快速热循环

快速热循环（精选七篇）

快速热循环 篇1

1 快速热循环技术工艺原理及特点

1.1 快速热循环注塑工艺原理

快速热循环注塑技术其核心在于对温度的控制, 加热最关键的部分是在熔体注射到模具之前, 为了保证塑品的质量, 一般会将温度提升到材料玻璃化转变温度以上几度, 接着在将熔体注射到模具腔内时其温度一直保持在之前的水平上, 在保压后期或者是注塑机开始熔胶时, 不再加热并且使用低温介质对产品进行快速降温, 便于取件且缩短注塑周期。传统的注塑工艺中, 整个系统的温度维持不变, 而快速热循环注塑工艺中温度形成变化周期, 其顺序依次是模具加热、高温保持、模具冷却和低温保持四个阶段, 其中最重要的是精确控制模具加热的温度, 温度太高对资源是一种浪费, 也可能破坏材料的性质, 温度太低达不到质量要求等, 并且加热的方法不能为常规的加热方法, 因为可能延长注塑周期, 降低生产效率, 因此快速热循环注塑需要采用快速加热和快速冷却技术。

1.2 快速热循环注塑工艺技术特点

快速热循环注塑工艺于传统注塑工艺相比较最大的创新点是能够动态控制系统的温度, 在系统内部的改善体现在减小熔体模具腔内部的流动阻力, 减小注射压力和充模时的剪切力, 最终减小塑品上残存的应力, 提高塑品的力学特性。与传统注塑工艺相比, 快速热循环注塑工艺的优点具体表现在以下几个方面:一是可以避免在模具腔体内壁处形成冷凝层, 这样就不会再塑品的表面出现褶皱或者凸凹不平, 从外观上提高制品质量;二是制品表面不存在熔接痕、流痕等各种缺陷, 传统工艺制作出来的塑品存在这些问题, 以往为了遮盖这些毛病, 制作者会在其表面喷漆, 对塑品进行二次加工, 既浪费材料, 而且所喷的漆中含有甲醛以及重金属污染物, 对人们健康有巨大的威胁, 因此快速热循环注塑工艺无污染、成本低、生产周期短等优点值得其被扩大氛围使用。

2 快速热循环注塑成型关键技术研究———产品结构关键部位设计

从生产中可以发现注塑产品的质量好坏除了与技术工艺参数有关外, 还与结构设计是否符合成型的工艺性要求有关, 因为结构设计合理能降低缺陷形成概率。因此在设计注塑产品的结构时需要考虑到以下几个方面:一是产品结构设计要合理, 便于模具的加工制造和成型工艺的实施;二是在保证产品外观质量和使用性能的前提下, 产品结构要力求简单, 壁厚要均匀一致, 便于后续的装配操作;三是要减少塑件成型前后的辅助工作, 尽量避免成型后的二次加工, 做到产品成型的高效率、低消耗。产品结构设计还要注意以下几方面。

2.1 壁厚和螺钉柱孔设计

产品的性能和质量等与其本身的壁厚有很大的关系, 在产品结构设计时, 壁厚要根据材料的性能、塑件结构与用途来设计, 以不引起表面缩痕为标准, 尽可能避免壁厚设计太小, 产品的刚度和硬度不够, 注射充模困难;避免壁厚设计太大, 浪费资源, 冷却困难, 增加注塑周期, 降低生产效率等情况, 因此壁厚一般为2-4毫米, 最低不能小于1毫米, 这样塑品表面光泽度高, 瑕疵量少, 在生产中, 技术人员一般将壁厚控制在3.5毫米以下, 模具表面温度控制在材料热变形温度以上, 提高流体的流动性能, 制造出壁厚符合要求的产品。螺钉柱孔要充分考虑到孔的形状、位置设计, 螺钉柱孔主要作用是减小塑件的缩小程度, 因此现在常用的是添加斜顶槽的螺钉孔, 其可提高塑件壁厚的均匀性, 有效避免产品外表面缩痕的产生。此外在设计时还要考虑产品使用材料的收缩比, 合理安排壁厚和螺钉孔的尺寸。

2.2 拔模斜度和加强筋设计

拔模斜度是指平行于模具开合模方向, 塑件壁面所应具有的倾斜度。当熔体进入模具以后, 冷却时遵循热胀冷缩原理, 产品体积缩小, 会使塑件的型腔和芯凸出来, 不易取出, 或者取出来的时候容易被划伤, 拔模斜度设计对产品品质影响很大, 在生产中塑件的拔模斜度一般控制在3°以上。此外在提高产品轻度和刚性方面, 加强筋是必不可少的, 其还能改善产品在模具中的流动情况, 保证产品表面平整度高, 在工程应用中发现夹墙井最佳设计值小于壁厚的0.4倍。

3 结束语

现在各个行业发展都离不开塑品, 其质量的好坏对其领域的影响较大, 现在很多学者均在研究提高塑品质量的技术, 目前比较热门的技术就是快速热循环注塑技术, 以控制温度来控制产品质量和注塑周期, 但其中涉及到的参数较多, 文章只研究了壁厚、拔模斜度、加强筋和螺钉柱孔的设计参数, 其它部分在后期会进行深入研究, 也期待更多的学者共同参与研究。

摘要：当前在国民经济的各个行业都涉及到注塑成型的塑料加工品, 但是注塑工艺复杂, 产品表面瑕疵多, 影响外观, 使得其力学性能较差, 在工业使用中是一大隐患。为了提高产品的质量, 工厂技术人员曾经使用喷漆的方式提高表面光滑度, 但是喷漆对人身体健康威胁很大, 因此为了更大程度的满足客户的需求, 在外观和质量上做了很大的改善, 很多技术人员提出了快速热循环注塑技术, 在减少表面瑕疵上有很大的帮助。文章简述快速热循环技术工艺原理及特点, 并提出该工艺的关键技术中涉及到的产品结构关键部位的设计建议, 充分展示出其巨大的发展空间。

关键词：快速热循环,注塑模具技术,有限元模拟,优化设计

参考文献

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[2]石峰, 娄臻亮, 陆金桂, 等.基于模糊粗糙集模型的注塑模浇注系统方案智能化设计研究[J].机械工程学报, 2003, 39 (9) :123-127.

[3]余晓容, 申长雨, 陈静波.注塑模浇注系统位置的自动设计[J].机械工程学报, 2004, 40 (6) :174-177.

