Электрическая радиационная нагревательная установка

Полезная модель относится к экспериментальной технике, в частности к инфракрасным нагревательным установкам, имитирующим условия аэродинамического нагрева летального аппарата (ЛА) при сверхзвуковых скоростях полета путем радиационного нагрева конструкций до высоких температур в течение длительного времени, и может быть использована для наземных теплопрочностных статических испытаний элементов конструкций летательных аппаратов. С помощью стенда теплопрочностных испытаний получают данные о фактической термопрочности конструкций от действия аэродинамических тепловых нагрузок, максимально приближенных к условиям реального полета.
Известен стенд теплопрочностных испытаний для воспроизведения аэродинамического теплового воздействия на конструкцию ракеты в наземных условиях (Испытания летательных аппаратов (беспилотные летательные аппараты)/ П.П. Афанасьев, В.В. Буркин, А.Н. Геращенко, И.С. Голубев, В.В. Доронин, И.П. Кириллов, С.Б. Левочкин, С.С. Левочкин, С.Г. Парафесь. - Калуга: ИП Стрельцов И.А. (Издательство «Эйдос»), 2015, стр. 246). Стенд снабжен шестью раздвижными нагревательными панелями радиационного нагрева на основе кварцевых ламп накаливания типа КГО - 220-2000. В каждой панели лампы подключены к регулируемому источнику питания трехфазного тока и сгруппированы по три группы для трех фаз подключения к сети.
Контроль температуры и управление нагревом осуществляется с помощью термопары, наклеенной на поверхность испытываемого обтекателя, для каждой регулируемой зоны нагрева, их количество равно количеству независимых нагревательных панелей. Для больших мощностей нагрева (достигающих нескольких сотен Квт), количество ламп в одной панели, подключенной к отдельной фазе, достигает 40 шт. (80 Квт), что создает мощные локальные источники теплового и электромагнитного излучений, в том числе воздействующих на термопару, расположенную в нескольких сантиметрах от источника излучения.
Например, нагревательная установка мощностью в 60 кВт создает магнитное поле 520 А/м и вызывает помехи в цепи термопары длиной 5 м, при расстоянии между проводами 2 мм на частоте 50 Гц, напряжение порядка 2 мВ (А.Н. Серьезнов и М.П. Цапенко. Методы уменьшения влияния помех в термометрических цепях. М., «Энергия», 1968, с. 3-6).
Реальные мощности нагревательных установок для крупных высокотемпературных объектов достигают порядка 1000 кВт. Использование известных методов экранирования термопар при высоких температурах (до 1500°С) в зоне измерения просто невозможно. Кроме того, ситуация многократно ухудшается применением силовых управляющих агрегатов с тиристорным управлением для регулирования мощности нагрева, которые через ток питания установки создают дополнительно мощные неизбежные импульсные помехи, что приводит к потере работоспособности измерительного оборудования.
Недостатками стенда являются большие локальные зоны неравномерного теплового нагрева в каждой нагревательной панели, за счет группирования ламп по фазовому подключению, при отсутствии симметричности нагрузки в фазах (неравномерностью тока нагрева в каждой электрической фазе). Нагрузки фаз нарушаются, наступает «перекос» фаз, так как лампы могут иметь различные характеристики или выходить из строя, или часть из них не устанавливались вовсе, что приводит к «перекосу» фаз, то есть к изменению электрической мощности фаз, а значит к изменению излучательной мощности нагревателя в этих местах и к ошибке температуры на поверхности обтекателя по окружности, достигающие 150°С и более. Кроме того, создаются мощные локальные паразитные электромагнитные и электрические поля излучений, которые являются значительными помехами при измерении температуры на поверхности обтекателя с помощью термопары, что приводит к значительным погрешностям, особенно в процессе быстрого нагрева.
Известен инфракрасный нагревательный блок (патент РФ №2539974 С1, МПК Н05В 3/24, опубл. 27.01.2015 г.), который содержит каркас, теплоизоляционный экран и инфракрасные излучатели, которые 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 позволяет повысить максимальную температуру нагреваемой конструкции при увеличении плотности падающего на нее лучистого потока.
Недостатком инфракрасного нагревательного блока являются сильные электромагнитные излучения, которые возникают при подключении инфракрасных излучателей по однофазной схеме и воздействуют на термопары, создавая в них погрешности, но главное не решается вопрос устранения неравномерности теплового поля, создаваемого установкой нескольких излучателей с разными характеристиками.
