[发明专利]用于大流量高温高压高速气体环境的电热元件及加工方法

说明书

本发明属于高超声速风洞试验设备技术领域，公开了一种用于大流量高温高压高速气体环境的电热元件及加工方法。该电热元件采用夹板式结构，包括若干并列排列的电热管、覆盖在电热管上表面的上表面夹板、下表面的下表面夹板，和覆盖在电热管中性端的保护盒。该加工方法采用工装将上表面夹板、电热管和下表面夹板夹紧并合拢，然后用销钉贯穿上表面夹板和下表面夹板，并采用氩弧焊焊接上表面夹板、下表面夹板以及保护盒，使得电热元件成为一个方形体。该电热元件采用夹板式结构，能够增加电热元件强度，增大接触面积，提高换热效率，保证风洞试验质量和效率。加工方法简便可靠，精度高，变形量小。

技术领域

本发明属于高超声速风洞试验设备领域，具体涉及一种用于大流量高温高压高速气体环境的电热元件及加工方法。

背景技术

在用空气作试验介质的常规高超声速风洞中，由于气体流速极高，达到马赫数5至马赫数10，气流经喷管而剧烈膨胀会造成水蒸汽和二氧化碳发生凝结，造成流场的不均匀性，使试验数据不准确，这在高超声速风洞气动试验中是不允许的。因此，在以大流量高速空气为介质的常规高超声速风洞中需要设置蓄热式加热器，将气流加热到所需要的防冷凝温度。

常规高超声速风洞空气流量大、加热温度高，对空气的最大净加热功率达到30Mw，为了减小配电系统功率，采用蓄热式电加热器。蓄热式电加热器工作原理是利用金属电热元件作为发热体，以传导或者辐射方式将蓄热元件加热到要求的温度，之后冷气从加热器下端进入，与蓄热元件间进行紊流换热，将气流加热到所需要的防冷凝温度，热气从加热器上端流出，在风洞试验段形成超音速流场。因此，蓄热元件的作用是加热来流空气到要求的温度。

高超声速风洞的蓄热式加热器内部气流流速最大达30m/s，最高使用温度为700℃，最高运行压力为8MPa，最大气流量为180kg/s。蓄热式加热器内部使用的蓄热元件要长期在这种高温、高压、大流量高速气体环境下工作。

传统电热管直接应用到高超声速风洞蓄热式加热器存在以下不足之处：a.在大流量、高压、高速工况下，传统电热管自身强度不足，容易变形、弯曲，导致电热管损坏；b.电热管与蓄热元件之间接触面积小，导热面积小，换热效率低，导致蓄热元件升温速率低、气流温度达不到防冷凝温度、电热管超温损坏；c.电热管的控温热电偶采用卡箍固定在电热管表面，安装不牢固，易脱落，导致电热管控温不准，容易出现超温损坏；d.电热管的下端为中性连接端，在气流反复冲击下，绝缘陶瓷容易损坏导致绝缘失效；e.多根电热管在加热器内部安装、固定困难，在高速气流冲刷和反复热胀冷缩工况下，容易移位、倾斜，影响电热管正常使用，影响风洞试验质量和效率。

当前，亟需发展一种用于大流量高温高压高速气体环境的电热元件及加工方法。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是提供一种用于大流量高温高压高速气体环境的电热元件，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种用于大流量高温高压高速气体环境的电热元件的加工方法。

本发明的用于大流量高温高压高速气体环境的电热元件，其特点是，所述的电热元件采用夹板式结构，包括若干并列排列的电热管、覆盖在电热管上表面、下表面的保护板，和覆盖在电热管中性端上、与保护板固定连接的保护盒；

保护板覆盖在电热管发热段上，总长度与电热管的发热段长度相同；保护板分为上下对称的两个夹板，上表面的夹板由若干个板块拼接而成，下表面的夹板也由若干个板块拼接而成，上表面的夹板焊缝和下表面的夹板焊缝交错排列；上表面的夹板和下表面的夹板上开有与电热管相匹配的并列排列的半圆槽，在半圆槽之间开有与电热管的热电偶相匹配的热电偶安装槽，热电偶安装槽的长度等于温度监控点到热电偶引出点的距离；上表面的夹板和下表面的夹板上还开有对应的阵列排列的销钉孔；上表面的夹板和下表面的夹板的接触面留有焊接坡口；

电热管分为3组，每组数量相同，均为N个，N≥3；所有的电热管的中性端采用金属连接片连接在一起，每组电热管的另一端分别与供电电源的A相、B相、C相相连，形成三相三线制星型连接方式；