快速热循环 篇2

目前, 用于RHCM注塑成型的材料主要包括ABS、HIPS、PC、PC/PBT、PC/ABS等非结晶树脂或混有非结晶成分的复合材料, 而它们高昂的成本降低了其市场竞争力, 众多企业及研究人员正在寻找综合性能优良、价格更低廉的替代材料。聚丙烯是一种半结晶型多相聚合物, 无毒无臭、原料来源丰富、价格低廉, 作为通用树脂中发展最快的品种, 已成为目前产量和用量仅次于聚乙烯 (PE) 的第二大商品塑料。聚丙烯结构规整度高、耐热性好、质轻、耐应力开裂性及化学稳定性优异, 亲水性低, 加工性能优良。正因为聚丙烯树脂的上述优点, 已在日用电器产品、汽车内饰和零部件领域占有一席之地, 聚丙烯已被认为是代替ABS、HIPS、PC等RHCM适应性树脂 (高光树脂) 最理想的材料之一。然而, RHCM工艺对PP应用性能的影响还有待进一步研究。

本文以RHCM注塑工艺为研究条件, 以多型腔标准样条模具为研究对象, 利用Moldflow注塑分析软件为研究手段, 重点探讨模具型腔表面温度对半结晶PP塑件翘曲的影响, 并分析引起该效果的本质原因。

一、整体翘曲程度分析

塑件的翘曲程度是评价塑件质量的一个重要指标, 而针对结晶型塑料, 这一指标显得更为重要。图1给出了传统注塑及RHCM注塑模具温度对PP样条整体翘曲程度影响对比图。从图中可以看到, 两者均呈现为单浇口哑铃型样条的翘曲最为严重, 当模具型腔表面温度从传统注塑工艺的50℃增加到RHCM的80℃时, PP塑件整体的翘曲程度增加。众所周知, 对于结晶型塑料, 结晶度是引起塑件翘曲的本质原因, Moldflow分析结果暗示, 在注塑充型过程中, 当模具型腔表面温度增加时, PP的结晶度显著提高。

二、翘曲问题中的重要因素分析

引起PP塑件翘曲问题的原因很多, 但其中两个因素不容忽视, 一是塑件第一主方向上残余应力的大小, 另一个是塑件的体积收缩率。

(一) 残余应力对比。

从图2中可以明显看到, 当熔体充型过程中模具表面温度增加的时候, 塑件残余应力最大值变小, 应力分布更均匀。因此, 尽管PP的结晶度增加、晶粒间不平衡机会增加, 但由于结晶过程中的温度梯度变小, 聚丙烯分子链更容易运动而松弛, 塑件的残余应力反而更均匀。这一影响结果有利于很多物理性能的改进, 如力学性能、表面质量等。另外, 比较厚的冲击样条表现出最大的残余应力。

(二) 收缩情况分析。

收缩易导致塑件表面产生凹痕、凹坑、熔接痕等成型缺陷, 不仅影响注塑制品的表面质量, 同时影响制品的强度、刚度等应用性能。然而, 根据上面的讨论, 随着模具温度的增加, PP的结晶度增加, 这势必导致收缩率的增加, 而残余应力的减小, 又有利于塑件收缩的减小。图3展示了两个因素共同作用的结果, 从图中看以看到, 随着模具表面温度的增加, 塑件总的收缩率增大, 而两者的差异很大。这说明, 引起塑件整体翘曲差异的主要原因应该是两者之间的收缩率。较厚的冲击样条依然表现出最大的收缩率。

三、结语

通过Moldflow软件分析, RHCM注塑模具温度增加PP塑件的翘曲程度, 同时, 对翘曲起重要作用的残余应力减少, 收缩率增大。因此, 与传统注塑工艺相比, 在RHCM成型结晶型聚合物时, 为了保证塑件的尺寸稳定性, 应对原材料进行尺寸稳定性的改性。在保证塑件应用性能的前提下, 尽量减小被成型塑件厚度。

参考文献

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[2] .X.Zhou, J.F.Feng, D.Cheng, J.J.Yi, L.Wang.Different crystallization behavior of olefin block copolymer inα-andβ-polypropylene matrix[J].Polymer, 2013

热循环清蜡技术浅谈 篇3

1.1 结蜡原因

油井在生产过程中之所以结蜡, 根本的原因是油井产出的原油中含有蜡, 结蜡过程如下:原油从地层流入井筒, 然后从井底上升到井口的活动过程中, 随着温度和压力的下降以及轻质组分的不断逸出, 降低了原油对蜡的溶解能力, 蜡开始结晶、析出、聚集、沉积, 附着在油管、油杆壁上, 这就是我们通常所说的“结蜡现象”。

1.2 结蜡危害

油田开发过程中油井结蜡现象普遍存在, 油井结蜡严重影响了油井的正常生产, 主要表现在以下几方面:

(1) 油井结蜡给日常管理带来大量工作, 增加了井下事故发生的可能性和机率。

(2) 油管和抽油杆间的结蜡会使出油通道内径逐渐减少, 增大油流阻力, 降低油井产能;同时会增大抽油机载荷, 降低抽油机效率, 甚至会造成抽油泵蜡卡。

(3) 地层射孔炮眼和泵入口处结蜡, 会增大油流阻力, 降低泵效。

(4) 地层内部结蜡会大幅度降低其油相渗透率, 使油井大幅度减产或停产等。

(5) 油井结蜡给油气集输, 油田开发带来许多困难, 需要采取许多工艺技术措施, 使开发成本增加影响油田的经济效果。

2 热循环清蜡技术的工作原理

地层液从井筒经抽油泵举升至井口后, 经过流程流到储油罐, 油井产出液达到一定的量后, 经加热处理后, 将油水混合物分离, 将分离的热水继续加热到规定温度后, 添加一定的化学剂, 配成一定浓度的循环液, 经软管注入油套环形空间, 不断循环往复, 使整个油井温度逐渐升高, 当油井温度大于等于蜡熔点时, 油管壁、抽油杆的结蜡将被缓慢熔化, 液体在下落过程中, 把热量传递给油管, 加热附着在管壁上的蜡块, 使之熔化、脱落。液体到达泵吸入口, 被抽入油管向上流动的同时, 进一步加热熔化油管壁及抽油杆上的蜡块, 并将之带出井筒, 从而达到热循环清蜡的目的。

