本发明专利技术一种超临界油浴型的超临界燃油加热装置以超临界油浴加热和螺旋管内流动换热为基础，采用套筒式结构，可有效的为流体的超临界喷射实验连续稳定地提供不同温度和压力的超临界流体。超临界油浴加热可以有效避免燃油加热过程中结焦和裂解反应的发生，抑制杂质的生成。使用螺旋管作为流动路径可有效提高热通量和换热效率，以解决现有加热器加热温度不均匀的问题。将两级加热方式一体化，提高了装置的保温性能和热效率。气路设计实现了螺旋管、预热腔和油浴腔三者之间的零压差，降低了装置的重量和成本，也提高了换热能力。本发明专利技术结构紧凑、使用方便，同时也适用于气体、液体等各种流体的亚临界、跨临界和超临界实验，具有很强的适应性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于未来高性能航空航天动力系统中超临界喷射燃烧的研究领域，主要涉及一种适用于超临界流体实验研究的超临界油浴型的超临界燃油加热装置。
技术介绍
随着未来高性能军用飞行器的发展，人们要求航空发动机具有更高的增压比和涡轮前温度。更高的增压比使发动机燃烧室内燃油的喷射压力和环境压力都超过航空燃油的临界压力。而更高的涡轮前温度要求飞行器使用自带航空燃油作为冷却介质，不同的发动机工况使得航空燃油温度在进入燃烧室前便达到超临界温度。由此可知，在未来航空发动机燃烧室中，航空燃油工作在临界点以上的超临界态已经成为必然。为了更好地控制航空发动机燃烧室内的燃烧，需要进行大量的实验研究来掌握超临界态航空燃油的燃烧特性。当航空燃油达到超临界态时，其体积会膨胀数倍，极易产生密度梯度，且物性对温度和压力的变化十分敏感，这些都使得获得超临界航空燃油成为实验的难点之一。一般航空燃油的临界点大多分布在2.1～2.3MPa、630～660K的范围内，较高的压力和温度需求以及超临界态流体的特殊物性对实验中所使用的超临界燃油加热装置提出了较高的要求。目前，对于流体的加热方法，按热源和被加热流体的相对位置可分为直接加热法和间接加热法。直接加热法一般指使用电阻丝或燃气直接加热流体。若使用直接加热法加热燃油，热源温度较高，近热源处的燃油很有可能发生裂解和结焦反应，产生固体和气体杂质，影响工质的正常物性。而对于间接加热法，常用的有气浴、油浴和砂浴加热法。油浴法相比气浴法和砂浴法具有更高的导热系数，可以快速高效地加热燃油。加热方法按被加热流体工质状态又可以分为静态加热和流动加热。类似燃油的多组分流体，在使用静态加热时会出现工质分层现象，大密度的组分会集中在容腔下部，小密度组分反之。不同的组分的比热不同，使用同一热源加热时，不同组分的温升不同，进而产生温度梯度，导致工质的温度不均匀，因此静态加热不能满足实验需求。流体的流动加热一般通过管内流动实现，且通常与多级加热结构相结合。以最简单的二级加热系统为例，前级为静态预热，后级为流动加热。多级加热系统一般需要多个热源和流体容腔以及大量的连接管路，这在增加了整个实验系统体积的同时，也增加了散热元件的个数，提高了对保温措施的要求。鉴于以上这些问题，要想在实验过程中获得连续且温度压力可控的超临界燃油，必须设计全新的超临界燃油加热装置，以解决加热过程中燃油产生杂质、燃油温度不均匀和散热量大等问题。
技术实现思路
结合国内外的研究现状和实验设备，本专利技术拟实现在超临界流体喷射燃烧实验中不同温度压力燃油的连续供应。具体的，该燃油加热装置需要满足以下几点要求：1)该装置可实现连续提供满足实验需求的超临界燃油；2)该装置可提供不同温度和不同压力的燃油，且温度和压力精确可调；3)该装置要求输出的燃油温度均匀；4)该装置要求输出的燃油没有因裂解和结焦产生的杂质；5)该装置的设计和零件应满足安全需求，耐高温(1000K)、高压(6MPa)；6)该装置要求使用方便、结构简单、适用性强。针对现有技术的不足，克服传统加热方式中工质温度不均匀、易结焦、保温性差和结构复杂等问题，本专利技术提出了一种超临界油浴型的超临界燃油加热装置，为解决技术问题所采用的技术方案是：以燃油在螺旋管内流动换热和超临界油浴加热为基础，采用套筒结构的两级加热器。本装置的主要换热方式为超临界油浴加热，由超临界油浴腔和螺旋管实现，螺旋管浸没在超临界油浴中，低温燃油在螺旋管中流动换热。使用油浴法加热可以有效避免热源和被加热流体的直接接触，减少局部高温燃油的出现，降低燃油发生裂解和结焦反应的概率，可有效防止气体和固体杂质的产生。同时，压力与温度均达到相应临界点之上的超临界燃油与相同温度下的常压燃油蒸汽相比具有更高的导热率，更有利于换热。本装置为了减少热损失，降低保温措施成本，采用了一种两级加热器一体化的套筒结构。装置共三层，由内到外分别为热源腔、油浴腔和预热腔。单一热源安装在整个装置的中心，被环形的油浴腔包围，油浴腔则被环形的预热腔包围。预热腔作为一级加热器预热煤油，并与螺旋管连通。