Инфракрасный нагреватель
Использование: инфракрасный нагрев для статических теплопрочностных испытаний элементов конструкции летательных аппаратов. Сущность изобретения: каркас нагревателя выполнен в виде рамы. Между рамой и излучателями установлен теплоизоляционный экран. В раме и экране выполнены пазы, в которые входят концы П - образных скоб нагревателя. 6 ил.
Изобретение относится к экспериментальной технике для теплопрочностных статических испытаний элементов конструкцией летательных аппаратов, в частности к инфракрасным нагревательным средствам, обеспечивающим нагревание конструкций до Т= 1500-1600 К в течение длительного времени (более 
=20 мин). Создание нагревательных устройств, обеспечивающих нагрев испытываемых конструкций до упомянутых температур, является сложной проблемой экспериментальной техники. При этом чаще всего идут по пути использования рефлектора, направляющего лучистую энергию, равномерно рассеиваемую излучателями во все стороны, в нужном направлении. Таким образом, проблема создания рефлектора для такого нагревателя является основной, поскольку во многом от него зависит срок службы, время непрерывной работы, максимальные тепловые потоки, создаваемые нагревателем на испытываемом объекте, стоимость нагревателя и сложность его конструкции, стоимость самих испытаний. Известен инфракрасный нагреватель типа КП-5, содержащий пластинчатую раму, на которой укреплены токоподводы и изоляторы, излучатели, стальной рефлектор с покрытием из серебра, установленный с помощью растяжек и болтов на раме. В качестве излучателей используются кварцевые лампы типа КИО. Недостатком известного нагревателя является высокая стоимость и ненадежность рефлектора, так как при температуре объекта испытаний 
1500 К температура самого рефлектора становится близкой к предельной ( 1000 К), отражающее покрытие начинает разрушаться, происходит перегрев рефлектора и его коробление. При наличии дефектов на отражающей поверхности, а также при наличии в атмосфере паров йода, сернистых соединений и др., этот процесс происходит еще раньше, частая замена рефлектора также удорожает проведение испытаний. Известен инфракрасный нагреватель, содержащий излучатели, системы охлаждения рефлектора и излучателей. Недостатком известного нагревателя являются сложность его изготовления и наличие систем водяного охлаждения рефлектора, что затрудняет изготовление нагревательной системы большой площади из таких блоков, особенно при испытаниях в вакуумных камерах. Наиболее близок к данному изобретению инфракрасный нагреватель, содержащий корпус, инфракрасные излучатели, керамический экран, токоподводы и коллекторы подвода хладагента. Недостатком известного нагревателя является то, что температурные поля в объекте испытаний воспроизводятся со значительной погрешностью на режиме нагрева из-за наличия неизлучающих зон на поверхности нагревателя, а программные режимы охлаждения практически не воспроизводятся из-за невозможности интенсивного отвода тепла с поверхности испытываемой конструкции. При разрушении рефлектора его восстановление или замена представляет большие трудности и нагреватель становится непригодным к дальнейшему использованию, что существенно удорожает испытания. Кроме того, принятая конструкция известного нагревателя приводит к интенсивному нагреву токоподводящих частей излучателей и, как следствие, к снижению максимальной температуры испытаний. Целью изобретения является увеличение срока службы нагревателя. Цель достигается тем, что в инфракрасном нагревателе, содержащем каркас, теплоизоляционный экран, инфракрасные излучатели, токоподводы и коллекторы для подвода хладагента, расположенные внутри экрана или на внешней поверхности каркаса и соединенные с каналами, расположенными внутри экрана и направленными на испытываемое изделие; каркас выполнен в виде рамы с пазами по периметру, в которых установлены пружинные скобы П-образной формы, одни концы которых входят в торцы экрана, каркас выполнен в виде рамы, в горизонтально обращенной наружу полке которой по периметру выполнены пазы, теплоизоляционный экран установлен между рамой и излучателями и выполнен в виде плиты с фигурными торцами, в которых также выполнены пазы, расположенные в одних с пазами рамы вертикальных плоскостях, а нагреватель снабжен П-образными скобами, концы которых расположены соответственно в пазах рамы и экрана, причем коллекторы подвода хладагента установлены на раме, а в экране выполнены сквозные отверстия, соединенные с коллекторами. На фиг. 1-6 представлены схемы, иллюстрирующие конструктивное исполнение нагревателя. На фиг. 1 представлена схема нагревателя. Инфракрасные излучатели 1, например кварцевые инфракрасные лампы типа КГО, подключены к токоподводящим шинам 2, укрепленным через изоляторы 3 на стойках 4. Стойка 4 представляет собой прямоугольный лист, отогнутый от каркаса, выполненного в виде рамы 5. К раме нагревателя крепятся быстроразъемные держатели 6, причем один из держателей закреплен на раме шарнирно. Коллекторы 7 для подвода хладагента, например воздуха, соединены с каналами 8, расположенным внутри экрана 9 и направленными на испытываемое изделие. На фиг. 3 показано конструктивное исполнение быстроразъемного держателя 6. Он состоит из замка 10, шарнирно закрепленного на стойках держателя 11. В стойках держателей выполнены вырезы, в которые входит силовая арматура для подвески нагревателя. Для удержания замка в закрытом положении имеется пружинный фиксатор 12. На фиг. 5 показана схема крепления экрана к раме нагревателя, а также схема стыковки между собой соседних нагревателей. По периметру рамы выполнены пазы для установки пружинных скоб 13 П-образной формы. Одни концы скоб входят в торцы экрана, а другие прижимают его к раме нагревателя. Скобы установлены так, что они не выходят за габариты нагревателя. Стыкующие торцы экранов соседних нагревателей выполнены профилированными, например в виде уступа, причем с одной