СЕКЦИОННЫЙ ТРУБЧАТЫЙ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЬ С РЕКУПЕРАТОРОМ
SECTIONAL TUBULAR AIR HEATER WITH RECUPERATOR

Изобретение относится к энергетической технике, в частности к электротермии, и может быть использовано для подогрева воздуха в экспериментальных установках при испытаниях объектов авиационной техники.
Одним из наиболее известных методов нагрева является электроподогрев, когда воздух нагревается, омывая разогреваемые электрическим током тепловыделяющие элементы.
Основными требованиями к конструкции нагревателя являются повышение надежности, увеличение межремонтного ресурса его работы.
Немаловажным критерием конструктивного исполнения воздухонагревателя являются малая тепловая инерционность, компактность, технологичность обслуживания, широкий диапазон регулирования, ремонтопригодность.
Известно устройство (РФ №2280821, МПК G01M 15/00), содержащее источник трехфазового электрического питания, полые нагревательные элементы, каждый из которых соединен с одной фазой трехфазового электрического питания, коллекторы для подвода и отвода воздуха, к которым подсоединены концы полых нагревательных элементов.
Согласно изобретению коллектор для подвода воздуха выполнен в виде, по меньшей мере, двух симметричных стояков, к каждому из которых подсоединена полость полого нагревательного элемента, а каждый полый нагревательный элемент разделен, по меньшей мере, на две одинаковые секции, расположенные вдоль общей продольной оси и подсоединенные противоположными концами к соответствующему стояку коллектора для подвода воздуха, который является входным потоком для каждого полого нагревательного элемента, и к выходному коллектору, расположенному вдоль центральной оси устройства симметрично относительно стояков входного коллектора, а обе секции каждого нагревательного элемента электрически соединены между собой последовательно и электрически изолированы от входного и выходного коллекторов изоляторами, укрепленными на каждом полом нагревательном элементе.
Недостатками данного устройства является то, что секции нагревательных элементов (трубки) располагаются последовательно вдоль оси устройства таким образом, что входящие и выходящие потоки воздуха направлены навстречу друг другу и распределены вдоль оси устройства, вследствие чего возможен перепад температур по длине выходного коллектора. Нагрев рабочего воздуха в широком диапазоне температур и массового расходе воздуха требует значительного увеличения длины нагревательных элементов. Это приводит к неравномерному нагреву трубок и выходу их из строя. Устройство сложно использовать в горизонтальном положении. Температура трубки нагревательного элемента при работе достигает 1100°C, при этом наружная поверхность трубки охлаждается окружающей средой, что уменьшает к.п.д. устройства.
Известен трубчатый воздухонагреватель в котором нагрев осуществляется за счет тепловыделения в проводящей поверхности нагрева при протекании по ней электрического тока, т.е. за счет выделения Джоулева тепла (В.Н. Насонов, и др. Проектирование технологического оснащения высотных стендов для испытаний авиационных двигателей. М.: МАТИ, 2005 г. рис. 6.1 ср. 263). Устройство содержит внешний и внутренний корпусы, образующие концентрично расположенные рабочий и охлаждающий каналы с установленными на торцах внешнего корпуса крышками. В рабочем канале размещен секционный трубчатый нагреватель, выполненный в виде соосно установленных силовой и скользящей трубных досок с закрепленным в них через электроизолирующие втулки пучком трубных элементов. Трубные элементы связаны между собой перемычками в электрическую цепь. Последняя через герметичные токовводы соединена с источником питания. Устройство содержит патрубки для подвода и отвода охлаждающей и рабочей сред и контрольно-измерительные датчики. При работе устройства в соответствующие каналы подается охлаждающая среда (воздух), и рабочая среда (воздух). Охлаждающая среда подается отдельно для охлаждения нагревательных элементов и для охлаждения токовводов. Патрубки для подачи и отвода воздуха размещены как в крышках, так и в корпусе устройства, причем воздух после выхода из охлаждающего канала может быть использован как рабочая среда. Таким образом, реализуется схема рекуператора со встречными потоками.
