一種用於主動冷卻實驗的輻射加熱系統的製作方法

2023-05-27 02:12:46 2

一種用於主動冷卻實驗的輻射加熱系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開一種用於主動冷卻實驗的輻射加熱系統，包括：輻射加熱裝置、電源供電模塊、燃料預熱輸運裝置和熱燃料收集裝置，其中，輻射加熱裝置採用紅外輻射的方式對冷卻面板進行加熱，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；燃料預熱輸運裝置與碳氫燃料的進口管道相連，為冷卻面板輸送碳氫燃料；熱燃料收集裝置與碳氫燃料的出口管道相連，對從冷卻面板流出的高溫碳氫燃料進行冷卻。本發明能夠對最大尺寸為1000mm?x40mm的冷卻面板的下表面提供長大於1000mm，寬大於40mm，且熱流密度高於1Mw/m2的均勻輻射加熱區，且在此輻射熱流條件下可長時間持續工作。
【專利說明】一種用於主動冷卻實驗的輻射加熱系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及超燃衝壓發動機實驗領域，特別涉及一種用於主動冷卻實驗的輻射加熱系統。
【背景技術】
[0002]超聲速飛行過程中，在高馬赫數下飛行器外表面的溫度將超出許多常用輕質材料的許用溫度，再加上燃燒室內有氧氣和強氣流衝刷的環境，常規的結構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境，主動冷卻技術被提出用以解決超燃衝壓發動機的熱防護問題，即利用機載燃料流過開在燃燒室壁板內的冷卻通道冷卻燃燒室壁面，然後再將其噴注到燃燒室內燃燒。超燃發動機以液態碳氫化合物作為燃料，如煤油。煤油經冷卻通道流動吸熱至超臨界態，進入燃燒室後將直接氣化。若煤油被加熱至超過裂解溫度，煤油開始裂解產生小分子烴，不僅能夠有效促進燃燒，而且能夠提高煤油熱沉，從而使得發動機的運行性能得到顯著優化。因此，研究主動冷卻系統，需從實驗方面探索碳氫燃料在冷卻通道中的流動與傳熱特性。
[0004]能夠模擬超燃衝壓發動機真實熱環境的典型實驗設備有直聯式超燃實驗臺和高溫射流風洞，但這些大設備難以對熱環境參數精確控制，運行成本高昂也不利於反覆多次進行實驗。一些能夠精確控制熱流條件的實驗裝置多以金屬圓管模擬冷卻通道，並通電加熱的方式。這種方式圓管四周熱流分布均勻，與實際超燃衝壓發動機冷卻面板為單側加載熱流的情況截然不同，因此無法模擬超燃衝壓發動機真實熱環境。

【發明內容】

[0005]本發明要解決的技術問題就是克服現有技術的缺陷，提出一種用於主動冷卻實驗的輻射加熱系統，為主動冷卻實驗中離線測試主動冷卻面板中的碳氫燃料在熱流單側加載條件下的物性、流動與換熱特性提供了實驗平臺。
[0006]為了解決上述問題，本發明提供一種於主動冷卻實驗的輻射加熱系統，包括:輻射加熱裝置、電源供電模塊、燃料預熱輸運裝置和熱燃料收集裝置，其中，
[0007]所述輻射加熱裝置採用紅外輻射的方式對冷卻面板進行加熱，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構，位於所述冷卻面板下部，並且所述輻射加熱元件的長度和寬度均大於所述冷卻面板的長度和寬度，所述輻射加熱元件用於對所述冷卻面板下表面提供單側均勻加熱；所述電極組件位於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於所述保溫隔熱組件的凹槽內；所述輻射加熱元件和保溫隔熱組件位於所述箱體內部，所述電極組件位於所述箱體的兩端，所述箱體上設置有碳氫燃料的進口管道和出口管道；所述燃料預熱輸運裝置與所述碳氫燃料的進口管道相連，為所述冷卻面板輸送碳氫燃料；熱燃料收集裝置與所述碳氫燃料的出口管道相連，對從冷卻面板流出的高溫碳氫燃料進行冷卻。
[0008]優選地，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，所述螺旋管道位於所述熱燃料收集水箱中，高溫碳氫燃料流入所述螺旋管道，被水冷卻，之後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，水再重新流回熱燃料收集水箱。
[0009]優選地，所述系統還包括水冷模塊，所述水冷模塊分三條循環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水冷卻後輸入至所述水箱。
[0010]優選地，所述系統還包括參數測量設備，所述參數測量設備包括相連的傳感器和數據採集測量裝置，所述傳感器位於所述箱體內，在主動冷卻實驗中測量實驗參數；所述數據採集測量裝置用於採集所述傳感器得到的實驗參數，並進行數據分析。
[0011]優選地，所述傳感器位於所述冷卻面板上，包括熱電偶和壓力傳感器；