стороны уступ сделан наружу, а с противоположной уступ сделан внутрь. В качестве варианта исполнения торцы могут быть выполнены со скосом. Инфракрасный нагреватель работает следующим образом. Путем нажатия на пружинный фиксатор 12 открывают замок 10. Нагреватель устанавливают так, чтобы силовая арматура испытательного стенда попала в вырез держателя 11, после чего, отпустив фиксатор, защелкивают замок. При сборке нескольких нагревателей зазор между соседними нагревателями не должен превышать 2-3 мм, при этом профилированные торцы обеспечивают задержание теплового потока, излучаемого поверхностью объекта испытаний и излучателями. Подсоединяют токоподводящие шины 2 к источнику напряжения и подают питание на инфракрасные излучатели 1. Поверхность экрана 9, обращенная к излучателям, начинает быстро нагреваться в силу того, что материал экрана является хорошим теплоизолятором, при этом горячая поверхность сама становится источником излучения. Тепловые потери сквозь экран незначительны, так как коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала экрана достаточно мал. Отслеживание программной температуры поверхности объекта испытаний на режиме нагрева осуществляется регулированием мощности излучателей. На режиме охлаждения мощности излучателей постепенно уменьшается и при достижении значения мощности, равного нулю, в коллекторы 7 подается хладагент, например воздух, который через каналы 8 попадают на поверхность объекта и охлаждает ее. Программное охлаждение осуществляется изменением расхода воздуха или его температуры. После завершения программы испытаний прекращают подачу воздуха в коллекторы. Ожидаемая эффективность от внедрения изобретения может быть оценена на примере тепловых испытаний конструкции изделия с поверхностью нагрева 200 м2. Полный объем испытаний состоит из 500 программных циклов, на фиг. 6 изображен типовой программный цикл, где регулируемыми параметрами являются температура испытываемой конструкции и давление в испытательной камере. Проведенные предварительные оценки показывают, что наиболее оптимальные нагреватели с площадью нагрева 
0,1 м2, т.е. для обеспечения испытаний необходима система из 2000 нагревателей. Надежность, долговечность работы нагревателя определяется, в основном, сроком службы излучателей и состоянием экранов, т.к. в процессе эксплуатации, при монтаже, и демонтаже, нагревателя, в результате длительной работы в условиях высоких температур возможно разрушение экрана. Выполнение каркаса в виде рамы с пазами по периметру, в которых установлены пружинные скобы П-образной формы, одни концы которых входит в торцы экрана, другие зафиксированы на внешней поверхности каркаса, позволяет в случае выхода из строя экрана достаточно быстро произвести замену его новым и продолжить испытания. Сам каркас может быть использован длительное время без замены, так как он защищен от теплового излучения конструкции и излучателей материалов экрана и работает в относительно благоприятных условиях. Вывод токоподводящих концов инфракрасных излучателей из зоны нагрева на экран в предложенном нагревателе снижает их рабочую температуру, что позволяет увеличить максимальную температуру поверхности испытываемой конструкции до 1500-1600 К (по сравнению с 1100-1300 К в прототипе). Кроме того, это обеспечивает существенно более равномерное поле теплового потока по сравнению с прототипом, где имеется неизлучающая зона (в районе токоподводящих концов излучателей), следовательно, повышается точность испытаний. Выполнение экранов профилированными исключает возможность прямого излучения через стыки соседних нагревателей, тем самым снижаются потери мощности и повышается точность воспроизведения полей температур в конструкции. Установка коллекторов, соединенных с каналами внутри экрана, позволяет обеспечить выполнение программы испытаний во всем диапазоне температур путем подачи через них части воздуха, идущего на подъем давления в камере на режиме программного охлаждения. При испытаниях при помощи нагревателей, выполненных по схеме прототипа, наличие теплоизоляционных экранов ограничивает возможности радиационного теплосъема с поверхности объекта испытаний. Расчеты, выполненные на ЭВМ, показывают, что в этом случае воспроизведение участка охлаждения программы на фиг. 6 возможно только до температур 1000 К, в дальнейшем происходит интенсивное нарастание погрешности воспроизведения температур. Кроме того, медленное остывание объекта задерживает начало следующего программного цикла, удлиняет время испытаний и увеличивает их стоимость. Наличие быстроразъемных держателей ускоряет установку и съем нагревателей на стенде и сокращает тем самым время испытаний (по сравнению с аналогом, где использовано болтовое соединение). Шарнирное закрепление на каркасе одного из держателей обеспечивает термокомпенсацию удлинения нагревателя, снимает с каркаса температурные напряжения и удлиняет срок его службы, что дает дополнительную экономию. Кроме того, шарнирное закрепление держателя снижает допуск на неточное изготовление нагревателя и арматуры стенда.
Формула изобретения
ИНФРАКРАСНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ, содержащий каркас, теплоизоляционный экран, инфракрасные излучатели, токоподводы и коллекторы подвода хладагента, отличающийся тем, что, с целью увеличения срока службы нагревателя, каркас выполнен в виде рамы, в горизонтальной, обращенной наружу полке которой по периметру выполнены пазы, теплоизоляционный экран установлен между рамой и излучателями и выполнен в виде плиты с фигурными торцами, в которых также выполнены пазы, расположенные в одних с пазами рамы вертикальных плоскостях, а нагреватель снабжен П-образными скобами, концы которых расположены соответственно в пазах рамы и экрана, причем коллекторы подвода хладагента установлены на раме, а в экране выполнены сквозные отверстия, соединенными с коллекторами.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6
