CN102425511B - 碳氢燃料的加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种碳氢燃料的加热方法，包括如下步骤：第一步：通过燃烧供能燃料产生高温高压燃气；第二步：将高温高压燃气与待加热的碳氢燃料进行持续的热交换。本发明的碳氢燃料的加热方法通过供能燃料与氧化剂的燃烧反应产生高温燃气，可以为热交换器长时间提供大功率的加热源，突破了采用电加热方案时的功率限制，可实现大流量碳氢燃料的加热，以满足大尺度超燃冲压发动机地画试验的需求。且本发明的氧化剂为氧气或者空气；供能燃料为乙醇水溶液或者甲醇水溶液。因此，本发明的氧化剂和供能燃料是廉价、易得的无毒、无污染、无腐蚀的“绿色介质”，提高了运行过程中的人员及设备安全性和可靠性，且运行成本低，具有良好的经济性。

Description

碳氢燃料的加热方法

技术领域

本发明涉及加热领域，特别地，涉及一种用于碳氢燃料加热的加热方法。

背景技术

碳氢燃料自高压下加热后进入超临界态。此时，将其注入到发动机的燃烧室中，即可瞬间气化，不需要经过液态碳氢燃料的雾化与蒸发过程，这有利于发动机的快速点火和燃料的完全燃烧。

现有技术中通常采用电加热方式加热碳氢燃料。然而，由于电功率的限制，利用电加热方法加热的碳氢燃料流量不能太高，无法满足大尺度发动机的使用需求。此外，利用电加热，成本高。

发明内容

本发明目的在于提供一种碳氢燃料的加热方法，以解决现有技术加热方法中燃料流量小，无法满足大尺度发动机的使用需求及成本高的技术问题。

为实现上述目的，根据本发明的一个方画，提供了一种碳氢燃料的加热方法，包括如下步骤：第一步：通过燃烧供能燃料产生高温高压燃气；第二步：将高温高压燃气与待加热的碳氢燃料进行持续的热交换。

进一步地，第二步在一个热交换器中进行，且热交换器内设有用于待加热的碳氢燃料流过的交换管；第二步包括如下阶段：第一阶段：使高温高压燃气不断地流入热交换器，并同时使待加热的碳氢燃料不断的流经交换管，待加热的碳氢燃料和高温高压燃气进行非稳态的热交换；第二阶段：第一阶段之后，待加热的碳氢燃料与高温高压燃气继续进行热交换以达到流动平衡与传热平衡。

进一步地，在第一阶段之前，先使高温高压燃气不断地流入热交换器，以对热交换器进行预热；预热完成后，再依次进行第一阶段和第二阶段的热交换过程。

进一步地，在第二阶段的整个过程中，高温高压燃气的质量流量和待加热的碳氢燃料的质量流量之间的关系式如下：其中，Mf为碳氢燃料的质量流量；Cp为碳氢燃料的定压比热；T1为碳氢燃料在热交换之前的温度；T2为加热后的碳氢燃料的目标温度；Mg为高温高压燃气的质量流量；Cg为高温高压燃气的定压比热；Tg1为高温高压燃气没有与碳氢燃料进行热交换之前的温度；Tg2为高温高压燃气与碳氢燃料进行了热交换之后的温度。

进一步地，高温高压燃气的质量流量为待加热的碳氢燃料的质量流量的3～8倍。

进一步地，在第一步中，还需要加入氧化剂，且使第一步中的推进剂余氧系数在0.5～1.0之间。

进一步地，氧化剂为氧气或者空气。

进一步地，燃料为乙醇水溶液或者甲醇水溶液。

进一步地，在第一步之前可计算需要的氧化剂和供能燃料的质量流量，具体过程如下：首先，根据待加热的碳氢燃料的质量流量和需要加热到的目标温度，计算所需的高温高压燃气的总质量流量；再次，根据选定的高温高压燃气没有和待加热的碳氢燃料进行热交换之前的温度，再根据热力计算方法即可算出需要的推进剂余氧系数，最后根据需要的推进剂余氧系数和高温高压燃气的总质量流量计算得到需要的氧化剂和供能燃料各自的质量流量。