3 热循环清蜡技术操作过程

将配置好的热循环液通过罐车运到井口后, 在罐口接一根软胶管到油井井口套管闸门;或直接从储油罐的阀门处接一根软胶管到油井井口套管闸门。缓慢打开罐口的闸门后, 罐内的热水靠自重流入套管进行井筒的热洗, 根据设计要求, 调节循环液量。

4 热循环清蜡技术适用条件

(1) 抽油泵工作正常;

(2) 井底杂质少, 油井出砂不严重;

(3) 热循环流程畅通, 且油管无漏失;

(4) 油井沉没度小, 作业井深小。

5 热循环清蜡技术的优点

(1) 热循环清蜡技术可以达到保护油层的目的, 并且避免洗井后排液影响产量, 有利于油井的稳定生产。

热循环清蜡技术采用不加压, 自身液洗井, 不污染油层。该技术与常规热洗相比, 采用了依靠重力致使液体在井筒不断循环, 不易造成洗井液进人地层, 另外, 由于用自身产液循环, 从而就避免了洗井液与地层水不配伍所造成的伤害。综上两点, 此技术不会造成油层污染, 可有效的保护油层。

(2) 热循环清蜡技术与其他清蜡方法相比, 成本低。

热循环清蜡技术是在充分利用油井伴生气的基础上, 根据需要, 利用少量煤加热, 因而可以说基本没有人员投入, 可大大节约作业及生产成本。

(3) 工艺流程简单, 操作简便易学且安全可靠。

(4) 热循环清蜡技术的应用受油井产液量、产气量、沉没度、泵况等条件的限制小, 对于地层压力低、漏失量大的油井, 有一定的应用前景。

6 热循环清蜡技术的效果分析

使用热循环清蜡技术, 应用效果非常理想, 主要表现在以下几方面:

(1) 清蜡效果明显。在热循环清蜡过程中, 大量的蜡随同产出的井液从油管排除, 清蜡后抽油机负荷明显减轻。

(2) 可使油井检修期增长。通过实施热循环清蜡后, 可使油井检修期增长1.5—2.0倍, 特别是对于油井结蜡严重造成的断杆、蜡卡现象应用较好, 效果明显。

(3) 部分油井相对增产。对于部分降产幅度大的油井, 通过实施热循环清蜡后, 油井基本上可以恢复先前产量, 特别对于低含水油井, 热循环清蜡后, 许多油井产量可大大提高。

(4) 保护储层效果明显。根据跃进二号油田目前的开采情况, 地层压力低, 漏失量大, 能够强制循环洗井的井已为数不多。而热循环清蜡采用了依靠重力致使液体在井筒不断循环, 不易造成洗井液进人地层, 另外, 由于用自身产液循环, 从而就避免了洗井液与地层水不配伍所造成的伤害, 达到保护油层的目的。

(5) 热循环清蜡成本低。热循环清蜡充分利用本井的生产液体和伴生气作为抽油井热循环清蜡介质和能源, 经加热处理后, 注入井内不断反循环洗井, 在热循环的过程中, 添加一定浓度的化学剂, 使井内温度达到蜡的熔点, 蜡被逐渐熔化并随同油流到地面。该技术以油井自产液为热循环载体, 反循环过程中, 添加一定量的化学剂, 总合计成本远小于修井费用。7结论

热循环清蜡技术具有很好的应用前景, 具有节能降耗、不污染环境、投入成本低、操作简单的特点, 能达到保护油层的良好效果, 可有效的降低油井负荷, 减少维护性作业井次, 减少成本支出, 并且油井恢复期短, 是一项值得推广的油井技术。

摘要：热循环清蜡技术是利用本井的生产液体和伴生气作为抽油井热循环清蜡介质和能源, 经加热处理后, 注入井内不断循环, 在热循环的过程中, 添加一定浓度的化学剂, 使井内温度达到蜡的熔点, 蜡被逐渐熔化并随同油流到地面。该技术在作业过程中, 既达到了保护油层、延长油井检修周期的目的, 又提高伴生气资源、热能的利用率。该技术应用效果良好, 具有操作简单、成本低、不污染油层的特点。

关键词：结蜡,热循环清蜡,检修周期

参考文献

[1]孙树强, 主编.井下作业[M].石油工业出版社, 2006[1]孙树强, 主编.井下作业[M].石油工业出版社, 2006

[2]郭铁, 主编.石油开采十大技术标准规范[Z].中国科技文化出版社, 1992[2]郭铁, 主编.石油开采十大技术标准规范[Z].中国科技文化出版社, 1992

[3]张绍槐, 罗平亚等编著.保护储集层技术[J].石油工业出版社, 1993[3]张绍槐, 罗平亚等编著.保护储集层技术[J].石油工业出版社, 1993

[4]胜利石油管理局培训处编.稠油热采技术[Z].石油工业出版社, 1992[4]胜利石油管理局培训处编.稠油热采技术[Z].石油工业出版社, 1992

冷凝热回收热水循环系统的自控设计 篇4

众多的专家和学者在这些方面进行了大量的研究,在国内外也有许多的应用[2,3,4]。在这些研究中,更多的是关注冷凝热回收的系统设计,而对该热水循环的自动控制的设计涉及较少。本项目以长沙某酒店的空调制冷主机的冷凝热回收的热水循环系统为例,对其自动控制的控制原理进行了详细阐述。

1. 冷凝热回收的热水循环系统的工艺流程

空调制冷机组的冷凝热回收时,可以分为显热回收与全热回收,显热回收时其回收的热量较小但回收时可以得到较高的热水温度,而全热回收时可以回收全部的冷凝热但是得到的热水温度较低。冷凝热回收冷凝器又可以分为分体串联式、分体并联式与单冷凝器型式。一般分体串联式与并联式适合于现场进行冷凝热热回收改造,但造价较高; 单冷凝器式适合于由主机制造商在工厂制造,造价较低。为了提高热回收效率同时又得到较高的热水温度,一般采取全热回收型式和部分热回收相结合的型式,同时在热回收系统设置循环水箱。

2. 冷凝热回收的热水循环系统的关键控制参数

采用热回收的系统,其热回收率是评价一个热回收系统节能效果的重要参数。同时如回收得到的热水温度较高,提供生活热水时,则可以不再开启辅助电加热装置以较少能源的消耗。相关资料表明,如对于一般的生活用途而言,要求热水供水温度在55℃ ~ 60℃。因此,对于热回收系统,热回收效率和热水温度是其中两个重要的控制参数。

