间，再从所述正电极组件的气孔进入所述螺旋电热体的螺旋通道，最后从所述接地电极组件的热气流出口端流出。本发明的即热空气加热器，实现大功率连续式加热，螺旋通道的气流流通路径长，换热面积大，出口气流温度稳定。

技术领域

本发明属于空气动力学领域，涉及高速风洞技术。具体而言，涉及一种高速风洞主气流加热设备，一种螺旋电热体空气加热装置。

背景技术

目前用于常规高速风洞的加热方式，有两种；蓄热式和即热式。

蓄热式加热器，在国内外高超风洞设备上广泛应用；按照预热方式分类，有燃料预热和电预热两种方式。

采用燃料预热，可以提供快速，大功率的高温预热功率，但是需要排烟道和耐高压烟道阀等辅助设备，投资大，而且燃料燃烧不充分，容易在蓄热体上形成积碳，有潜在的气流污染风险。

电预热方式比较干净、工艺成熟，是一种常用的空气加热方式。但是，现有的电蓄热式加热器，蓄热体均为单一换热通道布局，设计的加热器，换热通道面积按流量给定，加热器长度就确定了。受设备场地限制，长径比难以取得太大，会出现换热通道过短的问题。气流在蓄热体通道内的停留时间短，出口气流的温度就会达不到要求；如果单纯提高蓄热体的预热温度，会造成加热器超温，出现安全问题。

加热器的实际应用中，避免蓄热材料受到气流的冲击，会在风洞的加热器出口安装高温快速阀，这是很困难的事情。这个阀门必须耐高温高压，启闭速度要快。工业品一般无此类阀门，需要花费很多的资金来设计此类阀门，这给风洞的规划，带来很大麻烦。目前的加热器形式，包括板式加热器，卵石床加热器，蜂窝体加热器等，换热气流会混入隔热层的脱落粉体和电热元件的氧化皮碎屑，给气流造成污染。风洞中，也想采取过滤器除尘的方式，消除这些影响。但是，过滤网难以承受高温高压气流的冲击，一直没有找到合适的选材和结构设计，来解决这一问题。

近年来，科研项目对于试验时间达到30分钟到1小时，温度900K的加热器需求增加，而蓄热式加热器庞大的体积和较长的预热时间，投资价值很低。而即热式加热器，可以实现长时间加热，响应速度快，体积小，倍受关注。电阻加热元件布局均匀，采用高温合金材料，发热体工作温度可达到1100℃，配置隔热单元的气流管道可在800℃条件下安全运行，能满足试验室纯净空气的加热需求；电热元件的形状有棒状，带状，管状。

由于要求较大的电功率，即热式加热器，一般实验室采用难度大，在这方面的研究还很少；风洞试验设备有一定使用经验，例如，CARDC的FL-31风洞采用电热管加热器，需要8000KW电功率，目前在用；CAAA的FD-03风洞采用二级电阻管加热器，需要400KW电功率，目前闲置；CAAA的FD-02风洞，研究了三种加热器形式，并发现诸多问题：(1)对6个并联的小功率加热器进行试验，发现电阻丝加热器，高温下的强度不够，容易烧断；(2)电阻管加热器，薄壁管子的散热面积大，但是绝缘件布局复杂，容易发生故障；(3)电阻带加热器，受气流的冲击后，容易变形短路，固定困难。由于无法克服上述困难，最终FD-02风洞没有采用即热式加热器形式，使用了燃油预热的蓄热式加热器。其他常规实验室都不提供大功率的电源设备，限制了这种加热器的普及应用。

资料显示，普林斯顿大学在60年代研究即热式加热器试验样机，采用螺旋式加热元件，获得研究成果，是一种解决高温加热器无污染，加热功率大稳定、可靠的方式。俄罗斯在大型风洞设计中，采用螺旋式电阻加热器形式，采用并联数个螺旋电阻元件加热器模式，成功制造了大型加热设备，但是设计技术没有公开。