一种可输出恒定过载的超临界碳氢燃料传热试验台的制作方法

1.本发明属于超临界流体传热实验领域，具体涉及一种可输出恒定过载的超临界碳氢燃料传热试验台。


背景技术：

2.发动机燃烧室内混合气燃烧后会产生高温高压的燃气，若不对燃烧室壁面采取任何冷却措施，其温度将达到上千甚至几千摄氏度，远远超过燃烧室材料的工作温度极限，严重影响发动机的性能与寿命，因此必须选择合适的冷却介质对发动机进行有效地热管理。目前按照冷却介质分类主要有气冷式和液冷式两种方式。由于液体比气体具有更高的热容量和更优良的传热特性，因此可以更快、更多地将热量从发动机中转移出去，但是散热器和泵系统增加了重量，复杂性和成本。然而，对于发动机这种高功率产热装置，在实际应用当中更多情况下首选液冷式冷却系统来移除其产生的废热。
3.通常，采用液冷方式时，冷却液必须由发动机所驱动的运输工具（飞机、车辆等）自身携带，这不仅增加了运输工具的体积、重量和复杂性，还会导致更多的燃料消耗和运输工具性能的降低。碳氢燃料再生冷却系统利用燃料兼作推进剂和冷却剂，在进入发动机的燃烧室之前，首先通过待冷却部件和燃烧室壁的冷却通道，利用自身的显热，潜热甚至化学反应等方式吸收热量，然后进入燃烧室燃烧，既满足了发动机的冷却要求，又因为回收热量而提高了燃料的能量密度，同时还节省了运输工具因携带冷却剂而增加的体积和负载，因此，它是最常用、最经济以及最有效的发动机热管理方法之一。
4.由于碳氢燃料再生冷却系统通道内的工作压力一般高于典型燃料的临界压力，再生冷却过程中，碳氢燃料在超临界压力下注入发动机冷却通道，在吸热升温过程中，由高压液态向超临界状态转变，其热物性参数随温度变化十分显著，尤其当温度跨进拟临界区域时，剧烈的热物性参数畸变会导致强烈的浮升力效应和流动加速效应，此时燃料的流动与传热特性将变得极其复杂，传统的管内湍流压降和传热计算模型将不再适用。因此，必须通过实验研究获取碳氢燃料在超临界压力下的流动与传热数据，再基于相似原理和量纲分析去构建适用于超临界压力下碳氢燃料的管内湍流压降和传热关联式。
5.现有关于超临界压力下碳氢燃料流动与传热的研究绝大多数是在常重力下进行的，然而采用碳氢燃料再生冷却系统的运输工具一般具有一定的机动性能（如飞机的平飞加/减速、俯冲、跃升和盘旋，汽车的加/减速、突然刹车、转弯、圆周运动，船舶的上下颠簸、左右摇摆等）。此时碳氢燃料所受的体积力就不仅仅指重力，而是重力和惯性力的合成，有时候惯性力甚至可达重力的数倍乃至数十倍之多，这将导致体积力的大小和方向发生很大的改变，势必会影响超临界碳氢燃料的流动与传热，导致相关结论与常重力下相比存在很大的差异，因此必须研究惯性力对超临界碳氢燃料流动与传热的影响。
6.利用离心加速机驱动圆形试验台来模拟过载环境（惯性力环境）是研究惯性力对超临界碳氢燃料流动与传热影响的最实用的方法。目前国内外的过载试验台大多数是为了研究单相以及气液两相流在过载环境下的流动与传热问题，而针对超临界流体的流动与传
热的试验台比较少见。现有过载试验台大多是将所有实验零部件安装在同一个转台上，实验时流体循环系统、实验段（直管）、测控系统以及转台一起旋转，这样因旋转而导致的流体循环系统损坏以及测控系统的测量偏差时有发生，且实验段都是采用直管，然而碳氢燃料在直管内流动时无法保持恒定的过载，也就无法获得准确的过载下的实验数据。


