[发明专利]一种防掉渣高温高压纯净空气蓄热式加热系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种蓄热式加热系统，特别涉及一种提供高温高压纯净空气并且防掉渣的蓄热式加热系统。

背景技术

为了在地面进行超声速燃烧的试验研究，需建造能模拟飞行状态的焓值、速度和气体中氧气组分的地面模拟设备。具有这种模拟能力的加热方式有多种，目前国内外采用的大流量气体加热方式主要分为三类：（1）电弧加热：通过高压直流电弧放电使流过电弧的气流被加热；（2）燃烧加热：通过供入氢等燃料，利用部分空气作为氧化剂实现燃烧加热气流；（3）蓄热加热：利用预储于高温蓄热材料中的热能加热气流。

电弧加热方式能获得很高的加热温度（3000-10000K），但氮氧化合物的产生以及电极烧蚀污染物和流场不均匀性等问题使得该类加热器难以真正复现高超声速飞行器的真实特征热、化学环境。燃烧加热方式可获得较高的气流温度。然而，实验和数值模拟均发现，燃烧加热方式会产生自由基，依然存在获得的气流化学组分与真实空气有差别的问题。当化学组分偏离时，空气的物理特性，例如比热等会发生显著变化，影响实验精度。

燃烧加热方式具有经济性好，结构简单，效率高的特点，应用最广泛。然而燃烧加热后的试验气体中存在与空气不同的污染组分。当使用氢燃料加热空气时，在高温状态下污染组分主要是H2O和自由基，而使用烃燃料加热空气时，污染组分主要是H2O、CO2和自由基；污染组分使得被加热的高温气体无法完全模拟真实飞行状况下的气体来流，导致从地面试验向发动机飞行试验的延伸存在不确定性。

蓄热式加热将热能以较慢的速率通过电加热或燃烧加热过程储存在蓄热材料中，当风洞运行时热能再以很高的速率传给空气。此种加热方式可获得化学组分与真实空气完全一致的气流条件。用于超燃冲压发动机地面性能测试时，蓄热式加热是三种加热方式中获得数据可靠性最高的一种。

严格来说，蓄热式加热后的高温空气不是100%纯净的，一般都夹杂着固体粉尘，这些固体粉尘是由于蓄热材料和炉衬材料受到气流反复冲刷而脱落的。这些固体粉尘会影响地面试验的可靠性和真实性，为了得到更可靠的试验数据，有必要对气体中夹杂的固体粉尘进行处理。

旋风分离器具有构造简单和造价低廉等优点，操作压降中等，如能合理使用，可长期不会发生故障。对于粒径大于5微米粉尘的分离，它的分离效率是很好的。旋风分离器常用作大颗粒粉尘分离过程中的最后一个分离器，亦可作为高效分离器。

而本发明防掉渣高温高压纯净空气蓄热式加热系统即是在蓄热式加热系统的基础上加上了带水冷结构的旋风分离器，对蓄热器出口的高温高压气体进行除尘，本套分离器系统对对粒径大于5微米的粉尘具有很好的分离性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种可供应高温高压纯净空气的蓄热式加热系统，用于地面超声速燃烧试验研究，并解决加热后高温空气中夹杂固体粉尘的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种防掉渣高温高压纯净空气蓄热式加热系统，主要包括蓄热器、燃烧器、旋风分离器；蓄热器由陶瓷蜂窝体、耐火浇注层、绝热层、保温层及外筒组成，陶瓷蜂窝体耐热温度高，具有较好的蓄热能力，其蜂窝孔的尺寸、横截面积和长度经过详细的传热计算优化得到，耐火浇注层的耐热温度与蜂窝体相当，导热率较小，可防止绝热层和保温层的烧蚀，绝热层的耐热温度和导热系数介于耐火浇注层和保温层之间，可进一步降低热冲击和热损失，保温层的绝热效果最好，而耐热性略差于绝热层，经过耐火浇注层、绝热层和保温层的隔绝后，最外层筒体的温度不会高于100℃，不影响外层筒体的热强度，而且热损失很小，外筒采用高压压力容器，蓄热器水平放置；燃烧器安装在蓄热器前端，尾部与蓄热器的前端通过法兰连接，其有三个接口，分别是液化石油气、风机空气以及高压空气的入口，燃烧器内放置旋流器来组织气流，点火器通过液化石油气入口插入到旋流器后的合适位置；旋风分离器安装在蓄热器出口，垂直放置，具有切向进气口和锥底筒身的结构，分离器材料为不锈钢，其进出口以及筒体都采用水冷结构，保证高温下分离器的强度。