CN113406141B - 超临界二氧化碳微通道换热实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳微通道换热实验系统，该超临界二氧化碳微通道换热实验系统包括用于提供超临界二氧化碳工质的二氧化碳供气系统和二氧化碳工质循环测试系统；其中二氧化碳工质循环测试系统包括质量流量计、预热器、竖直微通道换热实验段、水平微通道换热实验段等，实验段采用多个分布的加热单元进行加热，从而可以模拟不同壁面热流条件。本发明针对超临界二氧化碳流动传热在高超声速飞行器热防护结构中被非均匀加热的特点及应用需求，设计了一套完整的，可选择水平流动，或竖直流动且可选择不同流向，同时能够提供非均匀热流壁面条件的超临界二氧化碳微通道换热实验系统。

Description

超临界二氧化碳微通道换热实验系统

技术领域

本发明涉及高速飞行器热管理技术领域，具体而言，涉及一种超临界二氧化碳微通道换热实验系统及应用于该实验系统的微通道换热实验段。

背景技术

高超声速飞行器在大气中高速飞行时会受到强烈的气动加热。当飞行器以大于3马赫的速度飞行时，更具体地以大于5马赫的高超音速飞行时，这些表面的温度可局部超过1000摄氏度。为保证飞行器机身及其内部环境在允许的温度范围内正常工作，需进行有效的结构热防护设计。典型的高超声速飞行器热防护系统可分为三类：被动式热防护、半被动式热防护和主动式热防护。

利用超临界二氧化碳管路的对流换热机制属于主动式热防护系统。利用布置于热防护层中的微通道结构输运超临界二氧化碳介质，通过对流换热带走热量并降低温度。为此，需要通过实验研究超临界二氧化碳在微通道结构中的换热性能。同时，针对气动加热的非均匀特点，需要实验系统能够为实验段壁面施加非均匀热流的壁面边界条件。

发明内容

本发明针对超临界二氧化碳流动传热在高超声速飞行器热防护结构中被非均匀加热的特点及应用需求，设计了一套完整的，可选择水平流动，或竖直流动且可选择不同流向，同时能够提供非均匀热流壁面条件的超临界二氧化碳微通道换热实验系统。

本发明的技术方案如下：

一种超临界二氧化碳微通道换热实验系统，该超临界二氧化碳微通道换热实验系统包括用于提供超临界二氧化碳工质的二氧化碳供气系统和二氧化碳工质循环测试系统；所述二氧化碳工质循环测试系统包括总旁路、竖直微通道换热实验段、竖直微通道换热实验段第一旁路、水平微通道换热实验段和水平微通道换热实验段旁路，竖直微通道换热实验段和竖直微通道换热实验段第一旁路的入口汇合后和总旁路均与二氧化碳供气系统的出口相连，竖直微通道换热实验段和竖直微通道换热实验段第一旁路的出口均与水平微通道换热实验段和水平微通道换热实验段旁路的入口相连，水平微通道换热实验段、水平微通道换热实验段旁路出口汇合后和总旁路的出口与二氧化碳供气系统的入口相连。其中，竖直微通道换热实验段、水平微通道换热实验段的入口和出口均设有截止阀，总旁路、竖直微通道换热实验段第一旁路和水平微通道换热实验段旁路上设有截止阀，用于控制开闭和流量。

通过调节总旁路、竖直微通道换热实验段、竖直微通道换热实验段第一旁路、水平微通道换热实验段和水平微通道换热实验段旁路的开闭和流量可以进行水平和/或竖直流动状态下二氧化碳的换热性能实验。

其中，所述竖直微通道换热实验段和水平微通道换热实验段均包括微管路、第一绝热套筒、第二绝热套筒、加热单元、绝热层，微管路两端与实验系统的管路连通，多个加热单元紧密套装于微管路中间，所有加热单元均被绝热层紧密包裹。第一绝热套筒、第二绝热套筒分别位于加热单元两侧，紧密套装于微管路上。

进一步地，所述二氧化碳供气系统包括二氧化碳储气瓶、储液罐、高压泵、过滤器和冷却器，其中超临界二氧化碳工质储存在储液罐中，储液罐上方接口分别连通二氧化碳储气瓶和冷却器，二氧化碳气瓶出气管路上设置有截止阀和止回阀，储液罐与冷却器之间管路上设置有截止阀；储液罐上方设置有排气管路；储液罐下方出口与高压泵相连，管路上设有截止阀；高压泵出口与过滤器入口端连通，过滤器出口的超临界二氧化碳工质送入二氧化碳工质循环测试系统，从二氧化碳工质循环测试系统流出的流体送入冷却器进行冷却循环，其中，冷却器入口前端设有背压阀。