技术实现要素：

7.为解决上述问题，本发明公开了一种可输出恒定过载的超临界碳氢燃料传热试验台。
8.为了达到以上目的，本发明提供如下技术方案： 一种可输出恒定过载的超临界碳氢燃料传热试验台，包括流体循环装置，还包括转盘、旋转驱动机构、电刷及实验管道，所述转盘通过承重轴转动连接在一机架上，所述旋转驱动机构安装在所述机架内并与所述承重轴相传动连接，所述电刷靠近转盘中心设置，其一端与外部电源相连；所述实验管道上缠绕有多个第三温度变送器，所述实验管道及第三温度变送器均安装在转盘上，所述实验管道的入口和出口均通过旋转接头与流体循环装置连通。
9.作为本发明的一种改进，所述实验管道为曲率半径与旋转半径相同的弯管。
10.作为本发明的一种改进，还包括数据采集系统，该数据采集系统包括无线数据采集装置及计算机，所述无线数据采集装置与流量计、第一温度变送器、第一差压变送器、第一压力变送器、第二温度变送器、第二差压变送器、第三温度变送器、第四温度变送器、第二压力变送器进行无线信号连接，所述无线数据采集装置与计算机数据连接。
11.作为本发明的一种改进，所述旋转接头为双通道旋转接头，该旋转接头安装于转盘的中心处，所述实验管道的入口和出口分别与旋转接头的两个通道相连通。
12.相对与现有技术，本发明具有如下优点：本发明采用旋转接头，实现了实验段与流体循环装置部件的分离，实验段的实验管道采用弯管可以保证超临界碳氢燃料惯性加速度恒定且可调，进一步的，数据传输使用无线传输技术，降低了数据采集计算机的损毁几率，保证了实验系统的可靠性和安全性。
附图说明
13.附图1为本发明中转盘与旋转驱动机构的连接示意图；附图2为本发明的整体结构示意图；附图3为本发明中流体循环装置的结构示意图。
具体实施方式
14.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
15.实施例：参见图1-3，一种可输出恒定过载的超临界碳氢燃料传热试验台，包括流体循环装置、转盘1、旋转驱动机构2、电刷5及实验管道21，转盘1通过承重轴4转动连接在一机架上，旋转驱动机构2安装在机架内并与承重轴4相传动连接，电刷5靠近转盘1中心设置，其一端与外部电源相连；
实验管道21上缠绕有多个第三温度变送器20，用于检测实验管道21外壁的温度变化，以判断是否发生临界热流现象；实验管道21及第三温度变送器20均安装在转盘1上，实验管道21的入口和出口均通过旋转接头32与流体循环装置连通。
16.流体循环装置采用现有装置，它主要包括储液罐6、第一过滤器7、恒流柱塞泵8、第一截止阀9、第二过滤器10、流量计11、第一温度变送器12、第一差压变送器13、预热管道直流电源14、预热管道15、第一压力变送器16、第二温度变送器17、第二差压变送器18、实验管道直流电源19、第三温度变送器20、实验管道21、第四温度变送器22、第二压力变送器23、冷却水系统24、背压阀25、第二截止阀26、第三截止阀27、电子秤28、称重瓶29、燃料回收罐30；其中储液罐6的出口与第一过滤器7的入口相连，第一过滤器7的出口与恒流柱塞泵8的入口管道相连，恒流柱塞泵8的出口与第一截止阀9相连，第一截止阀9与第二过滤器10的入口相连，第二过滤器10的出口与流量计11相连，流量计11经过第一温度变送器12与预热管道15的入口相连，预热管道15的出口与实验管道21的入口相连，实验管道21上缠绕若干第三温度变送器20，实验管道21的出口与冷却水系统24的入口相连，冷却水系统24的出口与背压阀25相连后分别通过两个阀门之后各自连接称重瓶29与燃料回收罐30；流量计11设置在第二过滤器10的出口处，用于测量此处的流量；第一温度变送器12设置在预热管道15的入口处，用于检测预热管道15入口处流体的温度；第一压力变送器16、第二温度变送器17设置在实验管道21的入口处，分别用于检测实验管道21入口处流体的压力和温度；第四温度变送器22、第二压力变送器23设置在实验管道21的出口处，用于检测实验管道21出口处流体的压力及温度；第一差压变送器13测量预热管道15的入口处和出口处之间的压差；第二差压变送器18用于测量流体在实验管道21入口处和出口处之间的压差；预热管道15采用导热材料制成；加热丝缠绕在预热管道15上，两端分别和预热管道直流电源14相连，用于对预热管道15中的流体进行预热；正电极、负电极分别设置在实验管道21两端，且正电极、负电极分别和实验管道直流电源19相连，用于对实验管道21加热、使得其内的流体发生临界热流现象；流体循环模块的实验管道21、第二差压变送器18、实验管道直流电源19设置在过载实验台的转盘1上，旋转接头32的上半段经过承重轴4的中心固定在转盘1的上面，旋转接头32的下半部分固定在转盘1的底部，所延伸出的管道与转盘下的平台相连；旋转接头32的两侧分别布有两个管道，实验管道21的入口经过旋转接头32的一端管道与预热管道15的出口相连，实验管道21的出口经过旋转接头32的另一端管道与冷却水系统24的入口相连；除实验管道21、第二差压变送器18、实验管道直流电源19以及第三温度变送器20固定在转盘1上之外，其余各部件均放置在转盘1下面的平台上，而在实验过程中，仅仅转盘1带动其上的部件进行旋转；旋转接头32上半部分的外壳内的管道跟着转盘1进行旋转，旋转接头32的下半部分，轴固定在实验台中间的承重轴4中间；旋转接头32采用现有产品，由轴、轴承、密封圈、外壳、挡圈组成；旋转接头32为双通道旋转接头，该旋转接头32安装于转盘1的中心处，实验管道21的入口和出口分别与旋转接头32的两个通道相连通。
