CN111412650B - 一种大流量纯净空气加热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大流量纯净空气加热器，包括加热芯体、感应线圈、隔热壳体、外壳体、冷却水系统，所述加热芯体设置于所述大流量纯净空气加热器的中间位置，所述加热芯体外部包裹所述隔热壳体，所述隔热壳体外部缠绕所述感应线圈，所述感应线圈内部连接所述冷却水系统，所述加热芯体、所述感应线圈、所述隔热壳体以及所述冷却水系统放置于所述外壳体内。本发明的大流量纯净空气加热器能够大大降低高温大流量的纯净空气的生产成本，提高试验效率。
Description
技术领域
本发明属于空气加热技术领域，尤其涉及一种大流量纯净空气加热器。
背景技术
目前许多场合都需要用到高温大流量的纯净空气，比如高超声速风洞的研制、飞行器模拟试验、发动机燃烧室模拟试验等。在高超声速风洞的试验段马赫数范围约为5～14，由于空气进入喷管加速膨胀，气流的温度迅速下降，在试验段内会发生凝结，形成气液两相流，这是风洞试验不允许的，因此为了延迟或消除凝结，可以通过空气加热器提高稳定段的空气温度。在发动机燃烧室的模拟试验中，也需要用到高温大流量空气来模拟真实的燃烧室环境。
目前传统的大流量气体加热技术主要有电弧加热、燃烧加热、电阻加热等。电弧加热器通过高压直流电弧的辐射、传导和对流综合传热的能量添加来产生高温气流，加热能力可达到3000K以上，但存在NOx、电极污染和流动不均匀性等问题。燃烧加热器将空气、氧气和燃料(氢或碳氢燃料)的高温燃烧产物作为风洞试验气体，最高可以提供马赫数20左右的模拟能力，但伴随产生相当比例的水蒸气、CO2及一些非平衡污染组分。电阻加热器通过大功率电阻元件的发热来加热气流，可以产生纯净试验空气，但常规材料难以模拟马赫数5以上的条件，而且加热温度低(不高于1100K)，反复升温易导致电阻丝脆断，降低使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种大流量纯净空气加热器，解决现有空气加热技术效率低、温度低、易对纯净空气造成污染等问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种大流量纯净空气加热器，包括加热芯体、感应线圈、隔热壳体、外壳体、冷却水系统，所述加热芯体设置于所述大流量纯净空气加热器的中间位置，所述加热芯体外部包裹所述隔热壳体，所述隔热壳体外部缠绕所述感应线圈，所述感应线圈内部连接所述冷却水系统，所述加热芯体、所述感应线圈、所述隔热壳体以及所述冷却水系统放置于所述外壳体内。
优选地，所述加热芯体内部设置有空气流道，待加热的空气通过所述空气流道流过所述加热芯体。
优选地，所述感应线圈为中空结构。
优选地，所述中空结构的内部流过来自所述冷却水系统的冷却水。
优选地，所述加热芯体为感磁性材料。
优选地，所述加热芯体为高温合金材料。
优选地，所述外壳体为非感磁性材料。
优选地，所述隔热壳体为耐高温隔热材料。
优选地，所述感应线圈与变频电源连接。
优选地，所述冷却水系统分两路，一路流经所述变频电源，一路进入所述感应线圈。
本发明实施例的大流量纯净空气加热器能够大大降低高温大流量的纯净空气的生产成本，提高试验效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本发明实施例的大流量纯净空气加热器的结构示意图。
图2是图1中的加热芯体的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例提供了一种大流量纯净空气加热器，图1为本发明实施例的大流量纯净空气加热器的结构示意图。如图1所示，本发明实施例的大流量纯净空气加热器包括加热芯体11、隔热壳体12、感应线圈13、外壳体14、冷却水系统15，所述加热芯体11设置于本实施例的大流量纯净空气加热器的中间位置，所述加热芯体11外部包裹隔热壳体12，所述隔热壳体12外部缠绕感应线圈13，所述感应线圈13内部连接冷却水系统14，所述加热芯体11、所述感应线圈13、所述隔热壳体12以及所述冷却水系统15放置于所述外壳体14内。
本实施例的大流量纯净空气加热器采用电磁感应方式进行加热。感应加热技术具有加热效率高、无污染、节能、易于实现自动调节与控制等特点，可以很好地弥补传统加热方式的不足，适应高温大流量的纯净空气的生产需求。
