獨(dú)立式兩相流噴霧冷卻系統(tǒng)及其噴霧方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種獨(dú)立式兩相流噴霧冷卻系統(tǒng)及其噴霧方法。噴霧冷卻系統(tǒng)以液態(tài)二氧化碳為高壓動力源，通過節(jié)流降壓后一路流入噴霧冷卻系統(tǒng)的氣路通道，另一路為液路系統(tǒng)的儲液罐加壓，加壓后的液態(tài)工質(zhì)可通過單相噴嘴噴出細(xì)小的霧狀顆粒，與來自于氣路的二氧化碳形成氣液兩相流噴霧混合流。該兩相流可流入飛行器被冷卻表面的夾層內(nèi)冷卻通道，因液相的汽化潛熱大可強(qiáng)化冷卻效果。本發(fā)明可在不破壞飛行器氣動表面流場的前提下，實(shí)現(xiàn)飛行器冷卻表面的溫控需求。
【專利說明】獨(dú)立式兩相流噴霧冷卻系統(tǒng)及其噴霧方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種獨(dú)立式兩相流噴霧冷卻系統(tǒng)及其噴霧方法，屬飛行器熱控制【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]對于高超音速飛行器，其蒙皮表面的溫度可高達(dá)1000°C以上[1]。目前主要采用高效隔熱技術(shù)或者耐高溫金屬來適應(yīng)蒙皮表面的高溫環(huán)境[2]。但某些特殊表面有溫控要求時，必須采用有效的冷卻技術(shù)來保障。
[0003]噴霧冷卻是指液體工質(zhì)在壓力驅(qū)動下，通過霧化噴嘴或者霧化裝置強(qiáng)制霧化成為微米級的液滴后被強(qiáng)制噴射到冷卻介質(zhì)表面實(shí)現(xiàn)冷卻的過程[3]。噴霧冷卻具有換熱性能好、換熱溫差小以及冷卻介質(zhì)需求量低等特點(diǎn)M。噴霧冷卻技術(shù)分為:(1)單相噴霧冷卻。該技術(shù)通過液體泵使液體產(chǎn)生壓力后，通過單相噴嘴噴射出液體[5] ; (2)兩相噴霧冷卻。該技術(shù)借助于高壓壓縮空氣(4個大氣壓)，采用兩相噴嘴，氣液匯合后由噴嘴噴射成霧狀射流te]。
[0004]噴霧冷卻噴出的液體多與被冷卻界面直接接觸，對于高超音速飛行器中氣動性能要求高的表面，直接式噴霧冷卻技術(shù)會破壞氣動表面的流場，需要將噴霧引入夾層內(nèi)通道，以實(shí)現(xiàn)氣動表面的溫控需求。對于采用高壓壓縮空氣的兩相噴霧技術(shù)，壓縮空氣的氣源裝置體積龐大，不適用于飛行器。而二氧化碳較易實(shí)現(xiàn)液態(tài)儲存，相比壓縮空氣具有質(zhì)量輕體積小的優(yōu)勢。
[0005]參考文獻(xiàn)
[0006][I]張純學(xué)，晗旭.可負(fù)擔(dān)的遠(yuǎn)程精確打擊高超聲速導(dǎo)彈[J].飛航導(dǎo)彈.2006(12).6
[0007][2]楊炳淵.超高速防空導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)防熱技術(shù).上海航天.2002年第4期
[0008][3]劉炅輝，李夢京，劉秀芳，侯予.以R22為冷卻劑的閉式循環(huán)相變噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報.2013 (47): 132-136
[0009][4]鐘昕，劉秀芳，趙紅利，胡偉，侯予，相變噴霧冷卻技術(shù)的研究進(jìn)展[J]，低溫工程，2011 (2):34-38
[0010][5]王軍利,噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)研究與分析,西安電子科技大學(xué),2009
[0011][6]劉錫錄，張耀良，聞通海，噴霧冷卻裝置技術(shù)性能的試驗(yàn)研究，現(xiàn)代機(jī)械，1994
年9月


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明提出一種獨(dú)立式兩相流噴霧冷卻系統(tǒng)及其噴霧方法，以液態(tài)二氧化碳作為高壓動力源，節(jié)流降壓后成為二氧化碳?xì)怏w。二氧化碳?xì)怏w一路流入噴霧冷卻系統(tǒng)的氣路系統(tǒng)，為噴霧后的液相工質(zhì)流入被冷卻表面的夾層冷卻通道提供前進(jìn)動力；另一路為液路系統(tǒng)中儲液罐加壓，加壓后的高壓液體經(jīng)單相噴嘴噴出后形成細(xì)小的霧化顆粒?；旌虾蟮膬上嗔鲊婌F被引入飛行器夾層內(nèi)冷卻通道，在不破壞氣動表面流場的前提下，實(shí)現(xiàn)氣動表面的溫控需求。
