Высокотемпературный модульный инфракрасный нагревательный блок Российский патент 2023 года по МПК G01N25/72 H05B3/22 G01M5/00 

Изобретение относится к экспериментальной технике для тепловых и теплопрочностных испытаний конструкций летательных аппаратов, а так же может применяться при исследовании новых теплозащитных материалов, работающих при температурах свыше 2000 К в вакууме или инертном газе, установки в высокотемпературных печах в качестве нагревательного элемента, в производствах и лабораториях при тестировании свойств новых материалов.

Создание современного летательного аппарата невозможно без стендовых испытаний, подтверждающих работоспособность изделия. Основная задача: заставить испытываемую конструкцию работать во время эксперимента так, как она работает при эксплуатации в опасных для ее прочности условиях. Одна из задач: это создание высокотемпературного инфракрасного нагревательного оборудования для воспроизведения в условиях эксперимента внешних тепловых условий, воздействующих на конструкцию в условиях эксплуатации.

Известен инфракрасный нагревательный блок (патент RU №2539974, МПК H05B3/24, 2019).

Блок состоит из каркаса, теплоизоляционного экрана и инфракрасных излучателей, шин, токоподводов. Каркас выполнен в виде плиты из нержавеющей стали. К каркасу в центральной части приварен кронштейн, через который инфракрасный блок может крепиться на раме любого сборного нагревателя. Инфракрасные излучатели выполнены из композиционного материала углерод-углерод в виде П-образной пластины, представляющей собой тело накала, токоподводящие концы которой перпендикулярны телу накала и пропущены через отверстия в экране. Толщина тела накала в 4-5 раз меньше, чем толщина токоподводящих концов. Установка концевых частей излучателя (токоподводящих концов 2) перпендикулярно телу накала 1 позволяет вывести место соединения излучателей с токоподводами за пределы зоны лучистых потоков большой плотности, упрощая подключение блока к электропитанию. Излучатели в инфракрасном блоке подключены параллельно к токоподводящим шинам, укреплённым через электроизоляторы на каркасе блока. Экран изготовлен из высокотемпературной волокнистой теплоизоляционной плиты “Ultra Board” и прикреплён к основанию каркаса пластинчатой шайбой и винтом. Последние защищены от нагрева теплозащитной шайбой, которая приклеивается к экрану термостойким клеем. На поверхность шайбы и плиты, обращенной к излучателям, нанесено покрытие с хорошей отражательной способностью (например, двуокись циркония). Поверхность экрана разрезана на отдельные квадратные плитки пазами глубиной 4-5 мм, а на облучаемую поверхность экрана также нанесено покрытие из материла с хорошей отражательной способностью.

Известно также «Устройство для тепловых испытаний теплозащитных материалов и образцов теплозащитных покрытий до температур 2000 К» (патент RU № 2705736, МПК G01N25/72, G01N25/58, 2019).

Устройство представляет собой установку, в которой в качестве нагревателя использовался инфракрасный нагревательный блок с излучателями из композитного материала «Углекон-Т». Конструктивно блок представляет собой прямоугольную панель 230 х 215 х 40 мм из термостойкого материала «ULTRA BOARD», служащую экраном нагревателя с четырьмя углеконовыми излучателями, установленными с шагом 57,5мм. Инфракрасный нагревательный блок на максимальном режиме U=50 В потребляет 80 кВт, обеспечивая создание максимального теплового потока с плотностью q=1600 кВт/м² и нагревание образцов до 1600-1700 К.

У аналогов можно назвать следующие недостатки: относительно низкая рабочая температура (не выше 1900 K), защитный экран работает до температуры не выше 2050 K, возможны пробои между элементами нагревателя из-за наличия металлических деталей и снижения электроизолирующих свойств, высокая температура места соединения излучателя с шинами, из-за чего возможно размягчение и оплавления меди при длительных программах нагрева, нарушение надежного электрического контакта с излучателями.

Известен инфракрасный нагревательный блок, принятый за прототип, (патент RU №2722855, МПК G01N25/72, G05M5/0016, H05B3/24, 2020), состоящий из стального каркаса, многослойного теплоизоляционного экрана, компенсаторов температуры, инфракрасных излучателей, изоляторов и токоподводящих шин, применена коллективная защита законцовок излучателей

К недостаткам данного блока следует отнести:

1. Каркас выполнен из стали и при длительной работе достаточно сильно прогревается и деформируется.