Наиболее близкая по технической сущности является электрическая радиационная нагревательная установка (патент РФ №2440700 С1, МПК Н05В 3/44, опубл. 20.01.2012 г.), используемая в системах нагрева при статических теплопрочностных испытаниях авиационно-космических конструкций, взятая в качестве прототипа.
Установка содержит набор расположенных рядом электрических тепловых излучателей и источник питания, причем четные излучатели подключены к источнику питания разнополярно нечетным. Задачей является значительное уменьшение паразитного электромагнитного поля нагревательной установки в окружающем пространстве во время ее работы, путем взаимной компенсации электромагнитных полей нескольких электрических тепловых излучателей за счет разнополярного подключения излучателей.
Недостатком прототипа является то, что снижение помех достигается только при подключении установки по однофазной схеме, помехи при трехфазном подключении не снижаются. Не решается вопрос устранения неравномерности теплового поля, создаваемого в установке с несколькими излучателями с разными характеристиками.
Задачей является значительное повышение точности и равномерности воспроизведения температурного поля конструкции и существенное уменьшение вредного воздействия на термопары электромагнитных полей электрических излучателей в виде кварцевых ламп накаливания.
Технический результат заключается в создании более равномерного теплового поля, создаваемого лампами накаливания, предложенным способом их установки в нагревательной панели, в подключении ламп к источнику трехфазного тока, а также в получении взаимной компенсации электромагнитных полей рядом расположенных ламп накаливания, в уменьшении их вредного воздействия на управляющую и измерительную аппаратуру.
Указанный технический результат достигается тем, что предложена
1. Электрическая радиационная нагревательная установка, состоящая из одной или нескольких нагревательных панелей плоской или цилиндрической формы с индивидуальным управлением нагревом в каждой из них, при этом каждая нагревательная панель содержит рефлектор с высокой отражательной способностью и набор кварцевых ламп накаливания, отличающаяся тем, что лампы в каждой панели устанавливаются параллельно друг другу с подключением к управляемому источнику питания трехфазного тока (фаза А, фаза В и фаза С) по схеме «треугольника» (подключение АВ, подключение ВС и подключение СА), причем лампы группируются при установке их на нагревательной панели так, что три рядом расположенные лампы должны быть подключены к разным электрическим фазам регулируемого источника питания трехфазного тока.
2. Электрическая радиационная нагревательная установка по п. 1, отличающаяся тем, что все лампы в панелях должны быть одного типа и одной электрической мощности, а количество ламп в панели, подключенных к разным фазам, должно быть равно между собой, а их общее количество должно быть кратно трем.
Предложенная конструкция электрической радиационной нагревательной установки представлена на чертеже.
Нагревательная установка (фиг. 1) содержит одну или несколько нагревательных панелей, которые состоят из рефлектора (1), на поверхность которого, обращенную к излучателям, нанесено теплозащитное покрытие (2) с высокой отражательной способностью и низкой теплопроводностью, набор расположенных рядом электрических кварцевых ламп накаливания (3), подключаемых к управляемому источнику питания трехфазного тока (А, В, С) по схеме «треугольника» (подключение АВ, подключение ВС и подключение СА) (фиг. 2), причем лампы группируются при установке их на панели так, что три рядом расположенные лампы (нагревателя) должны быть подключены к разным электрическим фазам регулируемого источника питания трехфазного тока.
Предложенная электрическая радиационная нагревательная установка работает следующим образом. Равномерность теплового поля в рабочей зоне нагревательной панели и объекта испытания в предложенной конструкции, при локальной неравномерности отдельных ламп, вызванных несимметричностью (перекосом) в фазовых электрических нагрузках подключения типа «треугольника», обеспечивается предложенной схемой группирования ламп в нагревательной панели и порядком их подключения к электрическим фазам, и тем самым достигается выравнивание локального теплового поля вблизи этих ламп.
