ИНФРАКРАСНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ БЛОК Российский патент 2015 года по МПК H05B3/24 

Изобретение может быть использовано для теплопрочностных статических испытаний конструкций летательных аппаратов и относится к экспериментальной технике, в частности к инфракрасным нагревательным средствам.

При теплопрочностных испытаниях в определенных условиях требуется нагревание конструкций до Т=1800-1900 K со скоростью до 50 K/с в вакуумной камере при низком (менее 10 Па) давлении воздуха или в камере, заполненной азотом. Для такого нагревания требуется лучистый поток с плотностью до 500 кВт/м².

Создание инфракрасных нагревательных блоков, сборка из которых обеспечивает нагревание конструкций с упомянутой выше скоростью и до упомянутых температур, невозможно без высокотемпературных излучателей и экрана, предотвращающего рассеивание испускаемой излучателями лучистой энергии.

Таким образом, именно от успешного создания излучателей и экрана зависит успешность применения высокотемпературных инфракрасных нагревательных блоков для теплопрочностных испытаний гиперзвуковых летательных аппаратов.

Известен инфракрасный нагреватель с кварцевыми лампами, расположенными в образованном кварцевым стеклом и алюминиевым рефлектором канале, по которому протекает охлаждающий колбы ламп воздух, а рефлектор охлаждается водой, протекающей по сделанным внутри него каналам (High Density Radiant Heater. Model 5208. General catalog фирмы Research, USA).

Его недостатками являются:

1) Большая сложность изготовления и высокая стоимость.

2) Большие расходы воздуха (400 г/м²с).

3) Необходимость водяного охлаждения.

4) Сложность монтажа и эксплуатации из-за множества трубопроводов, соединения которых, как и сами нагревательные блоки, должны обладать при испытаниях в вакуумной камере высокой герметичностью.

5) Недостаточно высокая максимальная температура объекта нагревания. Она равна 1750 K при медленном нагревании теплоизоляции (малая плотность лучистого потока) и только 1500 K при быстром нагревании теплоемкой конструкции.

За прототип выбран инфракрасный нагревательный блок ГК-211-8 (Баранов А.Н., Ходжаев Ю.Д. Высокотемпературные инфракрасные нагреватели. Труды ЦАГИ, 1995, вып. 2587), содержащий сварной каркас, на котором укреплены через электроизоляторы токоподводы и пластинчатые графитовые излучатели, а также экран из шамотной волокнистой плиты ШВП-350.

Недостатками известного нагревателя являются:

1) Резьбовые соединения графитовых тел накала с графитовыми токоподводами излучателей, которые, обладая повышенным электросопротивлением, перегреваются и быстро выходят из строя, резко уменьшая ресурс нагревателя.

2) Быстрое нагревание керамического экрана приводит к большим градиентам температуры у его облучаемой поверхности, как следствие, к растрескиванию поверхностного слоя, вызываемому температурными напряжениями.

3) Шамотная волокнистая плита ШВП-350 не рассчитана на длительную работу при температуре выше 1500 K и даже при кратковременной работе (менее одного часа) не выдерживает без разрушения более 1650 K даже при медленном нагревании.

Задачей и техническим результатом настоящего изобретения является создание инфракрасного нагревательного блока, позволяющего повысить максимальную температуру нагреваемой конструкции до 1900 K при увеличении плотности падающего на нее лучистого потока, необходимого для быстрого нагревания объекта испытаний до 500 кВт/м².

Решение поставленной задачи и технический результат достигается тем, что в инфракрасном нагревательном блоке, содержащем каркас, инфракрасные излучатели с телом накала и токоподводами, и теплоизоляционный экран, инфракрасные излучатели выполнены цельными из композиционного материала углерод-углерод в виде П-образной пластины, токоподводы перпендикулярны телу накала и пропущены через отверстия в экране, причем их толщина больше тела накала в 4-5 раз. Экран изготовлен из высокотемпературной волокнистой теплоизоляционной плиты и разделен на отдельные квадратные плитки несквозными пазами, а на облучаемую поверхность экрана нанесено покрытие из материла с отражательной способностью не ниже 0,2-0,3.

На фигуре 1 представлен общий вид излучателя.

На фигуре 2 представлен общий вид нагревательного блока.

На фигуре 3 показана схема экрана нагревательного блока.