2. В месте выхода излучателей из корпуса приходится организовывать достаточно большие зазоры, так как при нагреве возможны пробои и дополнительный нагрев законцовок излучателей и арматуры нагревателя.

3. Достаточно сложная конструкция коллективной защиты законцовок излучателей с помощью неметаллических пластин из нитрида бора.

4. Необходимость применения отдельных изоляторов для крепления шин и токоподводов, что приводит к большому усложнению при монтаже шин и токоподводов.

5. Массивные медные компенсаторы температуры, существенно увеличивающие габариты и вес нагревательного блока (примерно на 35-40%).

Задачей и техническим результатом изобретения настоящего изобретения является создание высокотемпературного модульного инфракрасного нагревательного блока, позволяющего повысить максимальную температуру нагреваемой конструкции (до 2800 К), равномерность распределения плотности лучистого потока.

Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в высокотемпературном инфракрасном модульном нагревательном блоке, содержащем каркас, многослойный теплоизолирующий экран, излучатели, токоподводящие шины, крепежные элементы, каркас выполнен из неметаллической высокотемпературной оксидной керамики Al₂O₃ и служит для установки и крепления всех элементов нагревательного блока, многослойный теплоизолирующий экран выполнен с воздушными зазорами между слоями, излучатели выполнены разборными, состоящими из двух частей, изготовленных из материалов с разным электрическим сопротивлением и имеющими индивидуальную электроизоляцию, законцовки излучателей выведены из зоны нагрева.

Конструкция нагревательного блока более наглядно представлена на следующих фигурах:

На фигуре 1 Представлен нагревательный блок в разобранном состоянии.

На фигуре 2 Представлен общий вид нагревательного блока в сборе.

Нагревательный блок состоит из электроизоляционного каркаса, многослойного теплоизолирующего экрана, инфракрасных излучателей, токоподводящих шин, крепежных элементов.

Электроизоляционный каркас нагревательного блока 1 (Фиг.1) изготовлен из высокочистой оксидной керамики (оксида алюминия Al₂O₃), которая обладает такими свойствами как: высокая твердость, отличная коррозионная стойкость, относительно низкая плотность, сохранение прочности при высоких температурах, относительно невысокая стоимость в сравнении с другими керамическими материалами, например нитридом бора. Все эти свойства делают высокочистую оксидную керамику незаменимой при изготовлении коррозионностойких, износостойких, электроизоляционных и термостойких изделий. Температура плавления керамики превышает 2000K.

Применение данного материала в качестве каркаса обусловлено, в первую очередь, его электроизоляционными свойствами, которыми он обладает, и из-за которых он был выбран в качестве каркаса, что дает ряд преимуществ:

• Во – первых, медные шины могут быть установлены и закреплены прямо на каркасе, что очень удобно, так как при стальном каркасе, приходиться делать специальные крепления для установки дополнительных керамических изоляторов.

•  Во – вторых, при нагреве он практически не меняет своей геометрической формы.

• В – третьих, так как он обладает высокими электроизоляционными свойствами и является хорошим электроизолятором, возможность электрического пробоя при высоких температурах в вакуумной среде существенно снижается, короткие замыкания с излучателями исключены.

На каркасе 1, служащем корпусом нагревательного блока с помощью вольфрамовых шпилек и гаек, укреплен многослойный защитный экран:

-Первый слой 2 выполнен из материала Ultra Board-2023 K, который обладает высокой термостойкостью и низкой теплопроводностью.

-Второй слой 3 выполнен из высокочистой оксидной керамики и скреплён с каркасом вольфрамовыми шпильками 15.

-Третий слой 4 выполнен из молибденовой пластины, обладающей большой теплоёмкостью и низкой степенью черноты, обеспечиваемой полированием и нанесением покрытия из алюминия с двух сторон. Он установлен с зазорами относительно слоя 3 и последующего «горячего» слоя 5 и прикреплен четырьмя вольфрамовыми винтами к экрану 3 по свободной посадке, обеспечивающей свободное расширение экрана до 2-3мм.

-Высокотемпературный четвертый слой 5 выполнен из низкоплотного углеродного материала УКМТ-1, температура эксплуатации которого 2770 K. Он обладает высокой механической прочностью, чрезвычайно высокой стойкостью к термодеструкции и низкой адсорбционной способностью, что обеспечивает сохранение его эксплуатационных свойств при высоких температурах в течение длительного времени.