[0012]所述數據採集測量裝置包括數據採集模塊、數據採集卡和計算機，所述採集模塊採集並顯示所述傳感器得到的實驗參數，轉換成O?IOV的電壓信號，輸入至數據採集卡；所述數據採集卡將所述電壓信號輸入至計算機，計算機對所述實驗參數進行數據分析。
[0013]優選地，所述系統還包括抽真空模塊，所述抽真空模塊與箱體相連，包括真空泵，用於為主動冷卻實驗中輻射加熱裝置的箱體抽真空，防止箱體內部元件在高溫下被氧化。
[0014]優選地，所述系統還包括充氮氣模塊，所述充氮氣模塊與箱體相連，包括氮氣瓶，用於為主動冷卻實驗中輻射加熱裝置的箱體充氮氣。
[0015]優選地，所述電極組件有兩組，分別位於所述輻射加熱元件兩端，均包括導線、黃銅電極和石墨電極，其中，所述導線一端與黃銅電極相連，另一端與供電設備相連；所述黃銅電極通過石墨電極連接至輻射加熱元件兩端。
[0016]優選地，所述黃銅電極為雙層圓筒狀結構，夾層內設有水冷卻槽道，用於電極冷卻；所述黃銅電極圓筒內表面為細牙螺紋結構；所述石墨電極的材料為等靜壓石墨，為圓筒狀結構，其外表面為細牙螺紋結構，與所述黃銅電極的內螺紋連接配合，保證二者接觸面積大且緊密；所述石墨電極的內表面為具有1°錐角的曲面；所述輻射加熱元件的兩端相應地為1°錐角的圓臺結構，所述圓臺結構位於所述石墨電極中。
[0017]優選地，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，所述隔熱屏位於內層，採用石墨氈材料；所述隔熱層位於外層，採用高矽氧布纖維材料。
[0018]本發明為離線測試主動冷卻面板中碳氫燃料在熱流單側加載條件下的物性、流動與換熱特性，提供模擬超燃衝壓發動機真實熱環境的高熱流和單側加載條件。本發明的輻射加熱系統能夠對最大尺寸為1000mm x40mm的冷卻面板的下表面提供長大於1000mm,寬大於40mm，且熱流密度高於lMw/m2的均勻輻射加熱區，且在此輻射熱流條件下可長時間持
續工作。【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發明實施例的輻射加熱系統的結構示意圖；
[0020]圖2為本發明實施例的水冷模塊結構示意圖；
[0021]圖3為本發明實施例的輻射加熱裝置的電極組件安裝結構示意圖；
[0022]圖4為本發明實施例的U形保溫隔熱組件的剖面視圖；
[0023]圖5為本發明實施例的抽真空模塊的結構示意圖；
[0024]圖6為本發明實施例的熱燃料收集裝置示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下文中將結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明。需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互任意組合。
[0026]本發明實施例的用於主動冷卻實驗的輻射加熱系統，包括:輻射加熱裝置、電源供電模塊、燃料預熱輸運裝置和熱燃料收集裝置，其中，所述輻射加熱裝置採用紅外輻射的方式對冷卻面板進行加熱，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構，位於所述冷卻面板下部，並且所述輻射加熱元件的長度和寬度均大於所述冷卻面板的長度和寬度，所述輻射加熱元件用於對所述冷卻面板下表面提供單側均勻加熱；所述電極組件位於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於所述保溫隔熱組件的凹槽內；所述輻射加熱元件和保溫隔熱組件位於所述箱體內部，所述電極組件位於所述箱體的兩端，所述箱體上設置有碳氫燃料的進口管道和出口管道；所述燃料預熱輸運裝置與所述碳氫燃料的進口管道相連，為所述冷卻面板輸送碳氫燃料；熱燃料收集裝置與所述碳氫燃料的出口管道相連，對從冷卻面板流出的高溫碳氫燃料進行冷卻。
[0027]燃料預熱輸運裝置由燃料預熱和燃料流動控制兩部分組成。進一步，燃料預熱部分將燃料加熱至主動冷卻實驗所需溫度。流動控制部分控制燃料從燃料預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，輻射加熱系統還可包括水冷模塊、抽真空模塊、充氮氣模塊以及參數測量設備。
[0030]水冷模塊分三條循環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水冷卻後輸入至所述水箱。
[0031]抽真空模塊與箱體相連，包括真空泵，用於為主動冷卻實驗中輻射加熱裝置的箱體抽真空，防止箱體內部元件在高溫下被氧化。
[0032]充氮氣模塊，所述充氮氣模塊與箱體相連，包括氮氣瓶，用於為主動冷卻實驗中輻射加熱裝置的箱體充氮氣。