油浴腔内安装有螺旋管，并作为二级加热器用于实现超临界油浴中的流动换热。装置工作时，热源加热油浴腔中的燃油使其温度达到临界点之上，油浴腔内的高温燃油又作为热源对预热腔内的燃油进行预热，相对地，预热腔内燃油又对油浴腔内燃油起保温作用。这样的设计在实现了两级加热的同时减少了热源个数、高温容腔个数和散热表面积，有效地提高了装置的保温性能和热效率，大幅降低了对保温措施等辅助设备的要求。本装置主要用于将燃油加热至对应的临界温度之上。燃油大多为混合物，其主要由不同馏分的烃类化合物组成。当燃油温度接近临界温度时，会出现组分分层现象，低碳化合物组分会向上移动，高碳化合物组分反之。不同组分的比热不同，使用同一热源加热时吸热量相同，但温升不同。组分分层将会导致温度梯度的出现，不能满足实验对燃油温度均匀度的要求。为了确保该加热装置输出燃油的温度准确均匀，本装置采用了如下两种设计：一、选用螺旋管作为燃油的流动路径。在长径比较大的细管内流动可以提高被加热燃油的湍流度，加强燃油自身的传质和传热，提高被加热工质本身的均匀度，从而避免了温度梯度的产生。二、在油浴腔中安装环形翅片。在油浴腔中，被加热的燃油在螺旋管中是由下至上穿过整个油浴腔的。螺旋管内径较小，其中储存的燃油体积也很少，螺旋管中燃油温度对于周围油浴温度变化比较敏感，可以认为螺旋管出口处的燃油温度即为油浴腔内顶部燃油的温度。为了使螺旋管出口处的燃油可以达到要求的温度，就需要保证油浴腔内静态的燃油在竖直方向上同样具有温度的均匀性。因此，本装置在油浴腔内沿轴向设置了环形翅片，将油浴腔分隔成多个体积较小的空间，以减少因燃油分层吸热不均导致的温度梯度的出现，进一步保证螺旋管出口处燃油温度的均匀性。为了增强换热，提高该加热装置的热效率，本专利技术采取了如下措施。首先，使用螺旋管作为燃油在超临界油浴中的流通路径。螺旋管除通过增大内部流体湍流度可以增强换热外，螺旋管本身长径比较大，可以增加内部燃油的换热面容比，有效提高热通量，进一步提高换热效率，使得螺旋管内的燃油可以在短时间内被加热到与油浴相同的温度。其次，本装置还采用了共压设计。为了实现超临界油浴中加热燃油至超临界态，在本装置中，要求油浴腔和预热腔中的燃油压力均达到临界压力之上。若油浴腔和预热腔分别加压，则预热腔壁面、油浴腔壁面和螺旋管壁都需要采用较厚的合金制造以保证高压下的安全性，这将大大降低油浴腔和预热腔之间以及油浴腔与螺旋管之间的换热性能，同时也增加了装置质量和成本。为此，本装置设计了油浴腔和预热腔的共压系统，使用同一气源同时为油浴腔和预热腔加压，使油浴腔和预热腔之间以及油浴腔和螺旋管之间的压差为零，整个装置只有最外层的壁面承受压力。这样的加压方式可以有效降低油浴腔和预热腔之间的隔板以及螺旋管壁的受力，进而可以将油浴腔和预热腔之间的隔板以及螺旋管壁制作得可能薄，进一步增强两级加热器的换热效率。考虑到燃油在加热至临界温度之上的过程中密度会大幅降低，体积膨胀数倍，要求在常温下，油浴腔中的燃油体积应少于油浴腔体积的1/3，相应的，螺旋管应当分为螺旋段和直管段两部分，螺旋段靠近下部，以满足所需燃油温度未达到临界温度时的加本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种超临界油浴型的超临界燃油加热装置，采用圆柱形的三层套筒式结构，最内层安装负反馈加热装置作为热源，中间层为超临界油浴腔，内部安装有螺旋管，最外层为预热腔，与油浴腔内的螺旋管连通。
【技术特征摘要】
1.一种超临界油浴型的超临界燃油加热装置，采用圆柱形的三层套筒式结构，最内层安装负反馈加热装置作为热源，中间层为超临界油浴腔，内部安装有螺旋管，最外层为预热腔，与油浴腔内的螺旋管连通。2.根据权利要求书1所述的一种超临界油浴型的超临界燃油加热装置，其特征在于：包括顶盖、罐体、燃油隔板、环形翅片、螺旋管、石墨垫片、负反馈加热装置、油浴腔、预热腔、油浴腔测温口、油浴腔加压口、超临界燃油出口、预热腔测温口、预热腔测压口、安全阀、截止阀、高温压力表、减压阀、增压装置、稳压罐、储油罐、滤油器、高压温度传感器、高精度温控仪、电源。3.根据权利要求书1所述的一种超临界油浴型的超临界燃油加热装置，其特征在于：该加热装置采用超临界油浴加热为主要换热形式；使用与被加热工质相同的燃油作为油浴工质，并将其加热加压到相应的临界点之上形成超临界油浴。4.根据权利要求书1所述的一种超临界油浴型的超临界燃油加热装置，其特征在于：该装置采用了两级加热器一体化设计；所述预热腔为第一级静态加热器，所述油浴腔为第二级流动加热器；所述负反馈加热装置用于加热油浴腔中的燃油，油...
【专利技术属性】
技术研发人员：范玮，张晋，靳乐，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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