17.过载实验台采用离心旋转装置，由轴、风扇、轴承、定子铁芯、定子绕组、定子铁芯通风孔、转子绕组、转子铁芯、转子通风孔、电刷、集电环组成；用于给实验管道21中的流体提供离心力，以模仿过载下流体流动；
实验管道21改造为曲率半径与旋转半径相同的弯管以保证流体在管内流动时保持恒定的惯性加速度；实验管段设计细长，耐高压，且工质的质量流量很小，总加热功率不大，因此不易发生危险。同时，在系统中容易发生危险的部件加设安全阀和防爆器，并注意实验场所通风换气，可确保实验安全进行；数据采集系统31包括无线数据采集装置及计算机，无线数据采集装置与流量计11、第一温度变送器12、第一差压变送器13、第一压力变送器16、第二温度变送器17、第二差压变送器18、第三温度变送器20、第四温度变送器22、第二压力变送器23进行无线信号连接，无线数据采集装置与计算机数据连接。
18.数据采集系统31可实现对温度、压力、压差以及流量信号的同时采集，数据采集软件选用工业控制软件组态王king view 6.53，并基于该软件开发过载下超临界碳氢燃料实验系统的控制界面，该界面可以实时显示并记录第一温度变送器12、第一差压变送器13、第一压力变送器16、第二温度变送器17、第二差压变送器18、第三温度变送器20、第四温度变送器22、第二压力变送器23、和流量计11的数据。其上还有流速调节和压力调节功能，可以根据流速和压力的实际值与设定值之间的差别进行自动调节，也可进行人工调节。
19.转盘1旋转过程中是通过电刷5将电力传输到转台上的。电刷5安装在承重轴4外的铁板上，和外界电源相连，用于将外部电力传递至电源模块，碳圈和钢圈连接在转盘的中心点附近，随转盘一起旋转。转盘1旋转时，就能通过电刷5对实验系统和数据采集系统提供电力；转盘1上设有供管道穿过的通孔，转盘1中心与承重轴4相连，中间连接旋转接头32，电源模块设置在转盘1下的平台上，流体循环模块固定在转盘1下的平台上；实验管道21上的第三温度变送器20沿其径向、周向设置，用于测量外壁温，且沿其内流体运动方向实验管道21径向、周向的第三温度变送器20均密集布置，以提高测量精度。
20.实验管道21采用透明的有机玻璃管，可对实验进行可视化观察，记录进出口流动特性，其内壁或外壁上设有加热膜，且电加热膜的两端分别和电源的正电极、负电极相连，用于对实验管道加热，实验段外包绝热层进行绝热，保证加热量可以完全被流体带走。
21.为保证实验正常进行，实验操作人员在进行实验操作之前需对实验关键参数(流量、压力、加热功率)进行合理估计，保证实验的顺利进行，并使实验有所依据；系统开始运行时，流体循环流程如下：如图1及图2所示，流体循环模块中，流体由储液罐6底部被抽出，经第一过滤器7、恒流柱塞泵8和第二过滤器10、流量计11，以过冷状态进入预热管道15。流体在预热管道15中被加热到一定干度或温度，进入实验管道21。在实验管道21中再次被加热后，经冷却水系统24，变为过冷液体，经过背压阀25防止液体回流，而后一部分进入称重瓶29，一部分流体进入燃料回收罐30进行回收。预热管道15采用为均匀缠绕的加热丝通电的加热方式，实验管道21采用直接通电的加热方式。系统的流量通过调节恒流柱塞泵8的转速控制；如图3所示，过载模拟实验台包含转盘1、旋转驱动机构2、防护网3、承重轴4、电刷5组成；转盘1旋转过程中是通过电刷5将电力传输到转台上的。电刷5安装在承重轴4外的铁板上，和外界电源相连，用于将外部电力传递至电源模块，碳圈和钢圈连接在转盘的中心点附近，随转盘一起旋转。转盘1旋转时，就能通过电刷5对实验系统和数据采集系统提供电力；转盘1上设有供管道穿过的通孔，转盘1中心与承重轴4相连，中间连接旋转接头32，电源模块设置在转盘1下的平台上，流体循环模块固定在转盘1下的平台上；转盘1以下旋转接头
32内部的管道均不转动，旋转接头32上半部分均随着转盘1的转动而转动；实验时，先调节系统压力和流量达到设定值，再通过调节预热管道15加热功率调节实验管道21入口干度或温度，当上述条件均达到设定值后，调节实验管道21进口温度和加热功率，使其缓慢上升，切除电加热；然后调节转盘转速使过载恒定，当实验段流体进出口温度和壁温保持稳定后，记录实验数据；调节实验参数至下一工况。
22.实验数据采集完成后，首先关闭加热系统，然后调节背压阀25降低管路压力至一定数值，关闭恒流柱塞泵8，最后关闭冷却水系统24及数据采集系统；离开实验室前，确保实验系统总电源切断。
23.本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。