[0033]參數測量設備包括相連的傳感器和數據採集測量裝置，所述傳感器位於所述箱體內，在主動冷卻實驗中測量實驗參數；所述數據採集測量裝置用於採集所述傳感器得到的實驗參數，並進行數據分析。[0034]本發明實施例的用於主動冷卻實驗的輻射加熱系統，其系統結構示意圖如圖1所示。該輻射加熱系統採用紅外輻射的方式對冷卻面板I (也稱為主動冷卻面板)進行高熱流長時間單側加熱。由於冷卻面板I為板狀結構，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為板狀結構，冷卻面板I位於輻射加熱元件2上方中央區域，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的輻射角係數越大。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，則對於發射率為I的黑體來說，該熱流密度對應的表面溫度約為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，導線5連接至電源供電模塊6的正負極，從而形成通電迴路。導線5為紫銅板導線，具有純度高、導電性能好的特點，通過增大紫銅板導線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%。本實施例中黃銅電極4採用水冷黃銅電極。紫銅板導線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，可採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2兩端設計的圓臺結構與石墨電極3內與圓臺相同錐角的曲面結構在通電加熱的情況下熱膨脹變形導致相互擠壓實現。水冷黃銅電極4加工為雙層圓筒狀結構，內設20根冷卻槽道如85，每根槽道直徑Φ2πιπι。黃銅電極4上的進口冷卻水管8、10和出口冷卻水管7和9的管徑為Φ IOmm,材料為不鏽鋼管。
[0037]進水方向，進口冷卻水管道8、10通過不鏽鋼管12和14與水冷模塊15相連，其上設置手動閥80、82和流量計77、79，分別用來控制通斷此冷卻水路和監測冷卻水流量。回水方向，出口冷卻水管道7、9通過不鏽鋼管11、13與水冷模塊15相連，其上設置熱電偶71、73和壓力表72、74，用來監測此路冷卻水的出口水溫、水壓，從而在主動冷卻實驗加熱過程中實現電極冷卻。
[0038]水冷模塊15組成結構示意圖如圖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迴路。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]電極組件結構示意圖如圖3所示。水冷黃銅電極4圓筒內表面加工為細牙螺紋。石墨電極3的材料為強度好、發熱率低的等靜壓石墨，同樣將其加工為圓筒狀結構，外表面加工為細牙螺紋結構，與黃銅電極4的內螺紋連接配合，保證二者接觸面積大且緊密。同時，石墨電極3內表面設計為1°錐角的曲面。石墨加熱板2兩端相應設計為1°錐角的圓臺結構204。安裝時,將石墨加熱板2的兩端分別插入石墨電極3當中。當石墨加熱板2升溫時沿軸向發生熱膨脹，石墨加熱板2兩端圓臺204與石墨電極3內表面相互擠壓，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°錐角的內表面沿軸線方向的長度應長於圓臺的長度，為石墨加熱板2軸向變形留出伸長空間。經查表可知:高純石墨在20~100°C溫度範圍內，沿軸線(即平行於擠壓層)方向的熱膨脹係數為aQ=1.97X10-7°C，溫度達到2000°C左右時，此熱膨脹係數還需在20~100°C區間測定的熱膨脹係數基礎上加一個附加係數α δ=2.12X10_6/°C，因此可得高純石墨在2000°C左右時熱膨脹係數為a 2000=4- 09 X 10_6/°C，如令石墨加熱板2長度L=1300mm，升溫範圍從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(即圓臺側面積)設計為石墨加熱板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生的應力。為了防止出現稜角造成應力集中，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]由於輻射加熱元件2為石墨板狀結構，且只有上表面對冷卻面板I單側加載輻射熱流，而另外他三個表面均為非有效輻射表面，需儘可能的減小其輻射損失。因此，該加熱裝置的設計有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視圖，內層為U形隔熱屏16，選用熱導率小、耐熱衝擊性能好、易於加工的石墨氈材料製成。外層為U形隔熱層17，由導熱係數低的高矽氧布纖維組成。U形隔熱屏16內層與石墨加熱板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與高矽氧布隔熱層17相互接觸，因此二者之間通過熱傳導的方式換熱。石墨加熱板2對冷卻面板I進行單側加熱時，石墨加熱板2的非有效工作表面與U形隔熱屏16最內層各表面之間開始進行輻射換熱，當達到輻射換熱平衡時，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進出碳氫燃料的管道5`1、52進行輻射，造成對設備損壞或影響實驗測量結果，在加熱板2兩端沿上表面法線方向由內向外依次用隔熱屏18和隔熱層19將其遮擋，並且利用石墨擋板20將該隔熱屏18和隔熱層19與工作區之間隔開。