进一步地，所述二氧化碳工质循环测试系统还包括流量计和预热器。所述流量计和预热器设置于竖直微通道换热实验段和竖直微通道换热实验段第一旁路的入口与二氧化碳供气系统出口连接的管路上。

进一步地，所述二氧化碳工质循环测试系统还包括竖直微通道换热实验段第二旁路，竖直微通道换热实验段第二旁路的两端分别与预热器的出口、竖直微通道换热实验段出口相连。通过调节竖直微通道换热实验段第一旁路和竖直微通道换热实验段第二旁路的开闭，可以实现竖直流动状态下不同流向的二氧化碳的换热性能实验。

进一步地，所述加热单元由导热块、加热片、导热夹片、测温热电偶组成，其中，导热块、加热片、导热夹片均为圆盘状，导热块的中间设有凸轴，凸轴的轴线带有第一通孔，用于套装于微管路上，加热片、导热夹片中间设有第二通孔，用于套装于凸轴上，其中，加热片的第二通孔内径大于凸轴外径，导热夹片的第二通孔内径等于凸轴外径。加热单元的加热功率由电控的加热片提供，每个加热单元可独立控制，通过电路调节加热功率。不同加热功率，对应于输入微管路表面的不同热流密度。

进一步地，绝热层壁面开有缝隙，用于加热片及测温热电偶接线。

进一步地，所述导热块与导热夹片由高导热率的同种材料加工成型，包括铜、铝、铜合金、铝合金等。

进一步地，通过调节加热单元的加热功率，实现微管路表面的不同热流密度条件。通过调节加热单元的分布，实现对微管路内流体壁面上局部热流输入区之间的轴向分布和局部热流输入区的轴向尺寸从而模拟不同壁面热流条件。

进一步地，所述壁面热流条件包括均匀热流条件、不同热流密度条件、非均匀热流分布、周期性热流分布等。

进一步地，超临界二氧化碳可替换为其他流体介质。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种超临界二氧化碳微通道换热实验系统，该系统可通过旁路调节选择二氧化碳工质水平流动，或竖直流动且可选择不同流向进行换热实验，同时通过加热单元的设置，可以模拟提供非均匀热流壁面条件，从而可以研究更贴近实际的超临界二氧化碳在微通道结构中的换热性能。

附图说明

图1为本发明超临界二氧化碳微通道换热实验系统结构图；

图中，二氧化碳储气瓶1；储液罐2；高压泵3；过滤器4；质量流量计5；预热器6；竖直微通道换热实验段7；水平微通道换热实验段8；冷却器9；v1截止阀；v2止回阀；v3截止阀；v4节流阀；v5～v15截止阀；v17背压阀；v18、v19、v20截止阀；v21安全阀；p1～p6压力变送器；t1～t9温度变送器。

图2为水平与竖直微通道换热实验段整体结构图；

图3为水平与竖直微通道换热实验段爆炸图；

图中，微管路781；第一绝热套筒782；第二绝热套筒783；绝热层784；加热单元785。

图4为水平与竖直微通道换热实验段剖面图；

图中，微管路781；第一绝热套筒782；第二绝热套筒783；绝热层784；加热单元785。

图5为加热单元爆炸图；

图中，导热块7851；加热片7853；导热夹片7852；测温热电偶7854。

图6加热实验段工作原理示意图；

图中，箭头方向及其大小代表热流传导方向及其大小；同一个加热单元785与微管路781接触的内圆柱面上的热流均匀。

图7加热实验段加热单元布置示意图；

图中，各加热单元785间距可根据实验热流需要调整，也可多个加热单元785紧贴使用，实现局部或整体均匀热流。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种超临界二氧化碳微通道换热实验系统，该超临界二氧化碳微通道换热实验系统包括二氧化碳供气系统和二氧化碳工质循环测试系统两部分；包括二氧化碳储气瓶1、储液罐2、高压泵3、过滤器4、质量流量计5、预热器6、竖直微通道换热实验段7、水平微通道换热实验段8、冷却器9、压力变送器、温度变送器、阀门及其他辅助设备。