AB
BC
CA
Предложенный способ расположения и подключения ламп в нагревательной панели к источнику трехфазного тока по схеме «треугольника», также значительно уменьшает создаваемое вредное паразитное электромагнитное поле в окружающем пространстве во время ее работы. На фиг. 3 представлены графики изменения напряжения (U, U, U), а соответственно и тока, кварцевых галогенных ламп накаливания при подключении АВ, ВС и С А к источнику питания трехфазного тока (фаза А, фаза В и фаза С) по схеме «треугольника» (фиг. 2). Каждый излучатель в процессе нагрева создает свое внешнее электромагнитное поле определенной направленности. Если группа ламп подключена к одной фазе источника питания трехфазного тока, и они расположены рядом, то эти поля суммируются, создавая общее большое электромагнитное поле, а соответственно и помехи на 1/3 части нагревательной панели.
В предлагаемой электрической радиационной нагревательной установке лампы, при их установке в нагревательную панель группируются последовательно по три так, что три рядом расположенные лампы должны быть подключены к разным электрическим фазам регулируемого источника питания трехфазного тока, при этом направленность электромагнитного поля трех рядом стоящих излучателей, подключенных к разным фазам (фиг. 3), в каждый момент времени при их суммировании со своими знаками будет приближаться к нулю, будет полностью или частично взаимно компенсироваться, что значительно уменьшит паразитное электромагнитное поле и тем самым уменьшит их вредное воздействие на управляющую и измерительную аппаратуру и термопары.
Эффективность предлагаемой конструкции электрической радиационной нагревательной установки была проверена путем численного моделирования схем установки и подключения ламп, а также влияния несимметричности фаз по мощности на неравномерность температурного поля объекта испытания, на двух стендах теплового нагрева, отличающиеся только количеством ламп в нагревателях. Первый стенд - это тепловой стенд из девяти ламп для испытания керамических образцов на высокоскоростной тепловой нагрев, а второй стенд - нижняя часть (одна из трех) стенда для тепловых испытаний натурных обтекателей скоростных (сверхзвуковых и гиперзвуковых) ЛА, которая состоит из двух раздвижных нагревательных панелей цилиндрической формы и содержит в общей сложности 240 ламп (по 120 на каждой панели) типа КГО-220-2000 с номинальной (паспортной) мощностью 2000 Вт, что соответствует суммарной мощности Q - 480 КВт при напряжении 220 вольт. Однако эти лампы допускают кратковременное увеличение напряжения на лампах до (330-360) вольт, что соответствует кратковременному увеличению мощности нагревательных панелей более чем в 1,5 раза.
Оба этих стенда, несмотря на разное количество ламп, объединяет необходимость создания высоких темпов нагрева объекта испытаний, достигающих 150-200 К/сек, для обеспечения которых необходимо высокая удельная мощность кварцевых ламп. Сравниваем два типа подключения ламп: по однофазной схеме (как в прототипе) и по трехфазной схеме «треугольника» в предложенной полезной модели. Отличие этих двух схем подключения для любых нагревателей состоит как раз в том, что трехфазная цепь обеспечивает высокую удельную мощность нагревателей, которая увеличивается более чем в полтора раза по сравнению с однофазной цепью при одном и том же количестве ламп. Мгновенная мощность трехфазной цепи, при симметричном режиме нагрузки электрических фаз, не зависит от времени, является постоянной величиной, равной активной мощности этой цепи. В этом заключается важнейшее преимущество трехфазных цепей по сравнению с однофазными цепями, в которых наблюдаются резкие колебания мгновенной мощности, определяющие неравномерное выделение энергии лампами. С учетом вышеизложенного, все тепловые стенды, которые обеспечивают высокие темпы нагрева объекта испытаний, подключаются к источнику питания только по трехфазной схеме.
Преимущество высокой удельной мощности трехфазной схемы подключения ламп имеет некоторые недостатки, которые необходимо учитывать при проведении испытаний на таких стендах. При подключения ламп к источнику питания трехфазного тока, система может быть не симметричной, если электрическое сопротивление в отдельных фазах не одинаково по своей величине. Из-за разности нагрузок на фазах, которое может быть связано с подключением ламп разного типа или номинальной мощности, или с удалением и выходом из строя некоторых ламп в фазе, происходит перераспределение мощности на фазах в соответствии с действующими нагрузками, т.е. возникает «перекос» фаз.
