Инфракрасный нагревательный блок
INFRARED HEATING UNIT

Изобретение относится к экспериментальной технике для теплопрочностных статических испытаний конструкций летательных аппаратов, в частности к инфракрасным нагревательным средствам.
2
При теплопрочностных испытаниях различных конструкций в определенных условиях требуется длительное (>500 с) нагревание конструкций до Т=2700 К со скоростью до 100 К/с.Для нагревания требуется лучистый поток с плотностью до 2000 кВт/м, который возможно получить с помощью вакуумной камеры при низком (менее 100 Па) давлении воздуха или с помощью камеры, заполненной нейтральным газом (например, азотом или аргоном).
Реализация выше поставленной задачи по созданию необходимой температуры нагревания и скорости потока выполняется с помощью создания инфракрасных нагревательных блоков, в конструкцию которых входят высокотемпературные излучатели и экраны.
Известен инфракрасный нагревательный блок (патент RU №2539974, МПК Н05В 3/24, 2013 г.) содержащий каркас, инфракрасные излучатели, выполненные из композиционного углеродного материала в виде П-образной, не имеющей соединений пластины, представляющей собой тело накала, токоподводящие концы которой толще тела накала в 4-5 раз и перпендикулярны ему. Экран изготовлен из высокотемпературной волокнистой теплоизоляционной плиты (Ultra Board) и разрезан на отдельные квадратные плитки пазами глубиной 4-5 мм, а на его облучаемую поверхность нанесено покрытие из материала с хорошей отражательной способностью.
С точки зрения требования получения температуры до Т=2700 К со скоростью до 100 К/с в течение длительного времени недостатками инфракрасного нагревателя (патент №2539974) являются:
экс.
1) Разрушение экрана. В процессе длительной эксплуатации (>500 с) происходит нагрев экрана выше эксплуатационной температуры (Т=2000 К) вызывая его последующее разрушение. Кроме того, при высоких темпах нагрева может происходить расслоение поверхностного слоя плиты (Ultra Board) из-за температурных напряжений в материале.
2) Разрушение подводящих ток шин и кабелей. При длительной эксплуатации инфракрасного нагревательного блока (>500 с) до температуры Т=2200 К токоподводящие концы нагреваются до температуры выше 1200 К вызывая разрушение шин и кабелей.
3) Возможность возникновения электрического пробоя при высокой температуре токоподводящих концов излучателей и низком вакуумном давлении.
2
Задачей и техническим результатом настоящего изобретения являются создание инфракрасного нагревательного блока, обеспечивающего повышение максимальной температуры нагреваемой конструкции (до 2700 К) и увеличение плотности падающего на нее лучистого потока, необходимого для быстрого нагревания объекта испытаний (до 2000 кВт/м).
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в инфракрасном нагревательном блоке, содержащем каркас, инфракрасные излучатели, токоподводящие шины и теплоизоляционный экран, теплоизоляционный экран содержит выполненный из низкотемпературного термоизолирующего материала корпус с продольными боковыми стенками и дном, и последовательно установленные высокотемпературные термоаккумулирующую и термоизолирующую пластины, а также высокотемпературные электроизоляторы, одна пара которых изолирует внутренние стенки корпуса и излучателей от термоаккумулирующей и термоизолирующей пластин, а вторая пара изолирует внешние стороны излучателей и внешние стенки корпуса от дополнительно установленной термоизолирующей пластины, а токоподводящие части излучателей дополнительно содержат компенсаторы температуры. Корпус выполнен из низкотемпературного термоизолирующего материала ULTRA BOARD, теплоаккумулирующая пластина выполнена из графита, термоизолирующие пластины выполнены из высокотемпературного малотеплопроводного материала УКМК-1. Высокотемпературные электроизоляторы установлены с зазором относительно инфракрасных излучателей и выполнены из нитрида бора BN. Токоподводящие части инфракрасных излучателей выполнены термостойкими, состоящими из углеродной части и компенсатора температуры, выполненного из меди, при этом углеродная часть и компенсатор излучателя соединены между собой через термостойкую электропроводящую пасту.
На фигуре 1 представлен общий вид нагревательного блока.
На фигуре 2 показана схема экрана нагревательного блока
На фигуре 3 представлен график потребляемый мощности нагревательного блока КМЭ-4,6 с четырьмя и шестью излучателями в зависимости от напряжения.
Не имеющие соединений инфракрасные излучатели 1, число которых может меняться (до 6 штук), выполнены из композиционного материала углерод-углерод в виде П-образной пластины с утолщенными концами 2, снабженными медными компенсаторами температуры 3. Они вместе с утолщенными концами 2 представляют собой токоподводящую шину излучателя 1 (Фиг. 1).
