石墨电阻加热器的热相关参数设计方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨电阻加热器的热相关参数设计方法，石墨电阻加热器由矩形螺旋通道、加热管、端部导热、隔热层等组件组成，本发明专利技术通过选定加热器结构参数和给定加热器功率，采用一种气流‑加热管‑隔热层温度联合简化计算模型，计算得出加热器的气流、加热元件、隔热层的轴向温度分布，通过出口气流温度指标、效率指标等要求达标，完成石墨电阻加热器的热相关参数设计计算。

Design method of thermal correlation parameter for graphite resistance heater

The present invention discloses heat related parameters of a graphite heater design method, graphite heater is composed of a rectangular spiral channel, the end of the heating tube, heat conduction, insulation components, the present invention by selecting the heater structure parameters and given the heater power, using a air heating pipe insulation temperature and the simplified calculation model the axial temperature distribution, calculated the heater air flow, heating element, heat insulation layer, the standard outlet gas temperature index, efficiency index, calculation of thermal parameters design of graphite resistance heater.

【技术实现步骤摘要】
石墨电阻加热器的热相关参数设计方法
本专利技术涉及一种超高温连续式气体加热器，尤其涉及一种石墨电阻加热器的热相关参数设计方法。
技术介绍
石墨电阻加热器是一种超高温连续式气体加热器，可用于氮气等惰性气体加热，加热温度高达2500K，可应用于高超风洞等地面模拟试验设备的气体介质加热。石墨电阻加热器的热相关参数设计方法是一种工程化的连续式加热器热设计方法。现有连续式加热器热设计方法主要分为两种：一种是工程化简易热效应的加热器设计方法，仅考虑对流、能源等简单热效应；另一种是精细化仿真模拟的加热器设计方法，通常用于精确分析加热器热效应的细节特征。(1)简单热效应的加热器热设计方法：这是一种加热器工程热设计方法，仅考虑管内气流对流、能源等简单热效应，控制方程从左至右依次表示气流增加能量、圆管与气流对流换热能量、电源加载能量，其中圆管与气流的对流换热为工程化热处理方法(请看图1)。控制方程表示为：(2)精细化仿真模拟的加热器设计方法：在陈华军、沈新荣等人发表的文献中，对矩形截面螺旋管内对流传热特性进行了详细研究，分析了在旋转、曲率和挠率共同影响下管道中的二次流动、轴向主流分布、摩擦系数比、管道Nusselt数与各参数之间的变化情况，着重研究矩形螺旋通道内的流动换热机理。在吴双应、陈素君等人发表的文献中，对环形截面螺旋管内对流传热特性进行了详细研究，分析了在内环加热外环绝热情况下雷诺数、曲率、螺距对管道Nusselt数、摩擦系数的影响。在上面这两种方法中，简单热效应的加热器热设计方法未考虑导热损失、辐射损失等热效应，仅能适应低温连续式加热器的设计。而精细化仿真模拟的加热器设计方法由于控制方程极其复杂，仅能用于研究局部热效应，无法适应工程应用。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术设计开发了一种石墨电阻加热器的热相关参数设计方法，可以完全通过理论推导，而不通过经验曲线，来获取加热器的热相关参数；该方法可以适应对超高温、低温的工程化连续式加热器的设计。