[0042]由於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採用強度高的圓筒狀結構，選用可焊性好、加工性能好、機械強度高的不鏽鋼板作為箱體外殼材料。因此，輻射加熱裝置的箱體21，由鋼板捲筒後焊接而成，內表面分布有冷卻管道22，箱體底部外殼上設置冷卻水進口管道23和冷卻水出口管道24的管徑為Φ20πιπι，可採用Φ26Χ3的不鏽鋼管與箱體焊接密封。進水方向，進口冷卻水管道通過不鏽鋼管83與水冷模塊15相連，其上設置手動閥81和流量計78，分別用來控制通斷此冷卻水路和監測冷卻水流量。回水方向，出口冷卻水管道通過不鏽鋼管84與冷卻模塊15相連，其上設置熱電偶75和壓力表76，用來監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局部過熱或燒壞等現象。箱體兩端採用法蘭結構25和26與電極組件相連，並採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，在箱體左側法蘭31上設有抽真空管道接口 32，該管道接口 32採用紫銅管為材料，與法蘭31之間採用焊接密封，抽真空管道接口 32通過紫銅管道33連至抽真空模塊34。
[0043]抽真空模塊的結構示意圖如圖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。主動冷卻實驗過程中，通過真空壓力表68，可監測輻射加熱裝置的箱體21內部的壓力變化。
[0044]在箱體21內充入一定壓力的氮氣，可以防止箱體內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，延長其使用壽命。因此在箱體右側端面的法蘭上35設置氮氣管道接口 36，該接口 36為紫銅管，與法蘭35連接處採用焊接的方式密封。氮氣管道接口 36通過紫銅管41與氮氣瓶37連接，氮氣瓶37與氮氣管道接口之間設置減壓閥38、手動閥39和單向閥40，分別用於調壓、關斷和防止實驗時由於負壓導致氮氣倒灌至氮氣瓶37中。在箱體21底部設有單向閥65、溢流閥66和手動放氣閥67，當輻射加熱裝置內部過高(即已經超過某個預設最高壓力時)，溢流閥66起到卸荷保護的作用，同時也可以通過手動閥67排放輻射加熱裝置內部氣體從而起到卸荷的作用。單向閥65則防止箱內為負壓時，誤開手動閥而導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之間採用法蘭43連接，矽橡膠密封44。頂蓋42上設有液態碳氫燃料的進口管道47和出口管道48，均採用不鏽鋼管與頂蓋42外部焊接密封連接。箱體外側碳氫燃料進口管道47和出口管道48分別通過不鏽鋼管51和52與燃料預熱輸運裝置49和熱燃料收集裝置50連接，而頂蓋內側則採用一條不鏽鋼直管51將頂蓋42上的內側碳氫燃料進口管道47與冷卻面板I上的碳氫燃料進口 53連接。採用另一條不鏽鋼直管52將頂蓋上的內側碳氫燃料出口管道48與冷卻面板上的碳氫燃料出口 54連接。主動冷卻實驗時，燃料從燃料預熱輸運裝置49流出進入被單側加熱的冷卻面板1，再從面板另一端出口 54流出，進而流入熱燃料收集裝置50，形成燃料流動迴路。關於燃料預熱輸運裝置的詳細內容參見專利《用於超聲速燃燒試驗臺的煤油加熱系統》。
[0046]熱燃料收集裝置結構示意圖如圖6所示。熱燃料收集裝置對從冷卻面板I流出的高溫燃料進行迅速冷卻，然後進行收集。熱燃料收集裝置主要由螺旋管道603 (本實施例中，採用不鏽鋼製成)、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出口流出後，流經熱燃料收集水箱602中的不鏽鋼螺旋管道603時，與熱燃料收集水箱602中的水發生熱交換，從而被冷卻，之後流入熱燃料收集槽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，之後重新流回熱燃料收集水箱602，形成冷卻水循環，保持水箱內較低的水溫。
