一种以氨为冷却介质的机载开式喷雾冷却系统技术方案

一种以氨为冷却介质的机载开式喷雾冷却系统，属于机载高热流密度设备冷却领域。本实用新型专利技术主要为了解决机载电子设备及激光器表面的高热流密度持续散热问题。主要包括：液氨高压储罐(1)、流量调节阀(2)、第一截止阀(3)、流量计(4)、喷嘴(5)、待冷却表面(6)、喷雾室(7)、冷量回收换热器(8)、油箱(9)、第二截止阀(10)、第三截止阀(11)、氨气回收罐(12)、第四截止阀(13)、发动机引气端口(14)、泵(15)、催化器(16)、外界环境端口(17)。本实用新型专利技术使用汽化潜热大的液氨作为冷却介质对高温电子设备或激光器表面进行喷雾冷却，并引入发动机排气与换热后的氨气反应，所述的开式系统运行安全稳定，便于调节操作，满足机载复杂环境下的冷却需求。

An airborne open spray cooling system with ammonia as the cooling medium

【技术实现步骤摘要】
一种以氨为冷却介质的机载开式喷雾冷却系统
本技术涉及一种以氨为冷却介质的机载开式喷雾冷却系统，属于机载高热流密度设备冷却领域。
技术介绍
随着飞行器机动性能、隐身性能、防御性能要求的不断提高，高功率激光技术、电子元器件高度集成与微型化等技术得以迅速发展。2013年，美国国防高级研究计划局授权洛克希德马丁公司将一个原型激光防御武器安装至验证机上。2015年9月，美国空军宣布将在AC-130武装运输机上加装激光武器。此类武器在发射后几秒内将产生兆瓦级的热量，导致其表面产生极大的热载荷和极高的热流密度，其热流密度数量级可达到数千W/cm2。此外，新一代军用电子设备的热流密度高达107W/cm2，最高端的处理器热输出量超过250W/cm2。如果不采取有效措施降低电子设备表面温度，轻则大大降低其工作效率，重则烧毁电子器件，影响飞行安全。因此，如何高效安全地解决机载设备的快速散热问题具有重要的研究意义。常规的风冷和水冷方式换热能力已达到极限，无法满足日益提高的电子设备和激光器的散热需求。喷雾冷却是将冷却介质通过雾化分解为无数的离散型小液滴，喷淋到加热表面上通过单相换热和两相换热带走热量的一种新型冷却方式，其优点在于：较小的表面温差；没有沸腾滞后性；良好的换热性能；可实现均匀的冷却壁面温度；工质需求量小。喷雾冷却技术在机载设备冷却领域具有很强的应用前景。喷雾冷却技术在机载领域的应用，首先需要解决冷却介质可持续使用与系统空间占用的问题。已有部分专利提出了喷雾冷却在机载领域的应用方法，如专利ZL201510072716.7提出了一种基于空气膨胀制冷的机载发热元件的冷却系统，主要特点是使用涡轮作为制冷器件和动力源，该方案投入使用时必须首先使用涡轮蓄冷方可进行喷雾冷却，蓄冷时间长，无法随时投入使用；结构复杂且设备空间大，在军用飞机上安装困难。专利ZL201510074027.X提出了一种基于蒸发制冷的机载发热元件的冷却系统及方法，主要特点为使用蒸发制冷循环为系统提供间接冷源，加入蒸发制冷循环后体积和能耗均非常大，且此专利技术并未给蒸发制冷循环配备冷源，若投入实际使用体积会更大，无法适用机载空间的要求。另外，若在飞机上使用闭式循环喷雾冷却系统，则制冷剂流量的变化会引气喷雾压力、液滴过冷度等一系列参数的变化，无法依据实际散热量精确调节；若在飞机上配备开式循环喷雾冷却系统，则无需制冷循环，占用空间小，喷雾流量可直接调节而不影响其他参数。喷雾冷却的冷却介质用量可按公式(1)计算式中，Q为表面发热量，kW；m为制冷剂质量流量，kg/s；cp为制冷剂定压比热，kJ/(kg·k)；hfg为制冷剂汽化潜热，kJ/kg；η为喷雾冷却效率；tw为热沉表面温度，℃；tin为喷嘴后的饱和制冷剂温度，℃，t为喷雾持续时间，s。相对于其他冷却介质，液氨的汽化潜热较大，在相同表面加热量下用量较小。例如加热功率10kW，加热时间1小时，表面温度控制在80℃时，液氨用量仅仅为27.57kg，此时若使用R134a，则用量为106.4kg。因此若能将氨作为冷却介质应用于机载喷雾冷却系统，可大大提高系统经济性和持续性。本技术使用开式系统，且使用发动机排气中的氮氧化物与换热后的氨反应，消除了氨的毒性后直接排出舱外，减轻了系统负重。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种以氨为冷却介质的机载开式喷雾冷却系统。该系统主要由液氨高压储罐(1)、流量调节阀(2)、第一截止阀(3)、流量计(4)、喷嘴(5)、待冷却表面(6)、喷雾室(7)、冷量回收换热器(8)、油箱(9)、第二截止阀(10)、第三截止阀(11)、氨气回收罐(12)、第四截止阀(13)、发动机引气端口(14)、泵(15)、催化器(16)、外界环境端口(17)组成。第二截止阀(10)具有一个入口和两个出口，第一出口为氨气储存出口，第二出口为氨气处理出口；泵(15)具有两个入口和一个出口，第一入口为氨气入口，第二入口为发动机引气入口。