Недостатки данного устройства следующие. Нагрев рабочего воздуха в диапазоне температур при испытаниях изделий авиационной техники также требует применения нагревательных элементов увеличенной длины. Это приводит к неравномерному нагреву элементов, появлению градиента температур и, следовательно, к возникновению сложностей в эксплуатации данной конструкции при большом давлении рабочей среды и выходу элементов из строя. Раздельное охлаждение нагревательных элементов и токовводов усложняет конструкцию устройства и снижает его к.п.д. Использование нагретого воздуха после выхода из охлаждающего канала в качестве рабочей среды (рекуперация) уменьшает градиент температур, однако требует дополнительной системы подачи подогретого воздуха на вход рабочего канала и ее соответствующей теплоизоляции, что усложняет конструкцию устройства.
В основу предлагаемого изобретения положена задача повышения точности поддержания заданных параметров испытания объекта.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в снижении градиента температур при стендовых испытаниях объектов авиационной техники в широком диапазоне температур, давления и массового расхода воздуха.
Технический результат достигается за счет того, что в секционном трубчатом воздухонагревателе с рекуператором, содержащем внешний и внутренний корпуса, образующие концентрично расположенные рабочий и охлаждающий каналы, установленные на торцах внешнего корпуса крышки, размещенный в рабочем канале секционный трубчатый нагреватель, выполненный в виде соосно установленных силовой и скользящей опорной трубных досок с закрепленным в них через электроизолирующие втулки пучком трубных элементов, соединенных между собой перемычками в электрическую цепь, и герметичных фазовых токовводов для соединения трубных нагревательных элементов с источником питания, патрубки для подвода и отвода охлаждающей и рабочей сред и систему контрольно-измерительных датчиков. Согласно изобретению выход охлаждающего канала сообщается со входом рабочего канала таким образом, что выходящий поток охлаждающей среды является входящим потоком рабочей среды, нагреватель выполнен в виде ряда последовательно установленных секций, фазные токовводы каждой из которых выполнены в виде цилиндрической кольцевой проставки, размещенной в стенке внешнего корпуса, радиально закрепленных в проставке опорных трубок со сквозными отверстиями в стенках, несущих трубок, каждая из которых установлена концентрично в соответствующей опорной трубке, и зажима, закрепленного на конце соответствующей несущей трубки, причем опорные и несущие трубки установлены таким образом, что образуют между собой канал, который сообщается с внутренней полостью несущей трубки и через отверстия в опорных трубках с охлаждающим каналом воздухонагревателя, зажимы расположены в рабочем канале, в каждом зажиме выполнен сквозной канал, ось которого параллельна оси рабочего канала, сообщающийся с внутренней полостью несущей трубки, патрубок для подвода охлаждающей среды и патрубок для отвода рабочей среды размещены в крышке со стороны выхода рабочего канала, а воздухонагреватель снабжен дросселем, установленным на входе рабочего канала, и подвижными опорами, выполненными в виде цилиндрических направляющих, установленных в рабочем канале вдоль его оси в каждой секции нагревателя, концы которых, обращенные к входу рабочего канала, жестко закреплены в соответствующей силовой доске секции, а концы, обращенные к выходу рабочего канала, имеют возможность осевого перемещения, силовых тяг, размещенных равномерно по окружности поперечного сечения каждой из направляющих, концы которых взаимодействуют со свободным концом соответствующей направляющей и внутренним корпусом с возможностью радиального перемещения, и скользящих втулок, каждая из которых установлена на соответствующей направляющей и закреплена на взаимодействующих с последней концах силовых тяг.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной задачи, а именно повышение точности поддержания заданных параметров испытания объекта за счет:
- выполнения нагревателя в виде последовательно соединенных секций, в которых используются трубчатые элементы длиной, не превышающей 1300 мм;
- уменьшения градиента температур за счет нагрева охлаждающей среды и ее использование в качестве рабочей среды, что обеспечивается соединением выхода охлаждающего канала со входом рабочего канала;
- выполнения фазных токовводов в виде трубок и зажимов, полости которых соединены с охлаждающим и рабочим каналами, что позволяет использовать поток охлаждающей среды одновременно для охлаждения воздухонагревателя и фазных токовводов и использовать охлаждающую среду на выходе из последних как предварительно нагретую рабочую среду, и расположения дросселя на входе рабочего канала, что обеспечивает регулирование рабочего давления охлаждающей среды в фазных токовводах;
- подвижных опор, выполненных в виде направляющих, установленных с возможностью осевого перемещения, радиальных тяг, установленных с возможностью радиального перемещения, и скользящих втулок, закрепленных на концах силовых тяг секций;
- расположения патрубка для подвода охлаждающей среды и патрубка для отвода рабочей среды в крышке со стороны выхода рабочего канала.