同时,压缩机排气温度越高,则冷凝温度越高; 而冷凝温度越高,可以回收得到的热水温度越高。而空调制冷系统的过热度、过冷度、蒸发温度又影响着压缩机的排气温度。在一般的空调制冷系统中,蒸发温度、过冷度与过热度是确定的,其变化幅度非常小。因此,冷凝温度成为影响冷凝热回收得到的热水温度的关键。

肖浩斌与朱德斌等人的研究表明,在不同的冷凝温度下,热回收效率与设计出水温度存在一个最佳的状态点,在此热水温度下,其热回收效率可以达到100% ,出水温度超过此点,则热回收效率显著下降。如在冷凝温度为50℃情况下,热水出水温度为56℃时,其热回收效率为100% 。同时,进出温差越大,其热回收效率越高。

因此,为尽可能得到高回收效率,在合适的冷凝温度下,热水出水温度与进出水温差成为关键控制参数。

3. 冷凝热回收的热水循环系统的自控系统的设计

本酒店项目位于湖南省长沙市。酒店空调的制冷系统采用两台螺杆式冷水机组,原生活热水的提供采用燃气锅炉。根据前面的论述,在原螺杆式制冷机组上加装热回收冷凝器,采用分体串联式。

( 1) 冷凝热回收的热水循环系统的运行策略。以控制机组稳定运行、提高热回收效率、保证热水系统的水温为前提,制订如下的运行模式: 1当热回收冷凝器热水的出口温度低于系统设定冷凝温度时,热水循环泵满载运行、冷却水泵不运行。2当热回收冷凝器热水的出口温度高于系统设定冷凝温度时,热水循环泵低频运行、冷却水泵低频运行。两个水泵的运行频率的调节以制冷机组的冷凝温度为控制依据。当冷凝温度升高时,降低热水循环泵的运行频率,提高冷却水泵的运行频率。反之亦然。3当热回收冷凝器的热水出口温度达到设计温度时,停止热水循环泵运行,冷却水泵满载运行。4当热水用水量超过制冷机组运行时所能制取的热水时,开启电辅助加热装置以满足项目所需。

( 2) 控制器的选择。本项目采用霍尼韦尔公司的Excel 800系统,现场的传感器与执行器全部采用霍尼韦尔公司的产品。主要控制的设备包括热回收冷凝器、机组标准冷凝器、热水循环泵、热水箱、辅助电加热器、冷却塔及冷却水泵。水泵运行采用变频器进行控制。

霍尼韦尔公司的Excel 800系统采用模块化的设计,其模块化的设计理念使得系统可扩展,以适应系统今后的扩展需求。同时Excel 800采用了全新的专利技术的Panel总线,通过使用“即插即用”的Panel总线I/O模块,极大地节省了安装和调试成本。与此同时,开放的Lon Works标准使得控制器可以很容易地集成第三方控制器,或与其他Honeywell控制设备进行通讯,并通过一个调制解调器或ISDN终端适配器连接到楼宇管理平台来可以实现远端服务。

( 3) 主要监控内容包括: 1热回收冷凝器进出口水温、标准冷凝器进出口水温、热水箱水温的监测和流经热水循环水泵和冷却塔水泵水流量的控制;2通过调节热水循环水泵的流量控制热回收冷凝器的出口水温和热水箱的水温; 3通过调节冷却水泵的开启和流量的控制制冷机组的冷凝温度和冷凝压力; 4通过控制辅助加热器装置控制供水温度; 5监测热水箱的水位,根据其水位控制补水阀的开关; 6监测各设备的运行状态; 7记录各运行参数、状态、启停时间、累计运行时间。

4. 总结

( 1) 该酒店的制冷主机改装了冷凝热回收系统以后,其热回收效率最高可以达到97% ,回收的冷凝热足以满足酒店制冷季节的热水加热所需热量。同时,获得的热水温度最高可以达到57℃ ,绝大部分时间不开启电辅助加热装置就能满足酒店人员的使用,经济效益显著。

( 2) 采用DDC控制系统对热回收热水循环系统热水流量和热水温度的合理选择,可以得到更高的热回收效率;减少了加热热水所需要的能源,系统的能源效率得到显著提高。

( 3) 模块化的控制器的设计,如今后该酒店将空调主机房的设备进行整体控制,方便系统今后的扩展。

快速热循环 篇5

定量基因扩增仪(PCR仪)是目前基因分析领域常用的仪器设备之一[1]，能在短时间内在体外大量扩增特定的DNA片段，并利用荧光信号实时监测PCR进程，实现对模板DNA的定量。定量PCR仪的核心组成部分———热循环系统，能够使DNA样本达到PCR技术要求的变性、退火、延伸温度，并保持一定时间，且不断循环。因为热电制冷器(thermoelectric cooler，TEC)[2]具有体积小、重量轻、无噪声、可靠性高、制冷/加热迅速、使用方便等特点，目前大多数PCR仪热循环系统采用热电制冷器作为加热制冷元件。

国内外对热电制冷器的研究主要侧重于其稳态下的制冷特性、工作参数的优化等，对基于热电制冷器的系统在稳态和非稳态下的性能研究还不多[3]。而PCR反应需在不同温度下循环，且各温度段的维持时间较短(20～30s)，为使DNA样品快速、准确、稳定地达到目标温度，对制冷和加热工作模式下的热循环系统的动态性能进行研究显得尤为重要。传统的解析法和数值计算方法过程复杂，不便于分析[4]。近年来，根据热、电传递规律的相似性提出的热电模拟方法，计算简便而有效[5,6,7]。本文采用该方法建立了热循环系统的等效电路模型，通过电路仿真软件Multisim10[8]仿真分析了系统的稳态和动态性能，以及散热器热阻对系统性能的影响。

1 系统等效电路模型

定量PCR仪热循环系统主要由96孔反应槽、热电制冷器和散热器组成，其物理模型如图1所示。96孔反应槽用于放置装有DNA样本的试管，热电制冷器加热或制冷时使96孔反应槽温度上升或下降，从而使DNA样品温度满足PCR反应条件。系统加热时，热电制冷器将散热器端的热量传递到96孔反应槽;系统制冷时，热电制冷器吸收96孔反应槽端的热量传递到散热器端。为提高热电制冷器的制冷效果，除了选用合适的散热器外还需要通过风扇提高散热性能。96孔反应槽处于密闭空间内，为避免试管中的DNA样本因高温蒸发掉，96孔反应槽上方为恒温104℃的热盖。热电制冷器与96孔反应槽和散热器之间用导热硅胶连接。

