超临界二氧化碳微通道换热实验系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。实验系统。实验系统。

【技术实现步骤摘要】
超临界二氧化碳微通道换热实验系统


[0001]本专利技术涉及高速飞行器热管理
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]进一步地，超临界二氧化碳可替换为其他流体介质。
[0018]本专利技术的有益效果是：本专利技术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
[0019]图1为本专利技术超临界二氧化碳微通道换热实验系统结构图；
[0020]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。
[0021]图2为水平与竖直微通道换热实验段整体结构图；
[0022]图3为水平与竖直微通道换热实验段爆炸图；
[0023]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。
[0024]图4为水平与竖直微通道换热实验段剖面图；
[0025]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。
[0026]图5为加热单元爆炸图；
[0027]图中，导热块7851；加热片7853；导热夹片7852；测温热电偶7854。
[0028]图6加热实验段工作原理示意图；
[0029]图中，箭头方向及其大小代表热流传导方向及其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡文杰，邱云龙，荣臻，何一坚，吴昌聚，陈伟芳，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：