本发明专利技术公开了一种耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统和方法。系统包括工质泵、预热器、回热器、壁面换热器、膨胀机、发电机、第一冷却器、第二冷却器、燃料储罐、燃料泵、燃料涡轮、第一阀门、第二阀门和第三阀门。本发明专利技术进行主动冷却以及膨胀做功发电，采用二氧化碳与燃料耦合的方式用以对高超声速飞行器中的高温壁面进行冷却，并利用高温热负荷进行发电，解决飞行器热防护不足和电能供给问题。本发明专利技术充分利用有限燃料热沉以及CO2的物性变化特点，实现变布雷顿循环，提高CO2布雷顿系统的冷却和发电能力，且相比燃料裂解气涡轮系统，本系统可适用于更宽范围马赫数运行的飞行器。本系统可适用于更宽范围马赫数运行的飞行器。本系统可适用于更宽范围马赫数运行的飞行器。
【技术实现步骤摘要】
耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统和方法
[0001]本专利技术涉及飞行器冷电联供领域，具体涉及一种耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统和方法。
技术介绍
[0002]在高超声速飞行器的发展中，飞行器的机身以及发动机的燃烧室在飞行过程中受到高温来流的加热作用而产生大量的气动热，壁面温度在气动加热效应下急剧升高，严重时会导致发动机壁面烧穿，对飞行器内部系统的运行产生严重影响。此外，长航时、可重复使用成为未来飞行器发展的重要技术方向，飞行器机载系统的用电需求也不断增加，这对机载供电系统的发电能力也提出更高的要求，因此需要在高超声速飞行器中发展更加高效的冷电联供技术。
[0003]在飞行器的冷却及发电系统中，燃料裂解气涡轮系统和闭式布雷顿循环系统是目前的主要技术。
[0004]燃料裂解气涡轮系统采用燃料作为工质，燃料的做功能力低于二氧化碳(CO2)，在温度超过700℃后燃料容易结焦积碳，进而堵塞冷却剂通道，削弱冷却效果。同时飞行器能够携带的燃料有限，因此燃料裂解气涡轮系统难以满足飞行器的冷却及发电要求。
[0005]闭式布雷顿循环中工作流体均处于超临界区并利用燃料作为循环冷源，CO2在近临界区具有密度大、比热容大、导热系数高等特点，将CO2温度降至临界温度以下，有利于进一步减小系统的压缩功和系统体积，符合飞行器的轻量紧凑化发展。公开号为CN 108657442 A的专利说明书公开了一种飞行器及热防护系统，以二氧化碳作为流体介质，超临界二氧化碳经压缩机增压后分为两股，一股经过设于机身迎风面的第二热源管路、涡轮机、设于机身背风面的第二冷源管路、第二连接管路和压缩机组成第二回路，第二回路即为布雷顿循环发动机系统，另一股先后流经设于机头或机翼前沿的第一热源管路、设于机身背风面的第一冷源管路、第一连接管路、压缩机组成第一回路。布雷顿循环发动机系统提供增压的超临界CO2，从而驱动超临界CO2在热源管路(高温区)与冷源管路(低温区、常温燃料)之间循环流动，实现高温区与低温区之间热量的交换。
[0006]然而，由于燃料热沉有限，常温下的存储温度一般为293K，采用CO2作为工质的传统回热布雷顿循环中CO2存在冷却困难的问题，循环热效率难以进一步提高，系统单位质量工作流体的输出功和冷却能力较差。
[0007]传统回热布雷顿系统中，燃料在吸收CO2布雷顿循环的热负荷后剩余热沉较少，在高温壁面中的冷却能力下降，将燃料与CO2布雷顿循环实现进一步的热耦合有利于提高有限燃料热沉的利用率。
技术实现思路
[0008]本专利技术提供了一种耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统和方法，进行主动冷却以及膨胀做功发电，采用二氧化碳与燃料耦合的方式用以对高超声速飞行器中
的高温壁面进行冷却，并利用高温热负荷进行发电，解决飞行器热防护不足和电能供给问题。
[0009]本专利技术旨在充分利用有限燃料热沉以及CO2的物性变化特点，实现变布雷顿循环，提高CO2布雷顿系统单位质量工作流体的供冷量和输出功。
