[发明专利]盐浴式煤油加热与裂解模拟试验方法

说明书

本发明公开了一种盐浴式煤油加热与裂解模拟试验方法，包括以下步骤：(1)将加热煤油处理系统的真空泵组的真空阀打开，将管路中的残余空气排空；(2)空气排空后，打开可调功率电源加热系统对盐浴池内的熔盐进行预热熔化；(3)待盐浴池内的温度稳定后，打开冷态煤油供应系统的煤油储罐的煤油阀，将煤油持续注入煤油换热通道试验件内；(4)待煤油换热通道试验件内的煤油稳定流动后，形成高温流动反应器，煤油在煤油换热通道试验件内进行换热、裂解反应；(5)在上述过程中利用数据采集和控制终端采集管路通道不同采集点的流量数据、温度数据、压力数据及盐浴池内不同采集点的温度数据，不同采集点分别设有流量计、温度和压力传感器。

技术领域

本发明涉及超燃冲压发动机热管理与热防护应用研究试验领域，具体涉及一种盐浴式煤油加热与裂解模拟试验方法。

背景技术

高超声速飞行器的研制是当今航空航天领域发展的热点，已引起欧美、俄罗斯等国的高度重视。因为高超声速飞行中气流的高速度将给飞行器结构(特别是燃烧室)带来显著的气动力热载荷，未经冷却的燃烧室温度可高达3000K，完全超过已有结构材料的承受能力，所以设计高超声速飞行器的关键在于解决飞行器的热防护与热管理问题。吸热型碳氢燃料(主要指煤油)因性能优异、来源广泛、价格低廉被选作为超燃冲压发动机的再生冷却剂。它除了利于其本身的物理热沉(显热和潜热)外，还可以利用其在气相条件下发生化学反应吸收热量(化学热沉)，即在进入燃烧室之前裂解为小分子产物，裂解过程吸收热量，因而其冷却能力大大增强。

超燃冲压发动机再生冷却系统里，燃料吸收大量热量后温度会上升到临界温度以上，燃料在冷却通道内的流动会经历液态、超临界态等状态，临界点附近燃料的热物理性质、输运特性的剧烈变化将使得其传热特性变得更为复杂。由于飞行马赫数和飞行阶段的不同，吸热型碳氢燃料在冷却通道出口的状态是持续变化的，其有可能是液态、超临界态或裂解态，不同的状态下的热流密度、冷却能力、裂解状态呈现出很大的不同。为了研制煤油再生冷却系统，需要在地面条件下发展一种用于加热煤油的模拟设备，以研究煤油在不同的换热通道热环境下的冷却换热、加热裂解、流动输运等性能。

文献《Catalytic Cracking of China No.3 Aviation Kerosene underSupercriticalConditions》(AIAA 2008-5130)公开了一种超临界煤油传热和裂解研究三级加电加热系统方案。博士论文《超燃冲压发动机再生冷却通道内煤油流动与传热特性研究》(王宁，2014年)和《超燃冲压发动机再生冷却通道内热声不稳定特性研究》(王辉，2016年)公开了一种用于单管内煤油加热和流动的电加热方案。从公开的加热方式看，采用电阻加热方式实现对煤油输运管道的热环境模拟是一种煤油管道内流动和传热研究的传统解决方案。电加热方案可分为连续加热方式和蓄热式两种。连续电加热方案的瞬时功率要求较高，难以实现对大流量煤油的加热模拟，同时煤油输运管道必须采用良好电阻加热特性的发热管，电阻加热过程和煤油的换热过程相耦合，难以控制换热过程的恒温条件，加热过程温度分布不均匀。而且，只能对简单的圆管流动过程进行电加热模拟，无法模拟实际燃烧室换热流道的传热过程，直接影响着煤油流动换热和加热裂解成分数据的精确性。蓄热方式需要较大的加热体，采用固态蓄热体时，蓄热体对煤油管道的传热过程难以控制，结构设计难度大，制造加工周期长，成本高。

盐浴加热方案不受以上所述电加热工作过程的限制，是保持换热过程温度恒定特性、避免电加热和煤油换热过程相耦合的一条技术解决途径。采用适当熔点的熔盐配方，并保证在工作温度时的良好流动性，可使整个盐浴温度均匀，加热迅速、良好，且挥发较少，并可采取措施防止车间空气的污染。

发明内容