Таким образом, в реальной установке возникает ситуация, при которой лампы в разных фазах будут выделять различную мощность. При этом разность в фактической мощности ламп достигает (15-20)% и более от номинала, как в большую, так и в меньшую сторону. Суммарная же электрическая мощность всех ламп при таком перераспределении остается неизменной, однако температурное поле на поверхности объекта испытаний может иметь значительные локальные отклонения. Если количество ламп в одной фазе достигает 40 штук, то локальное тепловое поле, а значит и температура объекта испытаний, может существенно отличаться от требуемого равномерного нагрева его поверхности.
Пример 1.
Рассматривается реальный тепловой стенд для испытания керамических образцов на высокоскоростной тепловой нагрев, включающий девять галогенных ламп накаливания типа КГТО-220-2500, с номинальной (паспортной) мощностью 2,5 КВт при напряжении 220 вольт. В связи с необходимостью обеспечения высоких темпов нагрева образцов, установка подключается к регулируемому источнику питания трехфазного тока.
На фиг. 4 приведена схема зоны нагрева стенда тепловых испытаний образцов, где 1 - отражательный рефлектор (экран), 3 - галогенные лампы накаливания в количестве 9 шт., 4 - объект испытания, образец из керамики размером 90×90 мм, 5 - блок теплоизоляции, в которой установлен образец.
Для оценки изменения температурного поля образца при «перекосе» фаз, проводится моделирование мультифизического процесса комбинированного (кондуктивно-конвективно-радиационного) теплообмена, имеющего место в рабочей зоне установки тепловых испытаний высокотемпературных материалов (керамических образцов), подключенных к источнику питания трехфазного тока. Моделирование проводилось в модуле конечно-элементного пакета программ ANSYS - Fluent.
Расчетные варианты.
1. Исходный вариант, при котором первые три лампы подключены к фазе А, вторые три лампы подключены к фазе В и три последние лампы подключены к фазе С (фиг. 2). Распределение температуры на поверхности образца для различных вариантов мощности ГЛН в фазах А, В и С, наличие несимметричности («перекоса» мощности) фаз приведен на фиг. 5, где цифрами 6, 7 и 8 показаны температуры для различного перекоса фаз по мощности: 6 - [0/0/0] мощность всех фаз (ламп) равны (симметричная нагрузка), без отклонения; 7 - [-15/0/15] мощность фаз А и С имеют отклонения в 15% (несимметричность фаз), 8 - [-20/0/20] мощность фаз А и С имеют отклонения в 20% (несимметричность фаз). Анализируя график 6, при симметричной нагрузке фаз, можно заметить, что по краям образца имеется занижение температуры по сравнению с центральной частью, что вызвано меньшей плотностью теплового потока на краях за счет уменьшения влияния ламп середины панели и ламп с другого края. В то время как в центральной части образца тепловой поток подводится не только от трех средних ламп, но и добавляется часть лучистой тепловой энергии от трех крайних ламп панели с обеих сторон, т.е. происходит частичное суммирование двух составляющих от разных фаз. В случае несимметричности фаз, например, взят расчетный случай при неизменной мощности центральной фазы В, а имеется отклонение фаз А и С на 15% или обе 20%, графики 7 и 8 (фиг. 5). Из приведенных графиков видно, что при сохранении неизменной температуры в центральной части объекта испытаний, по краям из-за перераспределения мощности ламп (фазы А и С) происходит соответствующее изменение температурного поля - под лампами с пониженной мощностью температура ниже, а под форсированными лампами температура соответственно выше, чем в случае, если бы все лампы работали в номинальном режиме фаз. При этом максимальное отклонение температуры от варианта с лампами, работающими в номинале, составляют: для схемы подключения [-15/0/15] - 20К, для ее варианта с большим отклонением мощности ламп [-20/0/20] соответственно 26К.