感应线圈13与变频电源连接，工作时，来自变频电源的交变电流通入感应线圈13内。本实施例的大流量纯净空气加热器的基本原理是利用通入感应线圈13内的交变电流与加热芯体11产生感应加热效应，使加热芯体11温度升高到一定程度，然后利用高温的加热芯体11对来自气源的、经由图1中的气流入口流入的空气进行加热。通过电磁感应使加热芯体11加热到高温，使空气与高温加热芯体11之间进行有效换热，以达到加热空气的目的。
图2是图1中的加热芯体的结构示意图。如图1和图2所示，加热芯体11内部开设有空气流道，待加热的空气通过所述空气流道流过加热芯体11，所述空气流道中包括多个混流区。加热芯体11包括但不限于圆形结构。加热芯体11的结构不限于此，可以根据需要进行改变。
优选地，加热芯体11选用感磁性材料，隔热壳体12选用耐高温隔热材料，如氧化锆等，主要起保温和隔热作用。感应线圈13选用导电性好的材料，内部为中空结构，通入来自冷却水系统14的循环冷却水，防止过热。感应线圈13的线圈截面形状包括但不限于方形和圆形。感应线圈13的形状不限于此，可以根据需要进行改变。感应线圈13的表面喷涂绝缘层。外壳体14为非感磁性材料，从而不被感应线圈13感应加热。加热芯体11通过使用高温合金等芯体材料，包括但不限于二硅化钼、耐热不锈钢材料2520、高温合金材料GH3030等，可以将空气温度最高加热到1700K以上。冷却水系统14与冷却水泵连接，来自冷却水系统14的冷却水可以分两路，一路流经变频电源，一路进入感应线圈13的中空结构，实现水冷功能。
工作时，在感应线圈13内通交变电流，加热芯体11内部会由于电磁感应产生涡流，温度迅速升高，然后再通入空气，通过加热芯体11对空气进行加热。该过程将电能迅速转化为热能，预热时间相比传统电阻加热缩短2/3，热效率高达95％以上。
进行空气加热时，首先打开冷却水泵，然后开启变频电源，将电源的输出功率、电流频率调至设定值，读取加热芯体11的温度，等芯体温度达到设定温度后打开气源，调整空气流量到设定值，以出口气流温度为控制点，闭环控制调节加热功率和电流频率。停止加热时，首先关闭变频电源，然后关闭气源，冷却水泵继续运行，待加热器降温后再关闭冷却水泵。
本实施例的大流量纯净空气加热器具有以下有益效果：
1)整个加热过程不会产生污染，保证产生的高温空气的洁净；
2)加热速率高，热效率高，节能的同时也提高了工作效率；
3)加热温度比普通电阻式加热更高，可以将空气温度最高加热到1700K以上；
4)线圈设计为中空，表面涂绝缘层，中间通冷却水，水电一体，不用单独设计水路和电路，简化了结构，节省了空间。
本实施例的大流量纯净空气加热器解决了现有空气加热技术效率低、温度低、易对纯净空气造成污染等问题，可以为高超声速风洞技术、飞行器试验、发动机试验等航空航天领域的研究提供可靠的技术保障，大大降低高温大流量的纯净空气的生产成本，提高了试验效率。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (8)
1.一种大流量纯净空气加热器，其特征在于，包括加热芯体、感应线圈、隔热壳体、外壳体、冷却水系统，所述加热芯体设置于所述大流量纯净空气加热器的中间位置，所述加热芯体外部包裹所述隔热壳体，所述隔热壳体外部缠绕所述感应线圈，所述感应线圈内部连接所述冷却水系统，所述加热芯体、所述感应线圈、所述隔热壳体以及所述冷却水系统放置于所述外壳体内;
所述感应线圈与变频电源连接;
所述冷却水系统分两路，一路流经所述变频电源，一路进入所述感应线圈。
2.根据权利要求1所述的大流量纯净空气加热器，其特征在于，所述加热芯体内部设置有空气流道，待加热的空气通过所述空气流道流过所述加热芯体。
3.根据权利要求1或2所述的大流量纯净空气加热器，其特征在于，所述感应线圈为中空结构。
4.根据权利要求3所述的大流量纯净空气加热器，其特征在于，所述中空结构的内部流过来自所述冷却水系统的冷却水。
5.根据权利要求1或2所述的大流量纯净空气加热器，其特征在于，所述加热芯体为感磁性材料。
6.根据权利要求1或2所述的大流量纯净空气加热器，其特征在于，所述加热芯体为高温合金材料。
7.根据权利要求1或2所述的大流量纯净空气加热器，其特征在于，所述外壳体为非感磁性材料。
8.根据权利要求1或2所述的大流量纯净空气加热器，其特征在于，所述隔热壳体为耐高温隔热材料。
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