一种多功能超临界低温氮气流动传热研究的实验系统技术方案

本发明专利技术涉及超临界氮气管内流动和传热特性研究领域，尤其涉及一种多功能超临界低温氮气流动传热研究的实验系统，室外部分超临界低温氮气实验系统包括通过管路依次相连通的用于存储液氮的液氮储罐、用于增压的低温泵、用于汽化液氮的高压汽化器、用于给氮气降温的液氮恒温箱、用于稳定压力、流量以及气液分离的缓冲罐和用于调控出口压力的低温高压减压阀，还包括用于控制电器原件的自动控制箱，室内部分包括通过管路依次相连通的主调节阀、流量计、第三压力变送器和第三温度变送器。实验系统本身可以直接提供中低压液氮，用作汽化后的氮气管路降温所需的冷源，为掌握高效紧凑型预冷换热器的开发提供大量的实验数据支撑，适合广泛推广。广泛推广。广泛推广。

【技术实现步骤摘要】
一种多功能超临界低温氮气流动传热研究的实验系统


[0001]本专利技术涉及超临界氮气管内流动和传热特性研究领域，尤其涉及一种多功能超临界低温氮气流动传热研究的实验系统。

技术介绍

[0002]高超声速技术作为空天入轨飞行器、临近空间巡航飞行器、亚轨道发射/投放飞行器等未来军民用航空器的战略发展方向。然而，由于高超声速飞行器对动力系统提出了水平起降、重复使用、结构紧凑、重量轻、极宽空域和速域等极高要求，采用单一发动机无法满足需求，实现全速域范围内的稳定工作，这是因为高超声速飞行器在高马赫数飞行时，气动加热效应严重，飞行器外表面承受着很高的热载荷，飞行器内部的电子设备、燃烧室等系统也会产生较大热负荷，过高的热负荷如果无法合理地被冷却下来，将会造成压缩机、泵等设备工作效率大大降低，进而影响飞行器本身性能变差形成恶性循环；因此预冷技术的发展为高超声速发动机技术突破带来了机遇，预冷换热器作为预冷技术的核心之一，预冷循环发动机利用超临界低温工质实现在短时间内将1000℃来流的高温空气冷却至常温甚至零下，可以有效地提高发动机工作范围，从而进一步扩大飞行走廊曲线。
[0003]超临界氮气是一种介于气体和液体之间的特殊状态的流体，它兼有气体和液体的双重性质和优点，但超临界氮气在微通道内传热特性实验研究仍然不够充分，现有的文献中所提供的实验数据数量有限、系统性差，主要原因可能包括超临界氮气临界点温度低，大约为126.2K，如此低的温度难以进行冷却，若采用传统制冷机对氮气工质进行冷却，在满足制冷温度的条件下，所需制冷机功率较大难以获得，并且效率低下，即使购买到高功率的制冷机，其价格也十分昂贵，使得搭建实验系统的成本过高、效果较差；
[0004]经过调研目前能够提供贴近于临界点的干燥低温氮气并直接参与换热循环的实验系统匮乏，因此有必要进行超临界低温氮气供给实验系统的构建，从而进一步为掌握高效紧凑型预冷换热器的开发提供大量的实验数据支撑，而且实验系统本身可以直接提供液氮以及液氮温区以内的低温介质，用作其他闭式循环的冷源。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出的一种多功能超临界低温氮气流动传热研究的实验系统，为掌握高效紧凑型预冷换热器的开发提供大量的实验数据支撑，而且实验系统本身可以直接提供高压液氮，用作其他闭式循环的冷源，解决了上述问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种多功能超临界低温氮气流动传热研究的实验系统，包括室外部分超临界低温氮气实验系统和室内部分超临界低温氮气实验系统，
[0007]所述室外部分超临界低温氮气实验系统包括通过管路依次相连通的用于存储液氮的液氮储罐、用于增压的低温泵、用于汽化液氮的高压汽化器、用于给氮气降温的液氮恒温箱、用于稳定压力、流量以及气液分离的缓冲罐和用于调控出口压力的低温高压减压阀，
还包括用于控制电器原件的自动控制箱；
[0008]所述室内部分超临界低温氮气实验系统包括通过管路依次相连通的主调节阀、流量计、第三压力变送器和第三温度变送器。
[0009]优选的，所述主调节阀前端连通有安全阀，所述安全阀与所述低温高压减压阀相连通，所述主调节阀与所述流量计之间连通有支管路，所述支管路上连通有支调节阀，所述流量计与所述第三压力变送器之间连通有截止阀。
[0010]优选的，所述低温泵与所述高压汽化器之间连通有与所述自动控制箱电性连接的第一温度变送器和第一压力变送器，所述低温高压减压阀出口连接的管路上也连通有所述自动控制箱电性连接的第二温度变送器和第二压力变送器。
[0011]优选的，所述液氮恒温箱包括用于盛放降温用液氮的箱体，所述箱体内设置有液氮喷淋系统，所述液氮喷淋系统是由若干个喷头自下而上依次连通而成一个空腔，汽化后的氮气管路在所述液氮喷淋系统若干个喷头形成的空腔内自下而上盘旋经过。