本专利技术提供的技术方案为：一种石墨电阻加热器的热相关参数设计方法，所述石墨电阻加热器包括矩形螺旋通道、加热管、冷端导热件、热端导热件以及隔热层，所述石墨电阻加热管套设于所述矩形螺旋通道的外部，所述冷端导热件连接于所述加热管的冷端，所述热端导热件连接于所述加热管的热端，所述隔热层套设在所述石墨电阻加热管的外部，一加热电源电连接至所述冷端导热件和所述热端导热件，从而启动所述加热管发热；所述方法包括以下步骤：步骤一、按照以下方式对矩形螺旋通道、加热管以及热端导热件的参数进行设定和计算：所述矩形螺旋通道的高度其中，G为气流流量，P为气流压力，R为热力学常数，ugL为所述矩阵螺旋通道的出口气流速度；将所述矩形螺旋通道沿轴向离散为M个微元，则在第i个微元上气流温度为tgi，tg1为所述矩形螺旋通道在第1个微元的气流温度；所述矩形螺旋通道的宽度b＝3.5·a；所述矩形螺旋通道的螺距s＝a+Δa，Δa＝3～5mm；所述矩形螺旋通道的外径dw＝1.8·s；所述加热管的厚度δw＝5～10mm；所述加热管的长度其中，Cp为气体定压热容比，α为对流换热系数，tg0为所述矩形螺旋通道的冷端气流温度，Δtgw＝250～350K，为加热管与气流的设计温差，tgM为所述矩阵螺旋通道的热端气流温度；所述加热管的导热系数λw＝50～100W/(m*K)；步骤二、按以下方式对隔热层的参数进行设定和计算：所述隔热层的厚度δf＝60～100mm；为所述隔热层与所述加热管的外壁之间的间距h从20～30mm的范围内选定一个初始值；步骤三、按以下方式对冷端导热件和热端导热件的参数进行设定和计算：所述冷端导热件的外端温度tw0外＝300K，所述热端导热件的外端温度tw1外＝300K，则有：其中，q0为冷端导热热流，λw0为冷端导热件的等效导热系数，L0为冷端导热件的等效导热通道长度，S0为冷端导热件的等效导热截面面积，tw0为所述加热管的冷端温度；其中，q1为热端导热热流，λw1为热端导热件的等效导热系数，L1为热端导热件的等效导热通道长度，S1为热端导热件的等效导热截面面积，tw1为所述加热管的热端温度；步骤四、气流-加热管-隔热层的温度联合简化计算：将矩形螺旋通道沿轴向离散为M个微元，则在第i个微元上气流温度为tgi，将所述加热管沿轴向离散为M个微元，则在第i个微元上加热管温度为twi，将所述隔热层沿轴向离散为M个独立圆筒径向导热模型；(1)建立气流控制方程：其中，tg0＝273K，n为单位长度内所述矩形螺旋通道湿周长；(2)建立加热管控制方程：其中，所述加热管的横截面面积单位长度的加热管的外表面面积A2＝π·dw，α为对流换热系数，σb为斯蒂芬-波尔兹蔓常数，ρw为所述加热管的密度，Cw为加热管的材料比热容，λw为所述加热管的材料导热率，τ为时间，xi为加热管的第i个微元；另有，所述加热管所接受到的辐射能其中，所述隔热层内表面第j个微元对所述加热管的第i个微元的辐射角系数所述加热管的第i个微元的辐射能E(xj)＝σb·taj4，所述加热管的第j个微元的面积dAj＝π·(dw+2h)·dxj，taj为所述隔热层的内表面的第j微元的温度，Rij为所述隔热层内表面的第j个微元与所述加热管的第i微元之间的距离；(3)建立隔热层外表面控制方程和隔热层内表面控制方程：隔热层内表面控制方程为：其中，tbj为所述隔热层的外表面第j微元的温度，taj为所述隔热层内表面第j微元的温度，λf为所述隔热层的材料导热率，da＝dw+2δw+2h，db＝dw+2δw+2h+δf；另有，所述隔热层内表面所接受到的辐射能其中，所述隔热层内表面第j个微元对所述加热管的第i个微元的辐射角系数所述加热管的第i个微元的辐射能E(xi)＝σb·twi4，所述加热管的第i个微元的面积，dAi＝π·dw+dxi；隔热层外表面控制方程为：其中，αs为自然对流换热系数，t0＝303K；(4)将所述步骤三中得到的q0、q1、tw1外和tw0外作为边界条件，将气流控制方程、加热管控制方程、隔热层内表面控制方程和隔热层外表面控制方程联合，再结合边界条件，计算出M个tgi值，M个twi值，M个tbj值和M个taj值；(5)给定一个加热器功率N，利用(1)～(4)计算出tgi、twi、tbj、taj值，通过给定不同的N值，直到tgM≥tgL，tgL为气流温度阈值；步骤五、加热器效率计算计算加热器效率其中，N的取值为由步骤四中所最终确定的数值，当所计算出的加热器效率小于η0，则改变h的取值，并重新执行步骤四，直到η≥η0，其中，η0为加热器效率指标。优选的是，所述的石墨电阻加热器的热相关参数设计方法中，热端导热件的出口气流速度ugL＝30m/s。优选的是，所述的石墨电阻加热器的热相关参数设计方法中，η0取值为50％。优选的是，所述的石墨电阻加热器的热相关参数设计方法中，αs取值为8.7W/(m*K)。优选的是，所述的石墨电阻加热器的热相关参数设计方法中，所述步骤五中，改变h的取值时，在20～30mm之外的范围内取值。本专利技术所述的石墨电阻加热器的热相关参数设计方法通过选定加热器结构参数和给定加热器功率，采用气流-加热管-隔热层的温度联合简化计算模型，计算得出加热器的气流、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨电阻加热器的热相关参数设计方法，其特征在于，所述石墨电阻加热器包括矩形螺旋通道、加热管、冷端导热件、热端导热件以及隔热层，所述石墨电阻加热管套设于所述矩形螺旋通道的外部，所述冷端导热件连接于所述加热管的冷端，所述热端导热件连接于所述加热管的热端，所述隔热层套设在所述石墨电阻加热管的外部，一加热电源电连接至所述冷端导热件和所述热端导热件，从而启动所述加热管发热；所述方法包括以下步骤：步骤一、按照以下方式对矩形螺旋通道、加热管以及热端导热件的参数进行设定和计算：所述矩形螺旋通道的高度