其中液氨高压储罐(1)的出口与流量调节阀(2)的入口相连，流量调节阀(2)的出口与第一截止阀(3)的入口相连，第一截止阀(3)的出口与流量计(4)的入口相连，流量计(4)的出口与喷嘴(5)的入口相连，喷嘴(5)的出口喷雾喷射至待冷却表面(6)上。喷嘴(5)和待冷却表面(6)封闭在喷雾室(7)中。喷雾室(7)的出口与冷量回收换热器(8)的入口相连，冷量回收换热器(8)的出口与第二截止阀(10)的入口相连，第二截止阀(10)的第一出口与第三截止阀(11)的入口相连，第三截止阀(11)的出口与氨气回收罐(12)的入口相连；第二截止阀(10)的第二出口与第四截止阀(13)的入口相连，第四截止阀(13)的出口与泵(15)的第一入口相连。泵(15)的第二入口与发动机引气端口(14)的出口相连，泵(15)的出口与催化器(16)的入口相连，催化器(16)的出口与外界环境端口(17)相连。冷量回收换热器(8)设置在飞机油箱(9)周围，对油箱(9)进行冷却。该系统主要包括以下过程：液氨高压储罐(1)中储存定量的高压液态氨，系统运行时，开启第一截止阀(3)，通过流量调节阀(2)调节液氨流量，通过流量计(4)读取液氨流量。液氨经流量调节阀(2)、第一截止阀(3)和流量计(4)后流入喷嘴(5)，在喷嘴(5)中雾化后喷射至待冷却表面(6)，降低待冷却表面(6)的温度。换热完成后液氨转换为低温氨气，低温氨气经喷雾室(7)的出口流入冷量回收换热器(8)，在冷量回收换热器(8)中换热升温成为高温氨气。当高温氨气量较少时，可关闭第四截止阀(13)，打开第三截止阀(11)，将高温氨气储存于氨气回收罐(12)中。当喷雾冷却停止运行后，关闭第二截止阀(10)，打开第四截止阀(13)。当系统持续运行时间较长，高温氨气较多时，可关闭第三截止阀(11)，打开第四截止阀(13)，将高温氨气处理过程与喷雾冷却过程同时进行。高温氮气处理时，由发动机引气端口(14)引入含氮氧化物的发动机尾气，将尾气与高温氨气通过泵(15)流入至催化器(16)中，在催化器(16)中NH3与NOx进行高温催化还原反应产生N2和H2O，产生的N2和H2O通过外界环境端口(17)排出机舱外。将喷嘴(5)和待冷却表面(6)封闭在喷雾室(7)中，使得喷雾完成后的低温氨气流入冷量回收换热器(8)中，达到节约冷却介质和节能的效果。所述冷量回收换热器(8)中回收的冷量用于降低油箱(9)内燃油温度，为其余使用燃油冷却的设备提供更充足的冷量。催化器(16)中含有高温催化剂，包括但不限于TiO2、Al2O3、ZrO2和SiO2。附图说明附图1为本专利技术的原理图。附图1中的标号名称：1.液氨高压储罐、2.流量调节阀、3.第一截止阀、4.流量计、5.喷嘴、6.待冷却表面、7.喷雾室、8.冷量回收换热器、9.油箱、10.第二截止阀、11.第三截止阀、12.氨气回收罐、13.第四截止阀、14.发动机引气端口、15.泵、16.催化器、17.外界环境端口。具体实施方式如图1所示，一种以氨为冷却介质的机载开式喷雾冷却系统主要包括液氨高压储罐1、流量调节阀2、第一截止阀3、流量计4、喷嘴5、待冷却表面6、喷雾室7、冷量回收换热器8、油箱9、第二截止阀10、第三截止阀11、氨气回收本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以氨为冷却介质的机载开式喷雾冷却系统，其特征在于：由液氨高压储罐(1)、流量调节阀(2)、第一截止阀(3)、流量计(4)、喷嘴(5)、待冷却表面(6)、喷雾室(7)、冷量回收换热器(8)、油箱(9)、第二截止阀(10)、第三截止阀(11)、氨气回收罐(12)、第四截止阀(13)、发动机引气端口(14)、泵(15)、催化器(16)、外界环境端口(17)组成；第二截止阀(10)具有一个入口和两个出口，第一出口为氨气储存出口，第二出口为氨气处理出口；泵(15)具有两个入口和一个出口，第一入口为氨气入口，第二入口为发动机引气入口；其中液氨高压储罐(1)的出口与流量调节阀(2)的入口相连，流量调节阀(2)的出口与第一截止阀(3)的入口相连，第一截止阀(3)的出口与流量计(4)的入口相连，流量计(4)的出口与喷嘴(5)的入口相连，喷嘴(5)的出口喷雾喷射至待冷却表面(6)上；喷嘴(5)和待冷却表面(6)封闭在喷雾室(7)中；喷雾室(7)的出口与冷量回收换热器(8)的入口相连，冷量回收换热器(8)的出口与第二截止阀(10)的入口相连，第二截止阀(10)的第一出口与第三截止阀(11)的入口相连，第三截止阀(11)的出口与氨气回收罐(12)的入口相连；第二截止阀(10)的第二出口与第四截止阀(13)的入口相连，第四截止阀(13)的出口与泵(15)的第一入口相连；泵(15)的第二入口与发动机引气端口(14)的出口相连，泵(15)的出口与催化器(16)的入口相连，催化器(16)的出口与外界环境端口(17)相连；冷量回收换热器(8)设置在飞机油箱(9)周围，对油箱(9)进行冷却。...