[0013]兩相流噴霧冷卻系統(tǒng)包括CO2氣路系統(tǒng)和水路系統(tǒng)兩部分。CO2氣路系統(tǒng)由氣瓶保溫裝置，CO2氣瓶，CO2減壓器，溫度調(diào)節(jié)裝置，氣路精密減壓器，渦街流量計組成；水路系統(tǒng)由水路精密減壓器，水罐，單相噴嘴組成。
[0014]CO2氣路系統(tǒng)具有供氣、調(diào)壓、調(diào)節(jié)氣相流量等功能，通過氣路精密減壓器的作用實(shí)現(xiàn)氣流流量的控制，并保證供氣流量穩(wěn)定。氣瓶保溫裝置可以保證CO2流量穩(wěn)定的從氣瓶中排出；co2減壓器采用控制閥體內(nèi)的啟閉件開度來調(diào)節(jié)CCV流量，并將CO2的壓力降低；CO2從氣瓶排出過程膨脹降溫，導(dǎo)致CO2溫度劇烈降低，溫度調(diào)節(jié)裝置對CO2進(jìn)行預(yù)熱，使其到達(dá)噴嘴位置時，溫度在o°c以上防止霧化水結(jié)冰堵塞管路；通過調(diào)節(jié)氣路精密減壓器出口壓力，可與管路出口形成不同壓差值，從而得到不同氣體流量值；渦街流量計用于實(shí)時監(jiān)測CCV流量。
[0015]水路系統(tǒng)從CO2氣瓶弓丨氣對水罐加壓，由于單相噴嘴流量與水壓呈對應(yīng)關(guān)系，通過水路精密減壓器精確調(diào)節(jié)水罐內(nèi)壓力，從而控制噴水流量。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0017](I)系統(tǒng)所選用CO2作為氣相工質(zhì)，安全性好，無毒無害。且0)2液化后存儲裝置體積小巧，適用于飛行器特殊的應(yīng)用環(huán)境。
[0018](2)水罐壓力可由氣態(tài)二氧化碳供給實(shí)現(xiàn)任意調(diào)節(jié)，保證了裝置的獨(dú)立性。
[0019](3)所選用單相噴嘴結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，適用于對于尺寸空間要求苛刻的飛行器環(huán)境。
[0020](4)噴霧冷卻系統(tǒng)以液態(tài)CO2為高壓動力源，可為兩相流工質(zhì)流入被冷卻表面的夾層冷卻通道提供前進(jìn)動力，特別是當(dāng)液相工質(zhì)水粘附于被冷卻表面內(nèi)部的冷卻通道時，可形成一層非常薄的液膜，由于水的蒸發(fā)潛熱巨大，有效強(qiáng)化了傳熱效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是兩相流噴霧冷卻裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2是兩相流噴霧冷卻裝置系統(tǒng)使用流程圖。
[0023]圖中:
[0024]1.氣瓶保溫裝置2.CO2氣瓶3.CO2減壓器
[0025]4.溫度調(diào)節(jié)裝置5.氣路精密減壓器6.氣路開關(guān)
[0026]7.渦街流量計 8.引氣閥門9.水路精密減壓器
[0027]10.單向閥門 11.水罐12.出水閥門
[0028]13.單相噴嘴 14.噴射段

【具體實(shí)施方式】
[0029]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0030]本發(fā)明是一種獨(dú)立式兩相流噴霧冷卻系統(tǒng)，如圖1所示，包括氣瓶保溫裝置1，CO2氣瓶2，CO2減壓器3，溫度調(diào)節(jié)裝置4，氣路精密減壓器5，氣路開關(guān)6，渦街流量計7，引氣閥門8，水路精密減壓器9，單向閥門10，水罐11，出水閥門12，單相噴嘴13，噴射段14。T0、Tl為溫度測點(diǎn)，TO監(jiān)測氣瓶溫度，Tl監(jiān)測噴嘴前氣流溫度；P0、Pl為壓力測點(diǎn)，PO監(jiān)測水罐壓力，Pl監(jiān)測噴嘴前氣流壓力。
[0031]結(jié)合圖1與圖2說明本發(fā)明一種獨(dú)立式兩相流噴霧冷卻系統(tǒng)的工作過程:
[0032]監(jiān)測氣瓶溫度測點(diǎn)TO的溫度是否低于30°C，若TO低于30°C則啟動氣瓶保溫裝置1，若TO高于30°C則不啟動氣瓶保溫裝置I ;開啟CO2氣瓶2頂部閥門，調(diào)節(jié)CO2減壓器3使CO2氣體從CO2氣瓶2內(nèi)降壓排出；開啟引起閥門8，通過調(diào)節(jié)水路精密減壓器9配合測點(diǎn)PO讀數(shù)精確控制水罐內(nèi)壓力，得到設(shè)定的水流量；開啟氣路開關(guān)6，調(diào)節(jié)氣路精密減壓器5配合渦街流量計7得到設(shè)定的氣體流量；監(jiān)測溫度Tl是否低于0°C，若Tl低于0°C則啟動溫度調(diào)節(jié)裝置4，若Tl高于0°C則不啟動溫度調(diào)節(jié)裝置4 ;開啟出水閥門12，氣相與液相在噴射段14內(nèi)進(jìn)行混合，得到兩相流噴霧，進(jìn)入冷卻通道進(jìn)行換熱降溫；系統(tǒng)在使用過程中，若TO低于30°C則啟動氣瓶保溫裝置1，若Tl低于0°C則啟動溫度調(diào)節(jié)裝置4。
