[发明专利]一种超临界油浴型的超临界燃油加热装置

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

结合国内外的研究现状和实验设备，本发明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。