[0010]一种耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，包括工质泵、预热器、回热器、壁面换热器、膨胀机、发电机、第一冷却器、第二冷却器、燃料储罐、燃料泵、燃料涡轮、第一阀门、第二阀门和第三阀门；
[0011]工质泵、预热器、回热器、壁面换热器、膨胀机、回热器、第一冷却器、第二冷却器依次连接构成二氧化碳循环回路；
[0012]燃料储罐、燃料泵、第二冷却器、第一阀门、壁面换热器、燃料涡轮依次连接构成第一燃料管路；
[0013]燃料储罐、燃料泵、第二冷却器、第三阀门、第一冷却器、预热器、壁面换热器、燃料涡轮依次连接构成第二燃料管路；
[0014]燃料储罐、燃料泵、第二阀门、第一冷却器、预热器、壁面换热器、燃料涡轮依次连接构成第三燃料管路；
[0015]发电机与膨胀机连接，将膨胀机的输出功转换为电能。具体的，发电机与膨胀机可根据系统的具体空间布局选择为同轴或不同轴连接。
[0016]本专利技术通过燃料储罐向系统提供低温燃料热沉用于吸收CO2冷却过程的热负荷，升温后的燃料在预热器中作为CO2的低温热源进行预热，随后燃料作为高温壁面的冷却剂，进入壁面换热器中吸收高温热负荷；CO2通过工质泵增压后在预热器、回热器和壁面换热器中吸热升温，随后进入膨胀机中进行热功转换输出电能，膨胀机出口的CO2经过回热器、第一冷却器和第二冷却器中被冷却甚至冷凝，随后进入工质泵中，完成一次工作循环；通过发电机将膨胀机的输出功转换为电能进行供给；通过第一冷却器和第二冷却器使燃料对回热器低压侧出口的CO2进行冷却甚至冷凝；通过燃料涡轮(相当于燃料的膨胀机)将壁面换热器出口的燃料进行膨胀和热功转换并发电。
[0017]在一优选例中，壁面换热器包括以燃料作为冷却剂的流道和以二氧化碳作为冷却剂的流道，两种流道固定嵌入在需要进行冷却的高温壁面中，与需要进行冷却的装置壁面形成一体式结构。以此使得燃料在壁面流道中达到温度上限时，CO2能够在壁面流道中继续吸热升温，从而适应高温壁面的冷却需求。
[0018]进一步的，所述高温壁面为飞行器发动机壁面和/或飞行器头部壁面。所述高温壁面在飞行过程中被高温来流加热并升温，高温壁面的热量被壁面换热器内的燃料和CO2带走，高温壁面的温度降低，达到冷却的目的。
[0019]在一优选例中，二氧化碳在第一冷却器出口的温度高于临界温度(304K)，第二冷却器起冷凝器的作用，二氧化碳在第二冷却器中被燃料冷凝至临界温度以下，在第二冷却器出口为饱和或过冷的液态。该流程的目的一方面是使得CO2在第一冷却器中与燃料的换热匹配性提高，另一方面是使CO2在第二冷却器中利用有限燃料热沉实现冷凝，减少CO2在工质泵中的压缩耗功。
[0020]在一优选例中，膨胀机采用容积式膨胀机，具体可选自活塞膨胀机或涡旋膨胀机。利用此类膨胀机运行稳定、结构紧凑、转换效率高的特点，提高飞行器冷电联供系统的功重
比。
[0021]在一优选例中，工质泵入口的二氧化碳为温度和压力均低于临界点(临界温度304K，临界压力7.38MPa)的状态，从而减小CO2压缩功的作用，具体可选为温度为303K，压力为该温度对应的饱和压力。
[0022]在一优选例中，预热器的二氧化碳出口与回热器高压侧入口连接，回热器高压侧出口与壁面换热器的二氧化碳入口连接，膨胀机出口与回热器低压侧入口连接，回热器低压侧出口与第一冷却器的二氧化碳入口连接；
[0023]在回热器中，来自膨胀机出口的回热器低压侧二氧化碳热量输入至来自预热器的回热器高压侧二氧化碳中。
[0024]在一优选例中，燃料泵用于将来自燃料储罐的燃料增压至临界点压力以上后排出。
[0025]在一优选例中，CO2与燃料在第一冷却器中的流量比取2.76，提升CO2与燃料在第一冷却器中的换热匹配性；CO2与燃料在第二冷却器中的流量比取0.16，可使存储温度为293K的燃料满足CO2的冷凝要求。