根据热、电传递规律的相似性，可应用类似电学中欧姆定律和电路网络理论等方法来研究传热现象。热学相关的物理量可以等效为相应的电学量，具体如表1所示。

1．1热电制冷器的等效电路模型

热电制冷器是由多对电偶联结而成的热电堆，如图2所示，利用Peltier效应[9]，可实现TEC上端所接系统的加热与制冷。当电流由N通过P时，在半导体与金属导体一端的接合处吸热(冷端)，而在另一端放热(热端)，产生温差。当电流方向反向时，吸热与放热端互换。由于本系统中的热电制冷器同一面既可能是冷端面又可能是热端面，故为分析方便，本文定义热电制冷器与96孔反应槽接触的一端为控制端，与散热器接触的一端为非控制端。

根据热电制冷器的特性及能量守恒定律和传热学理论，热电制冷器的数学描述如下[10]：

式中，Φc为控制端吸收的热流量;Φuc为非控制端释放的热流量;Tc为控制端温度;Tuc为非控制端温度;α为热电制冷器的塞贝克系数;R为热电制冷器的等效电阻;Θ为热电制冷器的热阻;I为通过热电制冷器的电流;U为热电制冷器两端的电压;ΔT为热电制冷器两端的温差。

由上述数学模型可得到热电制冷器的等效电路模型[5]，如图3所示。相关的系数可从热电制冷器制造商提供的参数中计算提取[6]。本文采用的热电制冷器是Marlow公司生产的XLT2389产品，其相应的参数如表2所示[11]。Ct为热电制冷器和其两端陶瓷片的总热容，其值为5.68J/K[11]。

1．2热循环系统等效电路模型

热循环系统的物理结构如图1所示，本文中采用4片热电制冷器串联工作。假设各物体间接触良好，即忽略物体间的接触热阻及其他附加热阻，则系统等效电路模型，如图4所示。其中，αm、Rm、Θm分别为4片热电制冷器串联后的总塞贝克系数、电阻和热阻;Θiso为96孔反应槽与热盖之间密闭空气的热阻;Θplate为96孔反应槽的热阻;Θcont为96孔反应槽与热电制冷器控制端间导热硅胶的热阻;Θsink为散热器的热阻;Cplate为96孔反应槽的热容;Csink为散热器的热容;Tamb为环境温度;Tcover为热盖温度。

1．2．1反应槽热阻与热容计算

为简化模型，方便计算，将96孔反应槽等效为长L、宽W、高H的平板。其传热过程可近似为一维导热问题。通过96孔反应槽的热流量Φ，由傅里叶定律可得

式中，k为96孔反应槽的导热系数;A为导热面积。

则96孔反应槽热阻为

96孔反应槽的热容Cplate可由下式得到：

式中，M为96孔反应槽质量;c为96孔反应槽比热;ρ为96孔反应槽密度;V为96孔反应槽体积。

1．2．2散热器热阻与热容计算

本系统采用普通矩形肋片散热器。由传热学公式可得通过肋壁的传热量如下：

基座的导热

肋侧换热

式中，δ为散热器基座厚度;A1为基座导热面积;Tb1为基座光面温度;Tb2为基座肋侧面温度;h2为表面换热系数;A′2为肋间面积;A"2为肋片面积;ηf为肋片效率;Tf为空气温度;η为散热器总效率。

整理式(7)、式(8)，得

则散热器热阻为

散热器热容Csink为

系统仿真参数如表3所示。

2 系统仿真分析

2．1系统稳态性能分析

用Multisim10中的DC Sweep功能可分析热循环系统在不同电流作用下处于稳态时96孔反应槽的温度情况，如图5、图6所示。实验测得的数据与仿真结果基本吻合。

由图5可知，系统在制冷模式下控制端温度并不是随着驱动电流的增大而一直降低，当驱动电流增大到一定值后控制端温度反而升高。这主要是由于热电制冷器内阻R上的热功率I2 R随电流增大而增大，使控制端吸热流量减小甚至出现负值所引起的。为此在闭环系统的设计中要特别注意制冷时电流的工作范围。如图6所示，系统加热模式下控制端温度随电流一直升高，但具有较明显的非线性特征，在闭环控制系统的设计中应引起足够的重视。

2．2系统动态性能分析

Multisim10中的瞬态分析功能可以用来研究热循环系统的非稳态性能。系统在加热和制冷模式下的阶跃响应如图7所示，实验测得的数据与仿真结果基本吻合。从仿真结果看，系统动态响应时间较长，且在同样大小电流作用下加热效率要高于制冷效率。

1.加热模式实验结果2.加热模式仿真结果3.制冷模式实验结果4.制冷模式仿真结果

不同电流作用下系统的阶跃响应如图8、图9所示。图8所示为系统在加热模式下不同电流对阶跃响应的影响，图9所示为制冷模式下的情形。从图8可以看出，在加热模式下，系统响应随电流增大而变快，增大电流可以使系统更快地获得更大的稳态温度，但在制冷时并不意味着电流越大越好。从图9可以看出：在大电流(如18A电流)作用下，系统能较快开始降温，但降温能力有限，当降到9℃(282K)左右时开始出现反弹，之后温度持续上升;在小电流如8A电流作用下，控制端温度能持续下降而不会出现反弹，但开始阶段响应较慢。因此，在闭合控制系统设计时若想获得较快的降温速度，可以在降温初期用较大的电流并逐渐减小电流避免出现温度反弹。为此，需要通过实际调试，选择合适的电流和作用时间以达到较好的降温性能。

2．3散热器热阻对系统性能的影响

散热器作为热循环系统的重要组成部分，其热阻也是影响系统性能尤其是制冷性能的重要因素。利用系统等效电路模型，可以分析不同的散热器热阻对系统制冷性能的影响。散热器热阻分别为0.10K/W、0.15K/W、0.20K/W和0.25K/W时的系统稳态特性如图10所示。