Инфракрасные излучатели (фигура 1), состоящие из выполненных цельными тела накала 1 и токоподводящих концов 2, в инфракрасном блоке (фигура 2) подключены параллельно к токоподводящим шинам 3, укрепленным через электроизоляторы 4 на каркасе блока 5. Каркас выполнен в виде плиты из нержавеющей стали. К каркасу в центральной части приварен кронштейн 6, через который инфракрасный блок может крепиться на раме любого сборного нагревателя. Экран 7 изготовлен из волокнистой теплоизоляционной плиты "Ultra Board" и прикреплен к основанию каркаса при помощи пластинки 8 и винта 9. Последние защищены от нагрева теплозащитной шайбой 10, которая приклеивается к экрану 7 высокотемпературным клеем. Экран 7 разрезан на отдельные квадратные плитки несквозными пазами 12 (фиг.3). На поверхностях шайбы и экрана, обращенных к излучателям, нанесено покрытие 11 с отражательной способностью не ниже 0,2-0,3 (например, двуокись циркония).

Инфракрасный нагревательный блок работает следующим образом:

Электрический ток, поступающий от системы электропитания нагревательной установки, нагревает тела накала 1 излучателей (фигура 2), которые испускают лучистый поток, падающий на объект испытаний и экран 7 блока. Поверхность последнего, имеющая покрытие 11 с высокой отражающей способностью, отражает большую часть падающего на нее лучистого потока, но и сама быстро нагревается, излучая поток значительной плотности. Оба потока: (отраженный и излучаемый экраном), падают на тела накала и, проходя между ними, - на объект. Вблизи нагреваемой поверхности экрана, материал которого обладает очень низкой теплопроводностью, возникают большие градиенты температуры. Уменьшить температурные напряжения, возникающие при этом в экране, позволяют сделанные в нем несквозные продольно-поперечные пазы 12 глубиной 4-5 мм (фигура 3).

Излучатели (фигуры 1, 2) выполнены цельными, что позволяет избежать выделение тепла в соединениях, которые обладают обычно значительным электросопротивлением и перегреваются. Установка концевых частей излучателя (токоподводящих концов 2) перпендикулярно телу накала 1 позволяет вывести места соединения излучателей с токоподводами за пределы зоны лучистых потоков большой плотности, упрощая подключение блока к электропитанию.

Регулируя напряжение, подаваемое на блок, и, соответственно, силу тока в его излучателях, можно изменять температуру их тел накала и плотность лучистого потока, падающего на объект, таким образом, чтобы регулировать температуру его поверхности в соответствии с заданной зависимостью ее от времени.

Тепловые расчеты нагревательного блока показали, что при выполнении программы нагревания испытываемой конструкции до T=1875 K результирующим тепловым потоком с плотностью до 500 кВт/м² и с последующей выдержкой конструкции при T=1870 K, температура горячей поверхности экрана не будет превышать 1900 K, а температура тела накала излучателей - 2500 K, что вполне допустимо при работе блока в вакууме или инертных и нейтральных (азот) средах.

Изобретение может быть использовано для теплопрочностных статических испытаний конструкций летательных аппаратов и относится к экспериментальной технике, в частности к инфракрасным нагревательным средствам. Инфракрасный нагревательный блок содержит каркас, теплоизоляционный экран и инфракрасные излучатели, излучатели выполнены цельными из композиционного материала углерод-углерод в виде П-образной пластины, токоподводящие концы которой перпендикулярны телу накала и пропущены через отверстия в экране, причем их толщина больше тела накала в 4-5 раз. Экран изготовлен из высокотемпературной волокнистой теплоизоляционной плиты и разрезан на отдельные квадратные плитки несквозными пазами, а на облучаемую поверхность экрана может быть нанесено покрытие из материла с отражательной способностью не ниже 0,2-0,3. Изобретение позволит повысить максимальную температуру нагреваемой конструкции до 1900 K при увеличении плотности падающего на нее лучистого потока, необходимого для быстрого нагревания объекта испытаний, до 500 кВт/м². 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Инфракрасный нагревательный блок, содержащий каркас, инфракрасные излучатели с телом накала и токоподводами, и теплоизоляционный экран, отличающийся тем, что инфракрасные излучатели выполнены цельными из углеродного композиционного материала в виде П-образной пластины, токоподводы перпендикулярны телу накала и пропущены через отверстия в экране, причем их толщина больше тела накала в 4-5 раз, а экран изготовлен из высокотемпературной волокнистой теплоизоляционной плиты, поверхностный слой которой разделен на отдельные квадратные плитки несквозными пазами.

2. Инфракрасный нагревательный блок по п.1,отличающийся тем, что на облучаемую поверхность экрана нанесено покрытие из материала с отражающей способностью не ниже 0,2-0,3.