Настоящее изобретение поясняется следующим описанием его работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг. 1 …8, где:
на фиг. 1 изображена схема трехсекционного трубчатого нагревателя воздуха с рекуператором;
на фиг. 2 изображен входной дроссель с электроприводом;
на фиг. 3 изображена секция электронагревателя;
на фиг. 4 изображен фазный токоввод и система охлаждения токоввода;
на фиг. 5 изображен способ крепления трубной доски и уплотнение трубной доски;
на фиг. 6 изображен способ крепления секций нагревателя;
на фиг. 7 изображены контрольно-измерительные датчики давления и температуры;
на фиг. 8 изображен общий вид секционного воздухонагревателя.
Трубчатый воздухонагреватель содержит внешний корпус 1 и внутренний корпус 2, образующие концентрично расположенные рабочий канал 3 и охлаждающий канал 4. На торцах внешнего корпуса 1 установлены соответствующие крышки 5 и 6. При этом в крышке 6, установленной со стороны выхода рабочего канала, размещен патрубок 7 подвода и патрубок 8 отвода соответственно охлаждающей и рабочей сред. На входе рабочего канала 3 установлен дроссель 9, состоящий из корпуса 10, соосно установленных в нем поворотного диска 11 с радиальными пазами 12 и жестко закрепленных диска 13 с радиально расположенными отверстиями 14 и выравнивающего диска 15 с равномерно выполненными на его поверхности сквозными отверстиями 16. На крышке 5 установлен привод 17 управления дросселем 9, вал 18 которого через эксцентрик 19 кинематически связан с поворотным диском 11. Между дисками установлена полая втулка 20, центральное отверстие которой соединено с рабочим каналом 3. На внешней поверхности втулки 20 со стороны привода 17 установлена пружина 21, опирающаяся на поверхность поворотного диска 11 и предназначенная для герметизации рабочей полости 3 при повороте диска 11. Внутренний корпус 2 расположен относительно внешнего корпуса таким образом, что выход охлаждающего канала 4 через дроссель 9 сообщается со входом рабочего канала 3. При этом выходящий поток охлаждающей среды становится входящим потоком рабочей среды. В рабочем канале 3 размещен трубчатый нагреватель, выполненный в виде последовательно установленных секций 22, каждая из которых содержит жестко закрепленную силовую трубную доску 23 и соосно установленную с ней скользящую опорную трубную доску 24. Крепление каждой силовой доски 23 к внутреннему корпусу 2 выполняется с помощью штифтов 25, радиально расположенных по наружной боковой поверхности, и уплотнительного пружинного кольца 26, предназначенного для герметизации стыка между соответствующей силовой трубной доской 23 и внутренним корпусом 2. В каждой секции 22 нагревателя вдоль оси рабочего канала 3 размещена подвижная опора, выполненная в виде цилиндрической направляющей 27, один конец которой закреплен в соответствующей силовой трубной доске 23, расположенной на входе рабочего канала 3. На выходе рабочего канала 3 расположены силовые тяги 28, установленные равномерно по окружности направляющей 27. Концы тяг 28 при помощи закрепленной на них скользящей втулки 29 связаны со свободным концом направляющей 27, а противоположные концы тяг 28 при помощи штифтов 30 связаны с внутренним корпусом 2. При этом тяги 28 установлены с возможностью их радиального перемещения, а свободный конец направляющей - с возможностью осевого перемещения. В силовой и опорной досках 23 и 24 каждой из ряда секций 22 через электроизолирующие втулки 31 закреплен соответствующий пучок трубных элементов 32, которые перемычками 33 связаны между собой в электрическую цепь. Каждая секция 22 нагревателя соединена с источником питания через соответствующие герметичные фазные токовводы 34, выполненные в виде размещенных во внешнем корпусе 1 цилиндрических кольцевых проставок 35. В каждой из них равномерно по окружности поперечного сечения при помощи гаек 36 закреплены радиальные опорные трубки 37 со сквозными отверстиями 38, расположенными в охлаждающем канале 4. Внутри каждой трубки 37 проходят стягивающая шпилька 39, на которой при помощи соответствующей гайки 40, шайбы 41 и упорных полуколец 42 концентрично опорной трубке 37 установлена несущая трубка 43 и керамический изолятор 44. На концах несущих трубок 43 закреплены зажимы 45, в каждом из которых выполнен сквозной канал 46, ось которого параллельна оси рабочего канала 3. При этом каждая трубка 43 расположена относительно соответствующей трубки 37 таким образом, что зажим 45 располагается в рабочем канале 3, а трубки 37 и 43 образуют канал охлаждения в виде зазора между ними, внутренней полости несущей трубки 43 и сквозного канала 46. Все каналы охлаждения фазных токовводов 34 через отверстия 38 опорных трубок 37 соединены с охлаждающим каналом 4 воздухонагревателя. Герметизация фазных токовводов 34 обеспечивается поршневыми кольцами 47 и уплотнениями 48. Для контроля температуры и давления в проставке 35 и внутреннем корпусе 2 размещены переходники 49 для термопар и штуцера 50 для датчиков давления. На внутренней поверхности рабочего канала 3 установлены съемные теплозащитные экраны 51.