[0033]所述的兩相噴霧液相為水。
[0034]所述的兩相噴霧氣相為C02。
[0035]實(shí)施例:
[0036]使用激光顆粒度儀對兩相流噴霧系統(tǒng)所使用的單相噴嘴進(jìn)行噴霧效果觀測實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)觀測到水滴霧化均勻，數(shù)據(jù)顯示噴霧粒徑均在40um以下，霧化效果顯著。
[0037]假設(shè)冷卻通道內(nèi)徑1mm,當(dāng)CO2表觀流速達(dá)到12m/s,則CO2需求量的計算公式如下(200C >0.1lMPa 下 CO2 密度為 1.99kg/m3):
[0038]/Hro 二P■丄π(Γ- u = \.99kg/m! x 丄x3.14x(0.0Im)' χ 12m/sχ3600s/li = 6,75kg/h
44
[0039]兩相流噴霧冷卻系統(tǒng)主要是通過水蒸發(fā)吸熱帶走熱量。常壓下20°C水的汽化潛熱為2453.6kJ/kg，當(dāng)水量為6kg/h，則冷卻功率計算公式如下:
[0040].^K=6kE/ h χ 2453.6kJ/kg=14721.6kJ/h=4.09kW
[0041]根據(jù)計算結(jié)果可知，對于內(nèi)徑1mm的冷卻通道，兩相流噴霧冷卻系統(tǒng)每小時消耗6kg的水與6.75kg的CO2氣體即可提供4.09kff的冷卻功率。
【權(quán)利要求】
1.一種獨(dú)立式兩相流噴霧冷卻系統(tǒng)及其噴霧方法，在不破壞飛行器氣動表面流場的前提下，可實(shí)現(xiàn)氣動表面的溫控需求。系統(tǒng)包括:氣瓶保溫裝置，CO2氣瓶，CO2減壓器，溫度調(diào)節(jié)裝置，氣路精密減壓器，渦街流量計，水路精密減壓器，水罐，單相噴嘴，噴射段，溫度測點(diǎn)，壓力測點(diǎn)。 以液態(tài)二氧化碳作為高壓動力源，節(jié)流降壓后成為二氧化碳?xì)怏w。二氧化碳?xì)怏w一路流入噴霧冷卻系統(tǒng)的氣路系統(tǒng)，為噴霧后的液相工質(zhì)流入被冷卻表面的夾層冷卻通道提供前進(jìn)動力；另一路為液路系統(tǒng)中儲液罐加壓，加壓后的高壓液體經(jīng)單相噴嘴噴出后形成細(xì)小的霧化顆粒?；旌虾蟮膬上嗔鲊婌F被引入飛行器夾層內(nèi)冷卻通道，在不破壞氣動表面流場的前提下，實(shí)現(xiàn)氣動表面的溫控需求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獨(dú)立式兩相流噴霧冷卻系統(tǒng)，其特征在于:系統(tǒng)所選用的高壓液態(tài)CO2，工質(zhì)安全性好，無毒無害。因液態(tài)二氧化碳的沸點(diǎn)接近于常溫，相比于其他氣源裝置，有效保證氣瓶容積小、質(zhì)量輕；同時采用單相噴嘴，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獨(dú)立式兩相流噴霧冷卻系統(tǒng)，其特征在于:噴霧冷卻系統(tǒng)以液態(tài)CO2作為高壓動力源，一方面為噴射后的液相工質(zhì)(水)流入被冷卻表面的夾層冷卻通道提供前進(jìn)動力，在不破壞飛行器氣動表面流場的前提下實(shí)現(xiàn)氣動表面的溫控需求。另一方面可提供儲液罐(水罐)的壓力，并容易實(shí)現(xiàn)儲液罐(水罐)壓力的任意調(diào)節(jié)，可滿足不同工況的冷卻需求。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獨(dú)立式兩相流噴霧冷卻系統(tǒng)，其特征在于:液相工質(zhì)水粘附于被冷卻表面內(nèi)部的冷卻通道，可形成一層非常薄的液膜，由于水的蒸發(fā)潛熱巨大，有效強(qiáng)化了傳熱效果。同時由于水膜覆蓋，冷卻通道內(nèi)不會出現(xiàn)沸騰氣泡，也不會產(chǎn)生壓力突變，使系統(tǒng)運(yùn)行和冷卻特性得以保證。
【文檔編號】B64C1/38GK104176229SQ201410350139
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】張興娟, 楊春信, 石佳, 李芳勇, 王超 申請人:北京航空航天大學(xué)