Многослойный экран с молибденовым слоем 4, разделённым от смежных слоев двумя воздушными зазорами 16, почти вдвое снижает в вакууме теплопроводность всего экрана за счет отсутствия контактной теплопередачи и низкой передачи тепла излучением.

Излучатели 10 представляют собой разборные комбинированные излучатели. Тело накала 13 выполнено из углеграфитового материала УКМК-1, а законцовка 14 - из графитового материала ГИП-4, что обеспечивает существенное снижение плотности тока на законцовке излучателя и её температуру. Расчёты показывают, что потери тепла, идущие на «вредный» нагрев законцовок могут быть снижены на 5-8%.

Конструкция нагревателя и излучателей предусматривает вывод законцовок излучателей из зоны нагрева. Это снижает температуру законцовок и позволяет не устанавливать теплоёмкие компенсаторы температуры. Кроме того, снижается вес нагревательного блока и упрощается сборка элементов конструкции, обеспечивается мобильная замена вышедших из строя излучателей.

Использование большего (по сравнению с аналогами) количества излучателей, позволяет получить более высокую равномерность теплового потока, низкую инерционность и обеспечить боковую стыковку с соседними блоками, сохраняя равномерность теплового поля. Ещё одно преимущество предлагаемого нагревательного блока заключается в создании переменного температурного поля в пределах одного блока. Это обеспечивается за счёт возможности установки тела накала излучателя разной толщины.

Однако материал УКМТ-1, из которого выполнен четвертый слой экрана, является хорошим электрическим проводником, что не позволяет ему вплотную соприкасаться с излучателями. Поэтому для защиты излучателей от прямого электрического контакта и пробоя в вакууме были применены специальные индивидуальные изоляторы 6, из нитрида бора или оксида гафния, которые предотвращают контакт со слоем экрана из УКМТ-1, а также исключают соприкосновения излучателей друг с другом. В случае использования изоляторов из оксида гафния температура работы нагревательного блока может быть увеличена до 2900 К.

На не нагреваемой стороне каркаса 1 в центральной части болтами из нержавеющей хромистой стали закреплен держатель 7 (Фиг.2) с удобным подсоединением к испытательным установкам, обеспечивая крепеж нагревателя в любом положение (360°). Вдоль боковых сторон каркаса 1 на медных теплоотводах 8 закреплены медные толстостенные шины 9. Теплоотводы 8 сконструированы таким образом, чтобы максимально увеличить площадь их поверхностей при контакте с окружающей охлаждающей его средой и представляют собой радиатор с цилиндрическими ребрами. Они крепятся к каркасу 1 с помощью медных гаек. К ним подвешены (монтируются) сборные инфракрасные излучатели 10, состоящие из законцовок из материала ГИП-4 и сменных тел накала из материала УКМК-1 толщиной от 1 мм до 4 мм в зависимости от требуемой мощности теплового потока. Подвеска излучателей осуществляется мягкими никелевыми перемычками 11, которые обеспечивают при нагревании свободное удлинение излучателей 10 с двух сторон. Излучатели 10 крепятся к перемычкам 11 контактными ниобиевыми шпильками 12, у которых коэффициент термического расширения близок к материалу ГИП-4.

По сравнению с прототипом общая стоимость предлагаемого нагревательного блока может быть снижена на 20-30%.

Предлагаемый нагревательный блок работает следующим образом:

В случае последовательного соединения снижаются электромагнитные помехи, вызываемые наличием большого тока, проходящего в одном направлении при параллельном соединении, и при этом снижается сила тока, пропорционально количеству излучателей в блоке.

При протекании электрического тока через излучатели, включённые последовательно, существенно уменьшается сила тока, потребная для разогревания всех излучателей. Она будет в п меньше, где п –число включенных последовательно излучателей. Например, при толщине излучателя δ=1мм и ширине b=30 мм суммарная площадь поперечного сечения излучателя равна F=30мм². Для разогрева излучателя до температуры Т = 2700-2800К необходимая плотность тока (материал излучателя ГИП) примерно равная i = 8-10 А/мм². Таким образом потребляемый ток в нагревателе составит 240-300 А. Так как ток протекает в излучателях в противоположных направлениях, должны быть сильно уменьшены электромагнитные помехи, которые способствуют появлению пробоя в зоне нагрева и сильно влияют на показания измерительных приборов. Подводимое напряжение может достигать 200-250 В. Нагреваемые излучатели создают лучистый поток, который равномерно распределяется на поверхности объекта испытаний и экране блока. Так как в конструкции блока предусмотрен многослойный экран с низкой теплопроводностью, то верхний слой 4 экрана, выполненный из низкоплотного углеродного материала УКМТ-1, достаточно быстро нагревается и излучает большую часть падающего на него теплового потока на конструкцию и излучатели. Отраженная часть теплового потока от экрана также возвращается на них.