1.I=2A 2.I=4A 3.I=6A 4.I=8A 5.I=10A

1.I=8A 2.I=10A 3.I=12A4.I=14A 5.I=16A 6.I=18A

1.Θ=0.10K/W 2.Θ=0.15K/W3.Θ=0.25K/W 4.Θ=0.20K/W

由仿真结果分析可得，较小的散热器热阻在同样大小电流作用下系统能获得更低的温度，具有较高的制冷效率。为此通过改善散热器结构、增加空气流速、增大散热面积等措施，减小散热器热阻，从而提高系统整体性能。

3 结束语

本文在热电制冷器等效电路模型的基础上，建立了PCR仪热循环系统的等效电路模型，通过Multisim10仿真分析了热循环系统在制冷和加热模式下的稳态和动态性能，以及散热器热阻对系统性能的影响。采用该模型进行仿真分析，有助于了解系统特性和闭环控制系统的设计优化。由于系统建模时作了一定简化，忽略了一些因素(如导热硅胶与散热器和热电制冷器之间的接触热阻、热电制冷器安装时产生的附加热阻等)的影响，可通过实验进一步修正模型参数，使仿真结果更加符合实际系统特性。在热循环系统的设计、优化和控制中采用等效电路模型进行分析是一种简单有效的方法。

摘要：根据热、电传递规律的相似性,建立了基于热电制冷器的定量基因扩增仪(PCR仪)热循环系统的等效电路模型,用电路分析方法研究热传导问题。通过电路仿真软件Multisim10对该系统进行仿真,分析系统稳态、动态特性,以及散热器热阻对系统性能的影响。在热循环系统的设计、优化和控制中采用该等效电路模型进行分析是一种简单有效的方法。

关键词：定量基因扩增仪(PCR仪),热电制冷器,热循环系统,等效电路模型

参考文献

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快速热循环 篇6

一、循环流化床锅炉

循环流化床锅炉技术, 是一种燃烧技术。这种技术与一般的锅炉技术不同, 它是一种高效、低污染、清洁的燃烧技术。它是在沸腾炉的基础上发展起来的, 由于流化速度比较快, 也叫做快速循环床锅炉。这一技术近几十年才发展起来, 但是已经在国际上得到广泛的应用。国际上这项技术主要应用于电站锅炉、废弃物处理以及工业锅炉等方面, 而且随着技术的发展国际上正向着几十万千瓦级的大型循环流化床锅炉发展。我国关于这方面的研究也已经逐渐兴起, 目前已经有一些循环流化床锅炉投入了使用, 并且有上百台的锅炉正在建造中。这一新兴的高效、低污染、清洁燃烧技术在未来的几年将会飞速发展, 并将会引领清洁燃烧的热潮。

二、循环流化床锅炉物料平衡分析

(一) 物料平衡及循环流化床锅炉物料平衡

物料平衡是指产品或物料实际的产量或用量以及损耗的和与理论上产量、用量之间的比较, 这一比较允许一定的偏差存在, 但是偏差要限制在一定的范围内。

循环流化床锅炉物料平衡就是对某一特定的锅炉, 如果运行的状况稳定, 进入锅炉炉膛内的物料颗粒无论怎样的分散, 锅炉都能够把不同的颗粒处理成接近某一粒径范围的颗粒, 从而保持锅炉物料的平衡。物料平衡是循环流化锅炉技术的核心和基础, 物料在锅炉各部件内处在不同的气体、固体两种相互流动的状态下被分配的情况, 会影响锅炉内化学反应的进行, 而且这一工程决定整个物料循环回路热负荷分布状况, 所以要特别重视循环流化床锅炉的物料平衡。

(二) 完善循环流化床锅炉物料平衡

1. 建立合适的数学模型

目前建立的该技术方面的模型大都是半经验模型, 这种数学模型对锅炉进行了极端简化的假设, 把锅炉的各个部件都假设成具有均一参数的整体, 这样虽然计算速度很快, 但缺少对各个部件中分布参数的描述, 对于大型的循环流化床锅炉的建模很难适用。所以要建立合适的数学模型。在建立数学模型时要考虑两方面的因素, 一是控制好分离器进口处颗粒与气体质量的比, 一般要保持在10左右或者相差不多的数量级。二是分离机理一定要包括分离器入口处的沉降分离和内漩涡区域的离心分离两部分, 缺一不可。

2. 加强对新部件的研究

随着循环流化床锅炉的应用进一步加深, 在正中技术的应用中会产生一些新的部件, 加强对这些新部件新结构内部气体、固体流动特性的研究能够使我们更加全面的了解并且掌握这种高效清洁锅炉的物料平衡。我国新近引进了一种300MV的循环流化床锅炉, 这种新的火炉的分离器入口烟道有一个气密烟气通道, 这个通道具有向下的倾角凹槽, 这种结构可以加速颗粒并且能够起到一定的预分离作用。这样的烟道设计与传统的烟道设计不同, 我们应该加强对这些新部件的研究, 更加全面的掌握这种锅炉的物料平衡, 使其更加高效的运转。

三、循环流化床锅炉热平衡分析

(一) 热平衡及循环流化床锅炉热平衡

热平衡指的是在可以进行热交换的几个物体之间或同一物体的内部, 既不发生热的转移, 也不会发生物质的相变, 但却能保持相同的温度的一种状态。

循环流化床锅炉热平衡指的是锅炉输入热量和输出热量之间的一种关系。主要包括锅炉内各个部件的燃烧特性以及锅炉各受热面的工质吸热分配特性。锅炉各受热面的吸热量是锅炉各个部件内部气体固体两相流动的特性、燃烧的特性以及传热特性等的综合作用的结果, 它可以通过受热面内工质的进口参数求得。

(二) 完善循环流化床锅炉热平衡

1. 更新标准, 客观评价锅炉性能

由于这种高性能的锅炉近年来在我国迅速的发展, 在热平衡方面原有的锅炉性能试验标准出现了不太适应的状况。例如我国原有的性能标准给出的散热曲线把锅炉内各个部件的表面温度按照锅炉炉膛内水冷壁的表面温度进行处理, 这样很难客观地反映出绝热式旋风分离器以及外置式的换热器的表面温度, 不能客观地反映就会造成散热损失的结果偏差, 影响过路的热平衡。所以我们应该根据锅炉的发展变化对热平衡标准进行更新, 确保标砖能够客观地反映锅炉的性能。

