[發明專利]超臨界二氧化碳微通道換熱實驗系統

有效

• 申請號: 202110671344.5
• 申請日: 2021-06-17
• 公開（公告）號: CN113406141B
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發明（設計）人: 胡文杰;邱云龍;榮臻;何一堅;吳昌聚;陳偉芳
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01M99/00;B64F5/60
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

本發明公開了一種超臨界二氧化碳微通道換熱實驗系統，該超臨界二氧化碳微通道換熱實驗系統包括用于提供超臨界二氧化碳工質的二氧化碳供氣系統和二氧化碳工質循環測試系統；其中二氧化碳工質循環測試系統包括質量流量計、預熱器、豎直微通道換熱實驗段、水平微通道換熱實驗段等，實驗段采用多個分布的加熱單元進行加熱，從而可以模擬不同壁面熱流條件。本發明針對超臨界二氧化碳流動傳熱在高超聲速飛行器熱防護結構中被非均勻加熱的特點及應用需求，設計了一套完整的，可選擇水平流動，或豎直流動且可選擇不同流向，同時能夠提供非均勻熱流壁面條件的超臨界二氧化碳微通道換熱實驗系統。

技術領域

本發明涉及高速飛行器熱管理技術領域，具體而言，涉及一種超臨界二氧化碳微通道換熱實驗系統及應用于該實驗系統的微通道換熱實驗段。

背景技術

高超聲速飛行器在大氣中高速飛行時會受到強烈的氣動加熱。當飛行器以大于3馬赫的速度飛行時，更具體地以大于5馬赫的高超音速飛行時，這些表面的溫度可局部超過1000攝氏度。為保證飛行器機身及其內部環境在允許的溫度范圍內正常工作，需進行有效的結構熱防護設計。典型的高超聲速飛行器熱防護系統可分為三類：被動式熱防護、半被動式熱防護和主動式熱防護。

利用超臨界二氧化碳管路的對流換熱機制屬于主動式熱防護系統。利用布置于熱防護層中的微通道結構輸運超臨界二氧化碳介質，通過對流換熱帶走熱量并降低溫度。為此，需要通過實驗研究超臨界二氧化碳在微通道結構中的換熱性能。同時，針對氣動加熱的非均勻特點，需要實驗系統能夠為實驗段壁面施加非均勻熱流的壁面邊界條件。

發明內容

本發明針對超臨界二氧化碳流動傳熱在高超聲速飛行器熱防護結構中被非均勻加熱的特點及應用需求，設計了一套完整的，可選擇水平流動，或豎直流動且可選擇不同流向，同時能夠提供非均勻熱流壁面條件的超臨界二氧化碳微通道換熱實驗系統。

本發明的技術方案如下：

一種超臨界二氧化碳微通道換熱實驗系統，該超臨界二氧化碳微通道換熱實驗系統包括用于提供超臨界二氧化碳工質的二氧化碳供氣系統和二氧化碳工質循環測試系統；所述二氧化碳工質循環測試系統包括總旁路、豎直微通道換熱實驗段、豎直微通道換熱實驗段第一旁路、水平微通道換熱實驗段和水平微通道換熱實驗段旁路，豎直微通道換熱實驗段和豎直微通道換熱實驗段第一旁路的入口匯合后和總旁路均與二氧化碳供氣系統的出口相連，豎直微通道換熱實驗段和豎直微通道換熱實驗段第一旁路的出口均與水平微通道換熱實驗段和水平微通道換熱實驗段旁路的入口相連，水平微通道換熱實驗段、水平微通道換熱實驗段旁路出口匯合后和總旁路的出口與二氧化碳供氣系統的入口相連。其中，豎直微通道換熱實驗段、水平微通道換熱實驗段的入口和出口均設有截止閥，總旁路、豎直微通道換熱實驗段第一旁路和水平微通道換熱實驗段旁路上設有截止閥，用于控制開閉和流量。

通過調節總旁路、豎直微通道換熱實驗段、豎直微通道換熱實驗段第一旁路、水平微通道換熱實驗段和水平微通道換熱實驗段旁路的開閉和流量可以進行水平和/或豎直流動狀態下二氧化碳的換熱性能實驗。

其中，所述豎直微通道換熱實驗段和水平微通道換熱實驗段均包括微管路、第一絕熱套筒、第二絕熱套筒、加熱單元、絕熱層，微管路兩端與實驗系統的管路連通，多個加熱單元緊密套裝于微管路中間，所有加熱單元均被絕熱層緊密包裹。第一絕熱套筒、第二絕熱套筒分別位于加熱單元兩側，緊密套裝于微管路上。

進一步地，所述二氧化碳供氣系統包括二氧化碳儲氣瓶、儲液罐、高壓泵、過濾器和冷卻器，其中超臨界二氧化碳工質儲存在儲液罐中，儲液罐上方接口分別連通二氧化碳儲氣瓶和冷卻器，二氧化碳氣瓶出氣管路上設置有截止閥和止回閥，儲液罐與冷卻器之間管路上設置有截止閥；儲液罐上方設置有排氣管路；儲液罐下方出口與高壓泵相連，管路上設有截止閥；高壓泵出口與過濾器入口端連通，過濾器出口的超臨界二氧化碳工質送入二氧化碳工質循環測試系統，從二氧化碳工質循環測試系統流出的流體送入冷卻器進行冷卻循環，其中，冷卻器入口前端設有背壓閥。