[发明专利]石墨电阻加热器的热相关参数设计方法

说明书

本发明公开了一种石墨电阻加热器的热相关参数设计方法，石墨电阻加热器由矩形螺旋通道、加热管、端部导热、隔热层等组件组成，本发明通过选定加热器结构参数和给定加热器功率，采用一种气流‑加热管‑隔热层温度联合简化计算模型，计算得出加热器的气流、加热元件、隔热层的轴向温度分布，通过出口气流温度指标、效率指标等要求达标，完成石墨电阻加热器的热相关参数设计计算。

技术领域

本发明涉及一种超高温连续式气体加热器，尤其涉及一种石墨电阻加热器的热相关参数设计方法。

背景技术

石墨电阻加热器是一种超高温连续式气体加热器，可用于氮气等惰性气体加热，加热温度高达2500K，可应用于高超风洞等地面模拟试验设备的气体介质加热。

石墨电阻加热器的热相关参数设计方法是一种工程化的连续式加热器热设计方法。现有连续式加热器热设计方法主要分为两种：一种是工程化简易热效应的加热器设计方法，仅考虑对流、能源等简单热效应；另一种是精细化仿真模拟的加热器设计方法，通常用于精确分析加热器热效应的细节特征。

(1)简单热效应的加热器热设计方法：这是一种加热器工程热设计方法，仅考虑管内气流对流、能源等简单热效应，控制方程从左至右依次表示气流增加能量、圆管与气流对流换热能量、电源加载能量，其中圆管与气流的对流换热为工程化热处理方法(请看图1)。控制方程表示为：

(2)精细化仿真模拟的加热器设计方法：在陈华军、沈新荣等人发表的文献中，对矩形截面螺旋管内对流传热特性进行了详细研究，分析了在旋转、曲率和挠率共同影响下管道中的二次流动、轴向主流分布、摩擦系数比、管道Nusselt数与各参数之间的变化情况，着重研究矩形螺旋通道内的流动换热机理。在吴双应、陈素君等人发表的文献中，对环形截面螺旋管内对流传热特性进行了详细研究，分析了在内环加热外环绝热情况下雷诺数、曲率、螺距对管道Nusselt数、摩擦系数的影响。

在上面这两种方法中，简单热效应的加热器热设计方法未考虑导热损失、辐射损失等热效应，仅能适应低温连续式加热器的设计。而精细化仿真模拟的加热器设计方法由于控制方程极其复杂，仅能用于研究局部热效应，无法适应工程应用。

发明内容

针对上述技术问题，本发明设计开发了一种石墨电阻加热器的热相关参数设计方法，可以完全通过理论推导，而不通过经验曲线，来获取加热器的热相关参数；该方法可以适应对超高温、低温的工程化连续式加热器的设计。

本发明提供的技术方案为：

一种石墨电阻加热器的热相关参数设计方法，所述石墨电阻加热器包括矩形螺旋通道、加热管、冷端导热件、热端导热件以及隔热层，所述石墨电阻加热管套设于所述矩形螺旋通道的外部，所述冷端导热件连接于所述加热管的冷端，所述热端导热件连接于所述加热管的热端，所述隔热层套设在所述石墨电阻加热管的外部，一加热电源电连接至所述冷端导热件和所述热端导热件，从而启动所述加热管发热；

所述方法包括以下步骤：

步骤一、按照以下方式对矩形螺旋通道、加热管以及热端导热件的参数进行设定和计算：

所述矩形螺旋通道的高度其中，G为气流流量，P为气流压力，R为热力学常数，u_gL为所述矩形螺旋通道的出口气流速度；将所述矩形螺旋通道沿轴向离散为M个微元，则在第i个微元上气流温度为t_gi，t_g1为所述矩形螺旋通道在第1个微元的气流温度；

所述矩形螺旋通道的宽度b＝3.5·a；

所述矩形螺旋通道的螺距s＝a+Δa，Δa＝3～5mm；

所述矩形螺旋通道的外径d_w＝1.8·s；

所述加热管的厚度δ_w＝5～10mm；