2. 加强锅炉的实炉试验

锅炉热平衡方面, 锅炉尺寸的变大以及分离器数量的增多, 在锅炉炉膛以外燃料燃烧的份额就会加大, 这样就不利于锅炉的热平衡。虽然很早就有人注意过这种情况, 但是一直没有进行过定量的试验, 这一问题也就一直没有得到很好地解决。所以, 要保证这种大型高效的锅炉的热平衡就要注意加强锅炉实炉的试验充分掌握锅炉运行中的热平衡, 保障锅炉安全高效的运转。

四、结束语

循环流化床锅炉技术作为一种高效、低污染、清洁的燃烧技术, 在国际上已经得到广泛的应用, 我国也在上世纪80年代起就开始了对这一技术的研究, 但是与国际上相比, 我国还存在一定的差距。锅炉的物料平衡和热平衡是锅炉正常运行的关键, 所以, 要不断地研究探索保持锅炉的物料平衡和热平衡, 促进这一技术在我国的发展和推广。

摘要：保持循环流化床锅炉物料平衡和热平衡、提高锅炉燃烧的效率是发展循环流化床锅炉的关键。本文介绍了循环流化床锅炉的物料平衡和热平衡, 希望能够推动这种高效锅炉在我国的发展。

关键词：循环流化床锅炉,物料平衡,热平衡

参考文献

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[4]雍玉梅.循环流化床锅炉大型化的数值模拟[D].中国科学院研究生院 (工程热物理研究所) , 2010.

快速热循环 篇7

针对飞行器整机热防护系统快速设计国内外学者开展了大量的研究工作。John等[2]采用经过验证的工程方法计算飞行器表面特征点的热流密度, 结合这些特征点热防护材料的一维温度响应, 实现了对热防护系统的快速设计;并开发了相应的软件平台。为了满足航天飞行器概念设计阶段TPS设计和分析能力Mc Guire[3]、Chen[4]、Bradford[5]、Coward[6]等基于气动力/气动热分析和热防护系统设计/优化两个模块, 发展了TPSSizer、HYAAT、Sentry、TCAT等热防护系统自动设计工具。但上述方法存在不能实现热防护系统方案选择自动化、需要使用其他软件进行分析等不足。国内目前主要是通过数值方法对特定TPS进行分析设计[7,8], 还没有针对飞行器整机热防护系统设计的成熟工具软件和方法。

高超声速飞行器热防护系统设计具有多学科耦合的特点[9]。传统的热防护系统设计方法需要使用多种分析工具和高精度的数值算法, 这使得设计过程较繁琐且耗时较长, 因此集成能够满足概念设计精度要求的计算方法, 开发用于多学科优化环境中的自动化设计工具, 对于提高设计效率具有重要意义。

通过集成适用于较复杂几何外形飞行器气动热计算方法和适用于多型热防护系统的热响应预报方法, 使用自动化选型、设计方法, 提出了一套通用高超声速飞行器热防护系统快速设计的完整方法。

1 热防护系统设计方法

1.1 多学科设计环境

典型的高超声速飞行器总体设计包含外形、气动、飞行轨迹、气动热、防热、结构等学科[9]。

热防护系统设计学科需要几何外形、飞行轨迹和热防护系统数据库提供输入参数。经过热防护系统设计学科分析之后得到热防护系统方案、厚度分布、重量等输出数据, 这些信息将传递给结构、质量评估等学科进行后续的设计。热防护系统设计学科的输入输出关系如图1所示。

1.2 气动热预报公式

1.2.1 气动热工程估算

本文采用Eckert参考焓方法[1]预报气动热, 该方法使用比较广泛, 且精度能够满足工程需要。参考焓h*由壁面条件和外流条件共同决定, 其表达式为

式 (1) 中:hr为恢复焓, 下标‘e’表示边界层外缘参数, 上标‘*’表示参考值。

热流密度计算采用平板热流密度公式, 使用Blasius表面摩擦力公式与雷诺比拟关系得到。由平板的雷诺比拟关系可得到斯坦顿数的计算公式为

式 (2) 中Cf*使用不可压流的Blasius公式:

计算。平板层流的热流密度公式的计算公式为

式 (4) 中:Re*、Cp*、Pr*、ρ*分别为参考焓h*下的雷诺数、比热容、普朗特数和气体密度, Ve为边界层外缘气流速度。

为了满足防热要求, 高超声速飞行器一般采用钝头外形, 乘波外形飞行器的前缘也需要钝化处理, 因此驻点处的热流密度可用类椭球体热流密度公式[1]进行计算, 其表达式为。

式 (5) 中:K为三维效应修正因子K=Rx/Ry, Rx、Ry分别为x、y方向曲率半径。

1.2.2 壁面温度计算

在对热防护系统进行选型时, 需要知道飞行器表面的温度, 此时采用壁面辐射平衡温度计算得到一个保守的数值。壁面平衡温度计算通过辐射平衡关系式得到

式 (6) 中:ε为材料的表面辐射率, σ为斯忒藩-波耳兹曼常数。

1.3 热分析数学模型

将热防护系统简化为多层热防护材料组成的多铺层结构, 采用一维热分析模型进行分析。本文建立的热防护系统物理模型如图2所示, 此模型由不同厚度的材料相互叠加而成, 最后一层是内部等效结构, 各层材料热力学参数随温度变化。

一维无内热源导热问题的完整数学描述包括导热微分方程和相应边界条件[7]。

使用能量守恒得到热传导微分方程

式 (7) 中ρ、c、λ分别为材料的密度、比热容、热传导系数, 且其为温度的函数。

内边界表面使用绝热边界条件, 外边界表面使用热流密度边界条件, 其表达式为

使用外节点法对计算区域进行离散, 如图2所示。使用控制容积积分法[7]将上述偏微分方程离散为代数方程。对式 (7) 进行离散化之后得到

式 (9) 中

对式 (8) 进行离散之后得到

将上述代数方程组装为代数方程组, 使用迭代法求解代数方程组, 得到热防护系统内部的瞬态温度响应。

1.4 热防护系统设计流程

1.4.1 自动化设计流程

热防护系统设计的第一步是对飞行器所用的热防护系统方案进行选择, 本文提出一种自动化选型方法。

由于驻点气动热计算公式比较成熟, 计算精度高, 能够快速的得到飞行器前缘驻点在飞行过程中气动加热的变化规律。从大量飞行器气动热计算结果分析可知, 在驻点温度达到最大值时, 飞行器表面其他位置温度也十分接近最大值。首先通过驻点气动热计算, 获得热流密度最大时对应的飞行状态, 以此状态作为外流条件得到飞行器整个表面的壁面平衡温度分布。由于辐射平衡温度对应较为保守的结果, 以此温度作为热防护系统选型的依据能够满足使用需求。此处理方法将会很大程度减少热防护系统选型时间。