Изменяя напряжение и силу тока в излучателях 10, регулируют потребляемую мощность нагревателя, изменяют температуру тел накала излучателей и плотность лучистого потока.

В соответствии с заданной программой испытаний от времени регулируется температура нагреваемого объекта.

Результаты испытаний нагревательного блока, взятого в качестве прототипа, до Т = 2423К и последующей выдержки 200 секунд, и затем нагрева до Т = 1400К в течение 1200 с показали, что температура утолщенных концов излучателей достигает температуры 600-800К, а каркас нагревательного блока подвергается сильной деформации в процессе нагрева.

Тепловые расчеты и предварительные испытания макета предлагаемого нагревательного блока показали, что при выполнении программы нагревания испытываемой конструкции до Т = 2700 К результирующим тепловым потоком с плотностью до 2000 кВт/м² с последующей выдержкой конструкции при этой температуре в течение 1000 секунд, температура горячей поверхности экрана может достигать 2500-2700К, а за счёт теплоизолирующих и теплопоглощающих экранов 1, 2, 3, 4 температура каркаса не будет превышать 700-900 К. Тела накала излучателей нагреваются до температуры 2700 - 2800 К, а законцовки могут нагреваться до температуры, не превышающей 500-600 К, что вполне допустимо при работе блока в вакууме или инертных и нейтральных (азот или аргон) газах.

Создан высокотемпературный модульный инфракрасный нагревательный блок, позволяющий повысить максимальную температуру нагреваемой конструкции (до 2800 К), получить равномерность распределения плотности лучистого потока.

Изобретение относится к экспериментальной технике для тепловых и теплопрочностных испытаний конструкций летательных аппаратов. Предложен высокотемпературный модульный инфракрасный нагревательный блок, который содержит каркас, выполненный из высокотемпературной оксидной керамики Al₂O₃ и предназначенный для установки и крепления всех элементов нагревательного блока, многослойный теплоизолирующий экран, выполненный с воздушными зазорами, излучатели, выполненные разборными, состоящими из двух частей, изготовленных из материалов с разным электрическим сопротивлением, и снабженные индивидуальными изоляторами, токоподводящие шины, крепежные элементы. Технический результат - создан высокотемпературный модульный инфракрасный нагревательный блок, позволяющий повысить максимальную температуру нагреваемой конструкции до 2800 К, повысить равномерность распределения плотности лучистого потока. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Высокотемпературный модульный инфракрасный нагревательный блок, содержащий каркас, многослойный теплоизолирующий экран, П-образные излучатели, токоподводящие шины, крепежные элементы, причем каркас, служащий корпусом нагревательного блока, выполнен в виде плоского основания из высокотемпературной оксидной керамики Al₂O₃ и предназначен для установки и крепления всех элементов нагревательного блока, на каркасе с помощью вольфрамовых шпилек и гаек укреплен многослойный теплоизолирующий экран, выполненный с воздушными зазорами между слоями, при этом вдоль боковых сторон каркаса на медных теплоотводах закреплены медные толстостенные шины, медные теплоотводы крепятся к каркасу с помощью медных гаек, а к медным теплоотводам подвешены посредством мягких никелевых перемычек инфракрасные излучатели, которые крепятся к перемычкам контактными ниобиевыми шпильками, причем излучатели выполнены разборными, состоящими из двух частей: тел накала, выполненных из углеграфитового материала, и законцовок из графитового материала, и снабжены индивидуальными изоляторами, установленными на концах законцовок, контактирующих с многослойным защитным экраном, при этом винтовое соединение тел накала и законцовок излучателей выполнено вне зоны нагрева.

2. Высокотемпературный модульный инфракрасный нагревательный блок по п. 1, отличающийся тем, что между вторым и третьим слоями экрана и между третьим и четвертым слоями экрана предусмотрены воздушные зазоры до 5 мм.

3. Высокотемпературный модульный инфракрасный нагревательный блок по п. 1, отличающийся тем, что тела накала выполнены из углеграфитового материала УКМК-1, а законцовки выполнены из графитового материала ГИП-4.