【技术特征摘要】
1.一种石墨电阻加热器的热相关参数设计方法，其特征在于，所述石墨电阻加热器包括矩形螺旋通道、加热管、冷端导热件、热端导热件以及隔热层，所述石墨电阻加热管套设于所述矩形螺旋通道的外部，所述冷端导热件连接于所述加热管的冷端，所述热端导热件连接于所述加热管的热端，所述隔热层套设在所述石墨电阻加热管的外部，一加热电源电连接至所述冷端导热件和所述热端导热件，从而启动所述加热管发热；所述方法包括以下步骤：步骤一、按照以下方式对矩形螺旋通道、加热管以及热端导热件的参数进行设定和计算：所述矩形螺旋通道的高度其中，G为气流流量，P为气流压力，R为热力学常数，ugL为所述矩阵螺旋通道的出口气流速度；将所述矩形螺旋通道沿轴向离散为M个微元，则在第i个微元上气流温度为tgi，tg1为所述矩形螺旋通道在第1个微元的气流温度；所述矩形螺旋通道的宽度b＝3.5·a；所述矩形螺旋通道的螺距s＝a+Δa，Δa＝3～5mm；所述矩形螺旋通道的外径dw＝1.8·s；所述加热管的厚度δw＝5～10mm；所述加热管的长度其中，Cp为气体定压热容比，α为对流换热系数，tg0为所述矩形螺旋通道的冷端气流温度，Δtgw＝250～350K，为加热管与气流的设计温差，tgM为所述矩阵螺旋通道的热端气流温度；所述加热管的导热系数λw＝50～100W/(m*K)；步骤二、按以下方式对隔热层的参数进行设定和计算：所述隔热层的厚度δf＝60～100mm；为所述隔热层与所述加热管的外壁之间的间距h从20～30mm的范围内选定一个初始值；步骤三、按以下方式对冷端导热件和热端导热件的参数进行设定和计算：所述冷端导热件的外端温度tw0外＝300K，所述热端导热件的外端温度tw1外＝300K，则有：其中，q0为冷端导热热流，λw0为冷端导热件的等效导热系数，L0为冷端导热件的等效导热通道长度，S0为冷端导热件的等效导热截面面积，tw0为所述加热管的冷端温度；其中，q1为热端导热热流，λw1为热端导热件的等效导热系数，L1为热端导热件的等效导热通道长度，S1为热端导热件的等效导热截面面积，tw1为所述加热管的热端温度；步骤四、气流-加热管-隔热层的温度联合简化计算：将矩形螺旋通道沿轴向离散为M个微元，则在第i个微元上气流温度为tgi，将所述加热管沿轴向离散为M个微元，则在第i个微元上加热管温度为twi，将所述隔热层沿轴向离散为M个独立圆筒径向导热模型；(1)建立气流控制方程：其中，tg0＝273K，n为单位长度内所述矩形螺旋通道湿周长；(2)建...

【专利技术属性】
技术研发人员：易欢，黄炳修，孙勇堂，石运军，
申请(专利权)人：北京航天益森风洞工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11