对于飞行器的所有表面网格, 从热防护系统数据库中选择使用温度大于壁面平衡温度的热防护系统型号作为备选方案, 同时获得此网格所处的飞行器部件, 分析此型热防护系统能否适用于此位置。在选型时, 设置温度容差, 选择的热防护系统型号使用温度与壁面平衡温度要在此温度容差内。即飞行器各个表面网格的应该满足:

式 (12) 中:Tw是此网格的壁面平衡温度, TTPS是飞行的使用温度, Ttol是温度容差。选型完成后, 结合内部分区 (由不同内表面约束和内部结构等效方式确定) 的不同对选择相同热防护系统方案的网格进行合并, 形成热防护系统分区。

在选型和分区完成之后, 选择各个分区内辐射平衡温度最大的网格作为此分区的设计点。使用直接计算或者气动热数据插值的方法获得此点的气动热时间历程。最后以此点气动热数据作为边界条件对备选热防护系统进行传热分析, 同时以隔热层厚度作为设计变量, 使用序列二次规划 (SQP) 方法进行优化计算。经过优化得到满足约束条件的最轻热防护系统方案。以此点方案作为所在分区的方案, 通过对所有设计点进行分析得到整个飞行器的热防护系统设计结果。整个热防护系统设计流程如图3所示。

为了实现方法的通用性, 实现对主动冷却热防护、热交换器、高温复合材料热结构等特殊的热防护系统方案支持, 在输入几何中信息中区分此分区, 通过其他的工具计算得到此分区的单位面积质量, 作为输入参数给定。

1.4.2 热防护系统型号/材料数据库

热防护系统数据库由两部分组成, 即热防护材料数据库和热防护系统型号数据库[10]。热防护材料数据库存储各种热防护系统材料的名称、热力学参数、最大使用温度。材料的热力学参数密度、比热容、热传导率、热辐射率与温度有关, 以插值表的形式存储上述参数关于温度的变化规律。热防护系统型号数据库包含各种型号的名称、使用位置 (比如增强碳/碳材料 (RCC) 用于前缘, 高级可重复使用表面柔性材料 (AFRSI) 用于机身背风面) 、铺层材料以及各层厚度。

2 算例

应用本文的方法使用典型热流密度实验条件对两层防热材料组成的隔热瓦进行瞬态传热计算, 并用NASTRAN软件进行验证。为了进一步验证本文方法的有效性, 针对一种典型的高超声速飞行器进行热防护系统的设计。

2.1 传热分析验证

计算使用的热防护系统外边界条件为典型的热流密度实验条件[7], 如图4所示。热防护系统由两层防热材料Saffil和Q-fiber Felt[10]组成, 材料的热力学参数随温度变化, 内边界使用绝热边界条件。将计算结果与NASTRAN软件计算结果进行了对比。图5给出了使用两种方法计算得到的热防护系统内外表面温度变化历程。

经过分析, 本文方法与NASTRAN软件计算结果最大相差6%, 表明本文方法的计算结果与有限元软件的计算结果一致性很好, 同时传热分析方法计算速度略快于NASTRAN软件。在热防护系统设计过程中, 使用自动化的流程, 免去了对数据、模型输入、结果处理的操作, 对比整个设计过程, 其计算速度也要快很多。因此在热防护设计过程中采用该方法, 将会极大地提高设计效率。

2.2 热防护系统设计与优化结果

为了进一步对本文所述方法进行验证, 这里给出类X—37B飞行器[11]的设计结果。输入的几何外形数据包括飞行器三角形面元网格 (图6) , 每个网格所处飞行器部件。输入弹道采用典型RLV (reusable launch vehicle) 飞行器再入弹道 (图7) 。

输入的飞行器外形和弹道数据, 通过气动热计算, 使用本文的热防护系统设计方法得到飞行整个表面的热防护系统设计结果。图8是通过自动化热防护系统设计, 得到的最优热防护系统方案, 最优方案详细信息见表1。

由热防护设计结果分区图可以看出, 热防护系统分布与飞行器承受的气动加热对应, 分区分布较合理。本文使用的飞行器参考X—37B飞行器建模, 几何尺寸与X—37B飞行器一致, X—37B飞行器的起飞重量为5 t, 因此该飞行器的起飞重量约为5 t。查阅相关文献得到航天飞机的热防护系统的质量约占总重的10%[12], 本文优化设计的热防护系统质量占此飞行器总重的8.04%。由于目前的设计防热只从防热的角度进行设计, 没有考虑材料的承载要求, 因此设计的方案质量较轻, 但是设计结果仍然在合理的范围内。由以上分析可知, 本文设计方法能够用于飞行器概念设计阶段热防护系统的设计, 能够满足概念设计阶段的精度要求, 同时能够便捷的使用。

3 结论

建立了一种通用高超声速飞行器热防护系统设计方法, 该方法具有以下特点:

1) 通用性:能够针对高超飞行器进行热防护系统的自动化设计, 适用于多种热防护系统形式和飞行器形式, 不依赖对象, 通用性好。

2) 准确性:使用飞行器表面网格, 能够反应飞行器的几何特征, 气动热计算与传热分析方法能够满足初步设计的精度要求。

3) 快速性:气动热计算采用工程算法, 计算速度很快, 使用自动化的过程, 使整个设计过程更加迅速。

本文提出的方法给出了一种适用于高超声速飞行器热防护系统设计的完整思路和实现手段, 为TPS概念设计提供了一定的参考和借鉴意义。

摘要：针对高超声速飞行器多学科优化设计的需求, 基于飞行器几何外形、弹道和热防护材料、热防护系统型号数据库, 通过气动热快速预测方法和一维热响应预报方法的研究, 建立了一种通用高超声速飞行器热防护系统快速设计方法。该设计方法实现了热防护系统优化设计的自动化, 避免了传统设计过程需要多种分析工具以及过程繁琐等不足。最后结合典型服役环境, 利用该方法对类X—37B飞行器的热防护系统进行快速设计, 得到热防护系统的总质量。结果表明, 方法能够快速有效地进行高超声速飞行器热防护系统的设计。

关键词：热防护系统,气动加热,热分析,高超声速飞行器

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