раб
Экран изготовлен многослойным, каждый слой которого выполняет определенную цель. Он содержит выполненный из низкотемпературного термоизолирующего материала, работающего только до Т=2000 К (например, волокнистой теплоизоляционной плиты "Ultra Board"), корпус 4 с продольными боковыми стенками и дном, и последовательно установленные высокотемпературные термоаккумулирующую пластину 5, выполненную из графита и служащую поглотителем тепла за счет высокой теплоемкости, и термоизолирующую пластину 6 с низкой теплопроводностью (λ=0,75 Вт/мК), но высокой термостойкостью до Т=3000 К из углерод-углеродного композиционного материала (например, УКМТ-1), а также высокотемпературные электроизоляторы.
Так как углерод-углеродный композиционный материал УКМТ-1 и графит являются электропроводными материалами, то инфракрасные излучатели с двух сторон защищены высокотемпературными электроизоляторами 7 и 8 из нитрида бора BN, которые не касаются токоподводов излучателей, образуя зазор 9 в зоне высоких температур, где материал BN может терять свои электроизоляционные свойства (Фиг. 1). Для защиты токоподводящих концов 2 инфракрасных излучателей в зоне высоких температур электроизоляторы 7 выдвинуты над пластиной 6 и выступают как экраны, снижающие тепловой поток.
По периметру нагревательный блок снабжен также боковым экраном 10 из композиционного материала УКМТ-1, и боковым экраном 18 из нитрида бора BN (Фиг. 2).
На основании каркаса 11, который выполнен в виде пластины с отбортовкой из нержавеющей стали, в центральной части приварен кронштейн 12, с помощью которого крепится инфракрасный нагревательный блок. На кронштейне установлены также несущие державки 13 и изоляторы 14, на которых укреплены токоведущие шины инфракрасного нагревательного блока 15 и инфракрасные излучатели 1 с медными компенсаторами температуры 3. Компенсаторы температуры 3, обеспечивающие снижение до приемлемого уровня температуры утолщенных концов инфракрасных излучателей и места подсоединения токоподводящих шин 15, с помощью вольфрамовых шпилек 16 через графитовую пасту плотно (жестко) соединены с утолщенными концами 2 инфракрасных излучателей 1, подключенных параллельно к токоподводящим шинам 15. нагревательного блока. Места подсоединения токоподводящих шин 15 нагревательного инфракрасного блока с компенсаторами температуры 3 также соединены через графитовую пасту.
Утолщенные концы 2 инфракрасных излучателей проходят через прямоугольные отверстия в корпусе 4, прикрепленного к основанию каркаса при помощи стяжек 17. С помощью стяжек 17 укреплены также боковые экраны 10 и 18. По периметру корпуса экрана 4 установлены термостойкие электроизолирующие экраны 18 из нитрида бора. Между электроизоляторами 7 на днище корпуса экрана 4 уложена теплоаккумулирующая пластина 5 из графита и теплоизолирующая пластина 6 из УКМТ-1 (Фиг. 1).
Предлагаемый нагревательный блок работает следующим образом:
2
При протекании электрического тока через излучатели, при напряжении U=49 B на площади нагревательного блока размером 230 мм × 230 мм реализуется тепловой поток с плотностью q=2200 кВт/м (Фиг. 3). Поступающий от системы электропитания нагревательной установки ток нагревает тела накала излучателей, которые испускают лучистый поток, падающий на поверхность объекта испытаний и экран блока. Поверхность экрана быстро нагревается, излучая поток значительной плотности на нагреваемую поверхность конструкции. Регулируя напряжение, подаваемое на инфракрасный нагревательный блок, и соответственно, силу тока в его излучателях, изменяют температуру их тел накала и плотность лучистого потока, падающего на объект испытаний, таким образом, чтобы изменять температуру его поверхности в соответствии заданной зависимостью ее от времени.
2
Тепловые расчеты предлагаемого нагревательного блока показали, что при выполнении программы нагревания испытываемой конструкции до Т=2700 К результирующим тепловым потоком с плотностью до 2000 кВт/мс последующей выдержкой конструкции при этой температуре в течение 2000 секунд, температура горячей поверхности экрана может достигать 2800 К, а за счет теплоизолирующих экрана 4 и пластин 5, 6 температура металлического корпуса 11 не будет превышать 500-600 К, что вполне допустимо.
Тела накала излучателей при этом нагреваются до температуры 2700-2800 К, а их утолщенные концы, снабженные медными компенсаторами температуры, могут нагреться до температуры, не превышающей 500-600 К, что вполне допустимо при работе блока в вакууме или среде инертных и нейтральных (азот или аргон) газах.