实验循环测试所用的二氧化碳工质储存在储液罐2中，储液罐2上方接口分别连通二氧化碳储气瓶1和冷却器9，二氧化碳储气瓶1出气管路上设置有截止阀v1和止回阀v2，储液罐2与冷却器9之间管路上设置有截止阀v19；储液罐2上方设置有排气管路，并设有压力变送器p1，分为两条支路，一支路设有安全阀v21，另一支路设有截止阀v20和排气口；储液罐2下方出口与高压泵3相连，管路上设有截止阀v3；高压泵3出口与过滤器4入口端连通。

二氧化碳工质循环测试系统分为实验段主路及总旁路，实验段主路及总旁路均与过滤器4出口相连；实验段主路与总旁路最终汇总于背压阀v17前端；背压阀v17后端与冷却器9连通，管路上设有截止阀v18。

总旁路上设置有旁路节流阀v16，主路上设置有主路节流阀v4；高压泵3、主路节流阀v4、旁路节流阀v16及背压阀v17共同配合工作，以调节实验段实验所需压力及流量。

在主路中，主路节流阀后端连接质量流量计5入口，质量流量计5出口与预热器6入口相连；预热器6出口管路分为两路，一条支路为竖直微通道换热实验段7第一旁路，设置有截止阀v7；另一条支路连通截止阀v6，其后端再次分为两条支路，一条支路为竖直微通道换热实验段8第二旁路v11，另一条支路为竖直微通道换热实验段8主路。

竖直微通道换热实验段7第二旁路上设置有截止阀v11；竖直微通道换热实验段7主路设有截止阀v8，并与竖直微通道换热实验段7下方接口连通；竖直微通道换热实验段8上方连通截止阀v9，并与竖直微通道换热实验段7第一旁路汇总于截止阀v10前端。

竖直微通道换热实验段7第二旁路和截止阀v10后端汇总于实验段主路，并和水平微通道换热实验段8主路及水平微通道换热实验段8旁路相连通。

水平微通道换热实验段8旁路设置有截止阀v13，两端分别与水平微通道换热实验段8主路汇总于实验段主路；水平微通道换热实验段8主路入口连通有截止阀v12，出口连通截止阀v14；

水平微通道换热实验段8主路与水平微通道换热实验段8旁路出口端汇总于实验段主路，并与截止阀v15连通；截止阀v15后端出口与总旁路汇总于背压阀v17前端。

竖直微通道换热实验段7和水平微通道换热实验段8的结构组成相同，如图2-4所示，由微管路781、第一绝热套筒782、第二绝热套筒783、加热单元785、绝热层784组成。

其中，微管路781两端与实验系统管路连通，多个加热单元785紧密套装于微管路781中间，所有加热单元785均被绝热层784紧密包裹构成加热实验段，第一绝热套筒782和第二绝热套筒783紧密套装于微管路781上，加热单元785的两端构成第一、第二绝热锻。各孔轴配合原件之间，均可移动。

第一绝热套筒782、第二绝热套筒783和绝热层784由较厚的导热率极低的绝热材料制成，能够将实验的热损失降至极低值。第一绝热段与第二绝热段的设定使得进出口的流体流动能够得到充分发展。绝热层784壁面开有较窄的缝隙，用于加热片7853及测温热电偶7854接线。

加热单元785由导热块7851、加热片7853、导热夹片7852、测温热电偶7854组成，导热块7851与导热夹片7852由高导热率的同种材料加工成型。其中，导热块7851、加热片7853、导热夹片7852均为圆盘状，导热块7851的中间设有凸轴，凸轴的轴线带有第一通孔，用于套装于微管路781上，加热片7853、导热夹片7852中间设有第二通孔，用于套装于凸轴上。加热片7853的第二通孔大于凸轴外径，导热夹片的第二通孔与凸轴紧密配合，使得加热片7853热流主要从两侧均匀传导给导热块7851和导热夹片7852，加热片7853不对贴装于凸轴表面的测温热电偶7854产生安装干涉及测温干扰。如图5所示，导热块7851、加热片7853和导热夹片7852同轴紧贴安装，导热夹片7852紧密套装于导热块7851凸轴，加热片7853装夹于导热块7851和导热夹片7852中间。测温热电偶7854安装于导热块7851凸轴表面，轴向安装于导热块7851和导热夹片7852中心位置。