进一步地，待加热的碳氢燃料的质量流量、需要加热到的目标温度及高温高压燃气的总质量流量满足如下关系：其中，M_f′为碳氢燃料的质量流量；Cp为碳氢燃料的定压比热；T1为碳氢燃料在热交换之前的温度；T₂′为加热后的碳氢燃料的目标温度；M_g′为高温高压燃气的质量流量；Cg为高温高压燃气的定压比热；Tg1为高温高压燃气没有和碳氢燃料进行热交换之前的温度；Tg2为高温高压燃气和碳氢燃料进行了热交换之后的温度。

本发明具有以下有益效果：本发明的碳氢燃料的加热方法通过供能燃料与氧化剂的燃烧反应产生高温燃气，可以为热交换器长时间提供大功率的加热源，突破了采用电加热方案时的功率限制，可实现大流量碳氢燃料的加热，以满足大尺度超燃冲压发动机地画试验的需求。且本发明的氧化剂为氧气或者空气；供能燃料为乙醇水溶液或者甲醇水溶液。因此，本发明的氧化剂和供能燃料是廉价、易得的无毒、无污染、无腐蚀的“绿色介质”，提高了运行过程中的人员及设备安全性和可靠性，且运行成本低，具有良好的经济性。

除了上画所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下画将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用米提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的碳氢燃料的加热方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

请参照图1，本发明优选实施例的碳氢燃料的加热方法需要使用的设备包括一个燃气产生器及与燃气产生器连接的热交换器。具体原理为：利用燃气产生器产生的高温高压燃气，对热交换器内的待加热的液态碳氢燃料进行加热。由于燃气产生器可为热交换器长时间提供大功率的高温高压燃气，突破了采用电加热方案时的功率限制，可实现对大流量碳氢燃料的加热，以满足大尺度超燃冲压发动机地画试验的需求。

本发明的碳氢燃料的加热方法包括如下几个步骤：

首先，第一步S1：通过燃烧供能燃料产生高温高压燃气。具体地，向燃气产生器内注入氧化剂和供能燃料，供能燃料和氧化剂在燃气产生器的燃烧室内充分燃烧后形成高温高压燃气。

本发明的氧化剂为氧气或者空气；供能燃料为乙醇水溶液或者甲醇水溶液。因此，本发明的氧化剂和供能燃料是廉价、易得的无毒、无污染、无腐蚀的“绿色介质”，提高了运行过程中的人员及设备安全性和可靠性，且运行成本低，具有良好的经济性。

燃气产生器内氧化剂的质量流量与供能燃料的质量流量之比为推进剂混合比；所述供能燃料与所述氧化剂理论上恰好完全反应并全部转化为反应产物时的混合比为恰当混合比；推进剂混合比与恰当混合比的比值为推进剂余氧系数。优选地，在本发明中，燃气产生器内的推进剂余氧系数在0.5～1.0之间。

在其它实施方式中，在上述第一步S1之前可计算需要的氧化剂和供能燃料的质量流量。具体过程如下：

步骤S11：计算需要的高温高压燃气的质量流量，即是：根据待加热的碳氢燃料的质量流量和需要加热到的目标温度，采用传热计算公式计算需要的高温高压燃气的质量流量。详述如下：

待加热的碳氢燃料的质量流量、温度及需要的加热功率满足下列计算关系：其中，W1为加热设定的质量流量的碳氢燃料到目标温度所需的功率(W)；Mf为碳氢燃料的质量流量(kg/s)；Cp为碳氢燃料的定压比热(J/kg.K)；T1为碳氢燃料在热交换之前的温度(K)；T2加热后的碳氢燃料的目标温度(K)。