2. Вариант установки ламп в предложенной полезной модели, при котором первые три лампы подключены к разным фазам А, В и С, а вторая и третьи группы из трех лампы также последовательно к фазам А, В и С (фиг. 3). Распределение температуры на поверхности образца для различных вариантов мощности ГЛН в фазах А, В и С, наличие несимметричности («перекос» мощности) фаз, приведен также на фигуре 5, где цифрами 9 и 10 показаны температуры для различного «перекоса» фаз по мощности: 6 - [0/0/0] мощность всех фаз равны (симметричная нагрузка), без отклонения, при симметричной нагрузке распределение температур совпадает; 9 - [-15/0/15] предлагаемая схема установки ламп в панелях (группирование по 3 из разных фаз), и при этом имеется наличие несимметричности мощности фаз А и С в 15% в меньшую и большую сторону; 10 - [-20/0/20] предлагаемая схема установки ламп в панелях (группирование по 3 из разных фаз), и при этом имеется наличие несимметричности мощности фаз А и С в 20% в меньшую и большую сторону (фиг. 5). Из рисунка графиков видно, что при сохранении неизменной температуры в центральной части объекта испытаний, по краям панели уже не происходит значительного перераспределения мощности ламп, как в исходном варианте, и не происходит существенного изменения температурного поля на краях панели. При этом максимальное отклонение температуры от варианта с лампами, работающими в номинале, составляют: для схемы подключения [-15/0/15] - 5К, для ее варианта с большим отклонением мощности ламп [-20/0/20] соответственно не более 6К. При изменении мощности в фазах на 15%, температура образца по поверхности в предлагаемой конструкции электрической нагревательной установки слабо изменяется, при изменении мощности на 5%, температура почти не меняется (не более 1К).
Таким образом, предлагаемая конструкция электрической радиационной нагревательной установки, даже при незначительном количестве ламп, обеспечивает более равномерное тепловое поле объекта испытания и исключает влияние его локального перегрева в случае «перекоса» фаз при подключении ее к источнику питания трехфазного тока по схеме «треугольника».
Пример 2.
Численное моделирование тепловых испытаний натурных обтекателей проводилось для стенда высокоскоростного нагрева конструкций натурных обтекателей ЛА из шести раздвижных нагревательных панелей с галогенными лампами накаливания (фиг. 6). Он соответствует аналогу стенда теплопрочностных испытаний для воспроизведения
аэродинамического теплового воздействия на конструкцию ракеты в наземных условиях (Испытания летательных аппаратов (беспилотные летательные аппараты)/ П.П. Афанасьев, В.В. Буркин, А.Н. Геращенко, И.С. Голубев, В.В. Доронин, И.П. Кириллов, С.Б. Левочкин, С.С. Левочкин, С.Г. Парафесь. - Калуга: ИП Стрельцов И.А. (Издательство «Эйдос»), 2015, стр. 248, рис. 4.14). Моделирование проводилось для двух нижних раздвижных нагревательных панелей цилиндрической формы, состоящих из 240 ламп (по 120 ламп в каждой панели). Расчетная схема рабочей зоны двух нижних раздвижных нагревательных панелей цилиндрической формы с галогенными лампами накаливания стенда тепловых испытаний натурных обтекателей ракет приведена на фиг. 7, где цифрами обозначено 1 - рефлектор, 3 - галогенные лампы накаливания, 11 - оболочка обтекателя, 12, 13, 14, 15 и 16 - тепловой поток, излучаемый лампами, подключенными к разным фазам источника питания трехфазного тока, 18 и 19 - управляющие термопары на обтекателе, по которым осуществляется нагрев, 20, 21, 22 и 23 - контрольные термопары на обтекателе, у крайних частей панели.
На фиг. 8 представлены графики температур нагрева обтекателя по времени в разных точках обтекателя, где установлены термопары: (24) - по центру нагревательной панели, (25) - левый край панели, и (26) - правый край панели, для случая исходного варианта подключения ламп и при симметричной нагрузке фаз. Отклонение температуры от средней величины на краях панели находится в пределах точности замера термопар. В расчете, для простоты, рассматривается вариант с симметричностью условий нагрева обеих панелей, что соответствует условию полета ракеты с нулевым углом атаки.
Результаты расчетов температур на поверхности обтекателя ЛА на 300 секунде режима нагрева (фиг. 8) в точках, где установлены термопары при различных вариантах подключения ламп и сравнение влияния погрешностей мощности в каждой фазе с учетом перекоса фаз представлены в таблице 1.
Расчеты показывают существенное преимущество предложенной электрической радиационной нагревательной установки и значительный эффект, снижения неравномерности нагрева в одной фазе, состоящей из сорока ламп, несмотря на перекос фаз по электрической мощности.
Таким образом, результаты математического моделирования подтверждают эффективность предложенной электрической радиационной нагревательной установки, которая устраняет локальную неравномерность температур на обтекателе и повышает точность воспроизведения температурного поля.