2
Устройство работает следующим образом. Для обеспечения заданного температурного режима в горизонтальном положении воздухонагревателя осуществляется сборка фазных токовводов 34, установка подвижных опор и расчетного количества секций 22 нагревателя, контрольно-измерительных датчиков и при необходимости теплозащитных экранов 51. Воздухонагреватель закрывается крышками 5 и 6. Через патрубок 7 в охлаждающий канал 4 подается холодный воздух, который через дроссель 9 последовательно поступает в трубные элементы 33 секций 22 нагревателя. С помощью регулирующей арматуры системы подачи воздуха и дросселя 9, расположенного после объекта испытания, устанавливаются значения параметров воздуха по давлению и расходу согласно программе испытаний. Через фазные токовводы 34 к трубным элементам 32 секций 22 нагревателя подается напряжение от источника питания и происходит нагрев воздуха. Расчетная температура нагревательных элементов (трубок) равна Т=1100°C, поэтому для защиты внутренней поверхности внутреннего корпуса применяются теплозащитные экраны 51, выполненные из жаропрочного сплава. Стенка внутреннего корпуса 2 охлаждается холодным воздухом, проходящим через охлаждающий канал 4, и, нагреваясь, подается во входной дроссель и далее в секции 22 нагревателя. Такая конструкция позволяет исключить раздельную подачу и отвод охлаждающей и рабочей сред и использовать нагретый поток охлаждающей среды в качестве рабочей среды (рекуперация), что упрощает конструкцию и повышает к.п.д. устройства. При этом наружный силовой корпус защищается от температурных деформаций и снижается градиент температур в рабочем канале 3. Охлаждение фазных токовводов 34 также осуществляется потоком, который забирается из охлаждающего канала 4 через отверстия 38, проходит по каналам охлаждения фазных токовводов 34 и через каналы 46 зажимов 45 поступает в рабочий канал 3 воздухонагревателя в качестве рабочей среды. Таким образом, не требуется создания отдельной системы охлаждения фазных токовводов 34, что упрощает конструкцию устройства, а вывод нагретого потока среды из каналов охлаждения фазных токовводов 34 в рабочий канал 3 позволяет снизить градиент температур в последнем. Для нормальной работы системы охлаждения фазного токоввода необходим перепад давления не менее 0.5 кг/см между рабочим и охлаждающим каналами 3 и 4, что обеспечивается регулировкой дросселя 9 в процессе проведения испытаний. Последний необходим для обеспечения перепада давления в каналах охлаждения фазных токовводов 34. Регулировка осуществляется приводом 17 путем поворота диска 11, перекрывающего отверстия 14 неподвижного диска 13. При полностью закрытом дросселе 9 подача рабочей среды осуществляется через центральное отверстие втулки 20. В процессе испытаний возникающие температурные деформации компенсируются за счет перемещения направляющих 27 в осевом направлении, а силовых тяг 28 в радиальном направлении, что исключает возможность заклинивания секций 22 нагревателя, то есть повышается надежность конструкции. Рабочий поток отводится через патрубок 8 на крышке 6.
Предлагаемое изобретение позволяет повысить точность поддержания температурного режима, давления и массового расхода рабочего воздуха при испытании объектов авиационной техники.