高温高压燃气的质量流量和该高温高压燃气的质量流量所能提供的加热功率之间的关系满足下列关系：W2＝M_gC_g(T_g1-T_g2)，其中，W2为高温高压燃气提供的功率(W)；Mg为高温高压燃气的质量流量(kg/s)；Cg为高温高压燃气的定压比热(J/kg.K)；Tg1为高温高压燃气没有与碳氢燃料进行热交换之前的温度(K)；Tg2为高温高压燃气与碳氢燃料进行了热交换之后的温度(K)。

由于需要使待加热的液体碳氢燃料达到目标温度，就必须提供足够的加热能量，因此W2＝W1，即是

根据上述的公式，当给定的是待加热的碳氢燃料的质量流量M_f′和该质量流量M_f′的待加热的碳氢燃料的目标温度T₂′时，再通过权衡选择高温高压燃气和碳氢燃料进行热交换前、后的温度Tg1和Tg2，即可通过计算得到需要燃气产生器产生的高温高温燃气的质量流量M_g′。

步骤S12，根据所选择的高温高压燃气没有和碳氢燃料进行热交换之前的温度Tg1，再根据通用的热力计算方法即可算出需要的推进剂余氧系数，最后根据推进剂余氧系数和高温高压燃气的总质量流量M_g′可计算得到需要的氧化剂和燃料各自的质量流量。优选地，Tg1可以在600～1400K之间选择。

最后，第二步S2：该高温高压燃气与碳氢燃料进行持续的热交换，即是：将高温高压燃气不断地引入热交换器内，以对热交换器内的交换管内不断地流过的碳氢燃料进行持续的加热。优选地，该交换管为螺旋管。

优选地，在整个加热的过程中，可以通过质量流量控制器控制流入热交换器内的高温高压的燃气流量Mg和交换管内碳氢燃料的流量Mf，并使高温高压燃气与碳氢燃料在各自的流动过程中进行充分的热交换。

在该第二步S2的过程中，具体可以分为以下几个阶段，其详细过程分别如下：

第一阶段：使高温高压燃气不断地流入热交换器，并同时使碳氢燃料不断的流经交换管，此时，高温高压燃气在交换管的外侧流动，并和碳氢燃料进行热交换。在此热交换的过程中，高温高压燃气不断地流入热交换器、碳氢燃料不断地流经交换管；且高温高压燃气与碳氢燃料沿着各自流动方向，碳氢燃料的温度持续升高而高温高压燃气的温度持续下降。此时，高温高压燃气与碳氢燃料之间的热交换尚未达到平衡状态，因此，此阶段的热交换过程是非稳态的，在这个阶段中，经过热交换的碳氢燃料尚未达到目标温度，不能提供给设备，而只能通过交换管的出口排掉。

优选地，在第一阶段之前，可以先使高温高压燃气不断地流入热交换器，以对热交换器进行预热一段时间之后，再使碳氢燃料不断的流经交换管。

第二阶段：经过一段时间持续的非稳态的热交换后(大约10s左右)，碳氢燃料与高温高压燃气基本达到流动与传热平衡。此时，交换管的出口处的碳氢燃料的温度不再变化，为目标温度；且交换管的出口处的加热后的碳氢燃料的流量等于交换管的进口处的加热前的碳氢燃料的流量。此时，只需要将出口处的加热后的碳氢燃料通过管路输送到使用设备，即可供该设备使用。换热后的高温高压燃气经热交换器排出。由上述可知，需要经历非稳态的热交换过程。优选地，M_g′为M_f′的3倍～8倍。

优选的，在第二阶段的稳态的热交换过程中，高温高压燃气的质量流量和待加热的碳氢燃料的质量流量之间的关系式满足步骤S11中的公式：

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员米说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种碳氢燃料的加热方法，其特征在于，包括如下步骤： 