[0026]在一本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，其特征在于，包括工质泵(1)、预热器(2)、回热器(3)、壁面换热器(4)、膨胀机(5)、发电机(6)、第一冷却器(7)、第二冷却器(8)、燃料储罐(9)、燃料泵(10)、燃料涡轮(11)、第一阀门(12)、第二阀门(13)和第三阀门(14)；工质泵(1)、预热器(2)、回热器(3)、壁面换热器(4)、膨胀机(5)、回热器(3)、第一冷却器(7)、第二冷却器(8)依次连接构成二氧化碳循环回路；燃料储罐(9)、燃料泵(10)、第二冷却器(8)、第一阀门(12)、壁面换热器(4)、燃料涡轮(11)依次连接构成第一燃料管路；燃料储罐(9)、燃料泵(10)、第二冷却器(8)、第三阀门(14)、第一冷却器(7)、预热器(2)、壁面换热器(4)、燃料涡轮(11)依次连接构成第二燃料管路；燃料储罐(9)、燃料泵(10)、第二阀门(13)、第一冷却器(7)、预热器(2)、壁面换热器(4)、燃料涡轮(11)依次连接构成第三燃料管路；发电机(6)与膨胀机(5)连接，将膨胀机(5)的输出功转换为电能。2.根据权利要求1所述的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，其特征在于，壁面换热器(4)包括以燃料作为冷却剂的流道和以二氧化碳作为冷却剂的流道，两种流道固定嵌入在需要进行冷却的高温壁面中，与需要进行冷却的装置壁面形成一体式结构。3.根据权利要求2所述的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，其特征在于，所述高温壁面为飞行器发动机壁面和/或飞行器头部壁面。4.根据权利要求1所述的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，其特征在于，二氧化碳在第一冷却器(7)出口的温度高于临界温度，第二冷却器(8)起冷凝器的作用，二氧化碳在第二冷却器(8)中被燃料冷凝至临界温度以下，在第二冷却器(8)出口为饱和或过冷的液态。5.根据权利要求1所述的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，其特征在于，膨胀机(5)采用容积式膨胀机，选自活塞膨胀机或涡旋膨胀机。6.根据权利要求1所述的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，其特征在于，工质泵(1)入口的二氧化碳为温度和压力均低于临界点的状态。7.根据权利要求1所述的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，其特征在于，预热器(2)的二氧化碳出口与回热器(3)高压侧入口连接，回热器(3)高压侧出口与壁面换热器(4)的二氧化碳入口连接，膨胀机(5)出口与回热器(3)低压侧入口连接，回热器(3)低压侧出口与第一冷却器(7)的二氧化碳入口连接；在回热器(3)中，来自膨胀机(5)出口的回热器(3)低压侧二氧化碳热量输入至来自预热器(2)的回热器(3)高压侧二氧化碳中。8.根据权利要求1所述的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，其特征在于，燃料泵(10)用于将来自燃料储罐(9)的燃料增压至临界点压力以上后排出。9.根据权利要求1所述的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，其特征在于，第一冷却器(7)中的燃料吸收二氧化碳的热负荷后温度升高，随后在预热器(2)中将部分热量输入至预热器(2)内的二氧化碳中。10.一种耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电方法，其特征在于，采用权利要
求1所述的耦合燃料热沉的...
【专利技术属性】
技术研发人员：何一坚，陈齐飞，王立松，陈伟芳，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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