加热单元785的加热功率由电控的加热片7853提供，每个加热单元785可独立控制，通过电路调节加热功率。不同加热功率，对应于输入微管路781表面的不同热流密度。在一定加热功率条件下，加热单元785内径表面温度分布均匀，传导给微管内部的热流分布均匀。由于导热块7851和导热夹片7852的高导热特性，同时加热片7853绝大部分表面均与导热块7851和导热夹片7852接触，由加热片7853产生的热量主要传导给导热块7851及导热夹片7852。由于加热单元785外圈由绝热层784包裹，而内径表面与具有高导热能力的微管路781紧密接触，同时实验时管路中的介质持续带走热量，使得主要热量通过加热单元785与微管路781的接触表面向管内流体介质传导。测温热电偶7854安装于导热块7851凸轴表面，通过直接测量凸轴表面温度，利用稳态导热条件，可计算出实验分析要得到的微管路781内壁表面温度数据。

利用加热功率可调的加热单元785，实现微管路781表面的不同热流密度条件。利用加热元件可相对微管路781轴向移动调节的特点，实现对于微管路781内流体壁面上局部热流输入区之间的轴向分布调节。

如图6-7所示，利用加热单元785可相对微管路781轴向移动调节的特点，可多个加热单元785紧密贴靠组合，各加热单元785提供相同加热功率，实现局部均匀热流，均匀热流输入区的轴向尺寸可通过增减紧贴的加热单元785数量调节，同时各均匀输入区之间间距可通过移动进行调节。将多个加热单元785紧密贴合，占满整段加热实验段，可实现加热实验段均匀热流密度的加热条件。同时，通过调整加热单元785的加热功率、分布等可实现非均匀加热。

竖直微通道换热实验段7和水平微通道换热实验段8可分别进行竖直于水平状态下的，诸如均匀热流条件、不同热流密度条件、非均匀热流分布、周期性热流分布、热流区轴向尺寸等多种基于复杂壁面热流条件的为通道内超临界二氧化碳研究。

实验系统搭建完毕后，为实验正常进行，应做好：管路清理、保温措施以及实验工况预估和微通道换热实验段加热单元785排布及间距调整工作。

完成准备工作后，实验操作过程如下：

(1)开启冷却器9，打开储液罐2上的冷却盘管阀门，对储液罐2进行预冷，并维持5～10℃

冷态。

(2)开启二氧化碳气瓶向储液罐2充气直至压力达到4MPa，保持气瓶阀门打开不断充气，使进入储液罐2的二氧化碳气体冷凝液化。

(3)关闭截止阀v15和节流阀v4，打开节流阀v16，调节背压阀v17的压力为4～5MPa，打开截止阀v3、v18、v19，小流量运行高压泵3，使二氧化碳气瓶中的二氧化碳气体持续进入管路，一段时间后关闭二氧化碳储气瓶1出口的截止阀v1，然后停止运行高压泵3，此时储液罐2中充足满足实验运行需求量的液态二氧化碳。

(4)实验数据采集系统上电。

(5)开启相应管路阀门，通过截止阀v6～v14的开闭选择水平微通道换热实验段8或者竖直微通道换热实验段7，若选择竖直微通道换热实验段7还可通过截止阀v6～v11的开闭，选择工质由下往上或由上往下的流向。

(6)开启高压泵3并设定流量，调节背压阀v17，与主旁路上的节流阀v4和v16，使实验段的压力流量参数达到实验要求。

(7)开启预热器6和微通道实验段各加热单元785对应的电源系统，调节预热器6功率至实验段进口温度达到实验预定值，调节各加热单元785加热功率达实验预定值。

(8)当实验段流体进出口温度和加热单元785上热电偶温度传感器所测温度稳定后，记录实验数据。

(9)调节实验参数至下一工况。

(10)实验数据采集完成后，先关闭加热系统及预热器6，然后调节背压阀v17降低管路压力至5MPa，关闭高压泵3，最后关闭冷却器9及数据采集系统。

(11)切断实验系统各设备电源，如果实验系统长期不实验，需排空回路及储液罐2中的二氧化碳。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种超临界二氧化碳微通道换热实验系统，其特征在于：该超临界二氧化碳微通道换热实验系统包括用于提供超临界二氧化碳工质的二氧化碳供气系统和二氧化碳工质循环测试系统；所述二氧化碳工质循环测试系统包括总旁路、竖直微通道换热实验段(7)、竖直微通道换热实验段(7)第一旁路、水平微通道换热实验段(8)和水平微通道换热实验段(8)旁路，竖直微通道换热实验段(7)和竖直微通道换热实验段(7)第一旁路的入口汇合后和总旁路均与二氧化碳供气系统的出口相连，竖直微通道换热实验段(7)和竖直微通道换热实验段(7)第一旁路的出口均与水平微通道换热实验段(8)和水平微通道换热实验段(8)旁路的入口相连，水平微通道换热实验段(8)、水平微通道换热实验段(8)旁路出口汇合后和总旁路的出口与二氧化碳供气系统的入口相连；