第一步：通过燃烧供能燃料产生高温高压燃气； 

第二步：将所述高温高压燃气与待加热的碳氢燃料进行持续的热交换； 

在上述第一步之前，计算需要的氧化剂和供能燃料的质量流量，具体包括： 

计算需要的高温高压燃气的质量流量，根据待加热的碳氢燃料的质量流量和需要加热到的目标温度，采用传热计算公式计算需要的高温高压燃气的质量流量； 

根据所选择的高温高压燃气没有和碳氢燃料进行热交换之前的温度，再根据通用的热力计算方法即可算出需要的推进剂余氧系数，最后根据推进剂余氧系数和高温高压燃气的总质量流量可计算得到需要的氧化剂和所述供能燃料各自的质量流量； 

所述第一步为向燃气产生器内注入氧化剂和所述供能燃料，所述第一步中的推进剂余氧系数在0.5～1.0之间，所述供能燃料和氧化剂在燃气产生器的燃烧室内充分燃烧后形成高温高压燃气； 

所述第二步在一个热交换器中进行，且所述热交换器内设有用于所述待加热的碳氢燃料流过的交换管，所述交换管为螺旋管； 

所述第二步包括如下阶段： 

第一阶段：使所述高温高压燃气不断地流入所述热交换器，并同时使所述待加热的碳氢燃料不断的流经所述交换管，所述待加热的碳氢燃料和所述高温高压燃气进行非稳态的热交换； 

第二阶段：所述第一阶段之后，所述待加热的碳氢燃料与所述高温高压燃气继续进行热交换以达到流动平衡与传热平衡；加热后的碳氢燃料经所述交换管的出口通过管路输送给使用设备，换热后的高温高压燃气经热交换器排出。 

2.根据权利要求1所述的碳氢燃料的加热方法，其特征在于，在所述第一阶段之前，先使所述高温高压燃气不断地流入所述热交换器，以对所述热交换器进行预热；预热完成后，再依次进行所述第一阶段和所述第二阶段的热交换过程。 

3.根据权利要求1所述的碳氢燃料的加热方法，其特征在于，在所述第二阶段的整个过程中，所述高温高压燃气的质量流量和所述待加热的碳氢燃料的质量流量之间的关系式如下： 

其中，Mf为所述碳氢燃料的质量流量；Cp为所述碳氢燃料的定压比热；T1为所述碳氢燃料在热交换之前的温度；T2为加热后的碳氢燃料的目标温度；Mg为所述高温高压燃气的质量流量；Cg为所述高温高压燃气的定压比热；Tg1为所述高温高压燃气没有与所述碳氢燃料进行热交换之前的温度；Tg2为所述高温高压燃气与所述碳氢燃料进行了热交换之后的温度。 

4.根据权利要求1所述的碳氢燃料的加热方法，其特征在于，所述高温高压燃气的质量流量为所述待加热的碳氢燃料的质量流量的3～8倍。 

5.根据权利要求1所述的碳氢燃料的加热方法，其特征在于，所述氧化剂为氧气或者空气。 

6.根据权利要求1所述的碳氢燃料的加热方法，其特征在于，所述供能燃料为乙醇水溶液或者甲醇水溶液。 

7.根据权利要求1所述的碳氢燃料的加热方法，其特征在于，所述待加热的碳氢燃料的质量流量、需要加热到的目标温度及所述高温高压燃气的总质量流量满足如下关系： 

其中， M_f′为所述碳氢燃料的质量流量；Cp为所述碳氢燃料的定压比热；T1为所述碳氢燃料在热交换之前的温度；T₂′为加热后的碳氢燃料的目标温度；M_g′为所述高温高压燃气的质量流量；Cg为所述高温高压燃气的定压比热；Tg1为所述高温高压燃气没有和所述碳氢燃料进行热交换之前的温度；Tg2为所述高温高压燃气和所述碳氢燃料进行了热交换之后的温度。