[0012]优选的，所述液氮喷淋系统与所述液氮储罐通过管路相连通，管路上还连通有气动调节阀；所述箱体与所述液氮储罐通过管路相连通，管路上还连通有第一电磁阀；所述液氮恒温箱底部通过管路连通有手动排污阀；所述液氮恒温箱底部通过管路还连通有残液排放箱，管路上还连通有第二电磁阀，所述残液排放箱上设置有尾氮放空口；所述液氮恒温箱顶部设置有液位计。
[0013]优选的，所述安全阀与所述低温高压减压阀直接连通有第四电磁阀，所述第四电磁阀与所述第二温度变送器之间连通有泄压管路，所述泄压管路上连通有第三电磁阀，所述泄压管路末端依次连通有手动调节放空阀和消声器，所述消声器出口为调试放空口。
[0014]本专利技术的有益效果是：
[0015]本专利技术一种多功能超临界低温氮气流动传热研究的实验系统，包括室外部分超临界低温氮气实验系统和室内部分超临界低温氮气实验系统，室外部分超临界低温氮气实验系统包括通过管路依次相连通的用于存储液氮的液氮储罐、用于增压的低温泵、用于汽化液氮的高压汽化器、用于给氮气降温的液氮恒温箱、缓冲罐和低温高压减压阀，还包括用于控制电器原件的自动控制箱；室内部分超临界低温氮气实验系统包括通过管路依次相连通的主调节阀、流量计、第三压力变送器和第三温度变送器。主调节阀前端连通有安全阀，安全阀与低温高压减压阀相连通，主调节阀与流量计之间连通有支管路，支管路上连通有支调节阀，流量计与压力变送器之间连通有截止阀。液氮恒温箱包括用于盛放降温用液氮的箱体，箱体内设置有液氮喷淋系统，液氮喷淋系统是由若干个喷头自下而上依次连通而成一个空腔，汽化后的氮气管路在液氮喷淋系统若干个喷头形成的空腔内自下而上盘旋经过。实验系统本身可以直接提供中低压液氮，用作汽化后的氮气管路降温所需的冷源，为掌握高效紧凑型预冷换热器的开发提供大量的实验数据支撑，适合广泛推广。
附图说明
[0016]图1为室外部分超临界低温氮气实验系统结构示意图。
[0017]图2为室内部分超临界低温氮气实验系统结构示意图。
[0018]图3为本专利技术液氮恒温箱结构示意图。
[0019]图4为本专利技术自动控制箱与电器原件电连接示意图。
的液氮，保证罐内压力恒定为0.4MPa，并打开放空阀测试满量，防止过量充装造成危险；在充装过程中需要3人同时进行，1人在液氮储罐1处监视操作，1人需要对充装液氮管路巡回监视，1人在液氮充装操作处监视作业。
[0026]待液氮充装完毕后关闭充装阀门，并且检查截止阀15是否关闭，确认电源系统正常后打开自动控制箱7手动控制模式，打开液氮恒温箱4顶部的放空阀和底部的手动排污阀22，手动控制对液氮恒温箱4内吹扫，待排出水气后方可关闭放空阀和手动排污阀22。
[0027]打开低温泵2的第一进液阀30，和放空预冷阀，对低温泵2进行预冷，在自动控制箱7的触摸控制屏上确认预冷温度小于
‑
130℃后，将低温泵2的排液阀打开，待缓冲罐5排污阀开启后对缓冲罐5管路进行吹扫，确认排污阀管路结霜之后关闭缓冲罐5排污阀。
[0028]然后手动控制将手动调节放空阀28打开，对系统管路进行吹扫，等待放空管路结霜后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多功能超临界低温氮气流动传热研究的实验系统，包括室外部分超临界低温氮气实验系统和室内部分超临界低温氮气实验系统，其特征在于：所述室外部分超临界低温氮气实验系统包括通过管路依次相连通的用于存储液氮的液氮储罐(1)、用于增压的低温泵(2)、用于汽化液氮的高压汽化器(3)、用于给氮气降温的液氮恒温箱(4)、用于稳定压力、流量以及气液分离的缓冲罐(5)和用于调控出口压力的低温高压减压阀(6)，还包括用于控制电器原件的自动控制箱(7)；所述室内部分超临界低温氮气实验系统包括通过管路依次相连通的主调节阀(9)、流量计(10)、第三压力变送器(11)和第三温度变送器(12)。2.根据权利要求1所述的多功能超临界低温氮气流动传热研究的实验系统，其特征在于：所述主调节阀(9)前端连通有安全阀(8)，所述安全阀(8)与所述低温高压减压阀(6)相连通，所述主调节阀(9)与所述流量计(10)之间连通有支管路，所述支管路上连通有支调节阀(13)，所述流量计(10)与所述第三压力变送器(11)之间连通有截止阀(15)。3.根据权利要求2所述的多功能超临界低温氮气流动传热研究的实验系统，其特征在于：所述低温泵(2)与所述高压汽化器(3)之间连通有与所述自动控制箱(7)电性连接的第一温度变送器(16)和第一压力变送器(17)，所述低温高压减压阀(6)出口连接的管路上也连通有所述自动控制箱(7)电性连接的第二温度变送器(18)...

【专利技术属性】
技术研发人员：马挺，韩振东，徐东君，王秋旺，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：