其中，所述竖直微通道换热实验段(7)和水平微通道换热实验段(8)均包括微管路(781)、第一绝热套筒(782)、第二绝热套筒(783)、加热单元(785)、绝热层(784)，微管路(781)两端与实验系统的管路连通，多个加热单元(785)紧密套装于微管路(781)中间，所有加热单元(785)均被绝热层(784)紧密包裹；第一绝热套筒(782)、第二绝热套筒(783)分别位于加热单元(785)两侧，紧密套装于微管路(781)上；所述加热单元(785)由导热块(7851)、加热片(7853)、导热夹片(7852)、测温热电偶(7854)组成，其中，导热块(7851)、加热片(7853)、导热夹片(7852)均为圆盘状，导热块(7851)的中间设有凸轴，凸轴的轴线带有第一通孔，用于套装于微管路(781)上，加热片(7853)、导热夹片(7852)中间设有第二通孔，用于套装于凸轴上，其中，加热片(7853)的第二通孔内径大于凸轴外径，导热夹片(7852)的第二通孔内径等于凸轴外径；加热单元(785)的加热功率由电控的加热片(7853)提供，每个加热单元(785)可独立控制，通过电路调节加热功率；不同加热功率，对应于输入微管路(781)表面的不同热流密度；通过调节加热单元(785)的加热功率，实现微管路(781)表面的不同热流密度条件；通过调节加热单元(785)的分布，实现对微管路(781)内流体壁面上局部热流输入区之间的轴向分布和局部热流输入区的轴向尺寸从而模拟不同壁面热流条件。

2.如权利要求1所述的超临界二氧化碳微通道换热实验系统，其特征在于：所述二氧化碳供气系统包括二氧化碳储气瓶(1)、储液罐(2)、高压泵(3)、过滤器(4)和冷却器(9)，其中超临界二氧化碳工质储存在储液罐(2)中，储液罐(2)上方接口分别连通二氧化碳储气瓶(1)和冷却器(9)，二氧化碳气瓶出气管路上设置有截止阀(v1)和止回阀(v2)，储液罐(2)与冷却器(9)之间管路上设置有截止阀(v19)；储液罐(2)上方设置有排气管路；储液罐(2)下方出口与高压泵(3)相连，管路上设有截止阀(v3)；高压泵(3)出口与过滤器(4)入口端连通，过滤器(4)出口的超临界二氧化碳工质送入二氧化碳工质循环测试系统，从二氧化碳工质循环测试系统流出的流体送入冷却器(9)进行冷却循环，其中，冷却器(9)入口前端设有背压阀。

3.如权利要求1所述的超临界二氧化碳微通道换热实验系统，其特征在于：所述二氧化碳工质循环测试系统还包括流量计(5)和预热器(6)；所述流量计(5)和预热器(6)设置于竖直微通道换热实验段(7)和竖直微通道换热实验段(7)第一旁路的入口与二氧化碳供气系统出口连接的管路上。

4.如权利要求3所述的超临界二氧化碳微通道换热实验系统，其特征在于：所述二氧化碳工质循环测试系统还包括竖直微通道换热实验段(7)第二旁路，竖直微通道换热实验段(7)第二旁路的两端分别与预热器(6)的出口、竖直微通道换热实验段(7)出口相连。

5.如权利要求1所述的超临界二氧化碳微通道换热实验系统，其特征在于：绝热层(784)壁面开有缝隙，用于加热片(7853)及测温热电偶(7854)接线。

6.如权利要求1所述的超临界二氧化碳微通道换热实验系统，其特征在于：所述导热块(7851)与导热夹片(7852)由高导热率的同种材料加工成型，包括铜、铝、铜合金、铝合金。

7.如权利要求1所述的超临界二氧化碳微通道换热实验系统，其特征在于：所述壁面热流条件包括均匀热流条件、不同热流密度条件、非均匀热流分布、周期性热流分布。

8.如权利要求1-7任一项所述的超临界二氧化碳微通道换热实验系统，其特征在于：超临界二氧化碳可替换为其他流体介质。

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