【技术特征摘要】
1.一种以氨为冷却介质的机载开式喷雾冷却系统，其特征在于：由液氨高压储罐(1)、流量调节阀(2)、第一截止阀(3)、流量计(4)、喷嘴(5)、待冷却表面(6)、喷雾室(7)、冷量回收换热器(8)、油箱(9)、第二截止阀(10)、第三截止阀(11)、氨气回收罐(12)、第四截止阀(13)、发动机引气端口(14)、泵(15)、催化器(16)、外界环境端口(17)组成；第二截止阀(10)具有一个入口和两个出口，第一出口为氨气储存出口，第二出口为氨气处理出口；泵(15)具有两个入口和一个出口，第一入口为氨气入口，第二入口为发动机引气入口；其中液氨高压储罐(1)的出口与流量调节阀(2)的入口相连，流量调节阀(2)的出口与第一截止阀(3)的入口相连，第一截止阀(3)的出口与流量计(4)的入口相连，流量计(4)的出口与喷嘴(5)的入口相连，喷嘴(5)的出口喷雾喷射至待冷却表面(6)上；喷嘴(5)和待冷却表面(6)封闭在喷雾室(7)中；喷雾室(7)的出口与冷量回收换热器(8)的入口相连...

【专利技术属性】
技术研发人员：王瑜，邱兰兰，刘金祥，李俊，袁晓磊，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32