[发明专利]超临界二氧化碳微通道换热实验系统

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及高速飞行器热管理技术领域，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。

背景技术

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。

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。

发明内容

本发明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。

本发明的技术方案如下：

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。

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。

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。

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。