[0047]為了進一步測試在高熱流單側加載條件下冷卻面板I內碳氫燃料的流動換熱特性，需要在實驗過程中直接測量冷卻面板I進口 53、出口 54處碳氫燃料的溫度、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。故在頂蓋42上安裝排線插座55。箱體內部管腳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與數據採集測量裝置62相連，記錄實驗數據。參數測量設備包括傳感器、數據採集模塊(智能儀表)、數據採集卡和計算機。數據採集模塊採集並顯示從熱電偶、壓力傳感器獲取的冷卻面板溫度、壓力信號，之後再變送成0-10V的電壓信號輸入給數據採集卡。[0048]輻射加熱裝置通過紅外測溫儀進行反饋控溫。紅外測溫儀通過輻射加熱裝置箱體側面的觀察窗來測量石墨加熱板側表面水平中心位置的實時溫度，其測溫範圍為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測溫度與目標溫度進行比較，來控制電源提供的加熱電壓大小。
[0049]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種用於主動冷卻實驗的輻射加熱系統，其特徵在於，包括:輻射加熱裝置、電源供電模塊、燃料預熱輸運裝置和熱燃料收集裝置，其中， 所述輻射加熱裝置採用紅外輻射的方式對冷卻面板進行加熱，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構，位於所述冷卻面板下部，並且所述輻射加熱元件的長度和寬度均大於所述冷卻面板的長度和寬度，所述輻射加熱元件用於對所述冷卻面板下表面提供單側均勻加熱；所述電極組件位於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於所述保溫隔熱組件的凹槽內；所述輻射加熱元件和保溫隔熱組件位於所述箱體內部，所述電極組件位於所述箱體的兩端，所述箱體上設置有碳氫燃料的進口管道和出口管道；所述燃料預熱輸運裝置與所述碳氫燃料的進口管道相連，為所述冷卻面板輸送碳氫燃料；熱燃料收集裝置與所述碳氫燃料的出口管道相連，對從冷卻面板流出的高溫碳氫燃料進行冷卻。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於， 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，所述螺旋管道位於所述熱燃料收集水箱中，高溫碳氫燃料流入所述螺旋管道，被水冷卻，之後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，水再重新流回熱燃料收集水箱。
3.如權利要求1所述的系統，其特徵在於， 所述系統還包括水冷模塊，所述水冷模塊分三條循環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水冷卻後輸入至所述水箱。`
4.如權利要求1所述的系統，其特徵在於， 所述系統還包括參數測量設備，所述參數測量設備包括相連的傳感器和數據採集測量裝置，所述傳感器位於所述箱體內，在主動冷卻實驗中測量實驗參數；所述數據採集測量裝置用於採集所述傳感器得到的實驗參數，並進行數據分析。
5.如權利要求4所述的系統，其特徵在於， 所述傳感器位於所述冷卻面板上，包括熱電偶和壓力傳感器； 所述數據採集測量裝置包括數據採集模塊、數據採集卡和計算機，所述採集模塊採集並顯示所述傳感器得到的實驗參數，轉換成O~IOV的電壓信號，輸入至數據採集卡；所述數據採集卡將所述電壓信號輸入至計算機，計算機對所述實驗參數進行數據分析。
6.如權利要求1所述的系統，其特徵在於， 所述系統還包括抽真空模塊，所述抽真空模塊與箱體相連，包括真空泵，用於為主動冷卻實驗中輻射加熱裝置的箱體抽真空，防止箱體內部元件在高溫下被氧化。
7.如權利要求1~6中任意一項所述的系統，其特徵在於， 所述系統還包括充氮氣模塊，所述充氮氣模塊與箱體相連，包括氮氣瓶，用於為主動冷卻實驗中輻射加熱裝置的箱體充氮氣。
8.如權利要求1所述的系統，其特徵在於， 所述電極組件有兩組，分別位於所述輻射加熱元件兩端，均包括導線、黃銅電極和石墨電極，其中，所述導線一端與黃銅電極相連，另一端與供電設備相連；所述黃銅電極通過石墨電極連接至輻射加熱元件兩端。
9.如權利要求8所述的系統，其特徵在於， 所述黃銅電極為雙層圓筒狀結構，夾層內設有水冷卻槽道，用於電極冷卻；所述黃銅電極圓筒內表面為細牙螺紋結構；所述石墨電極的材料為等靜壓石墨，為圓筒狀結構，其外表面為細牙螺紋結構，與所述黃銅電極的內螺紋連接配合，保證二者接觸面積大且緊密；所述石墨電極的內表面為具有1°錐角的曲面；所述輻射加熱元件的兩端相應地為1°錐角的圓臺結構，所述圓臺結構位於所述石墨電極中。
10.如權利要求1~9中任意一項所述的系統，其特徵在於， 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，所述隔熱屏位於內層，採用石墨氈材料 ；所述隔熱層位於外層，採用高矽氧布纖維材料。
【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 優先權日:2013年9月16日
【發明者】袁越明, 李龍, 程迪, 陸陽, 盧錫年, 範學軍 申請人:中國科學院力學研究所