CN104176229B - 一种独立式两相流喷雾冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种独立式两相流喷雾冷却装置。以液态二氧化碳为高压动力源，通过节流降压后一路流入喷雾冷却装置的气路通道，另一路为液路支路的储液罐加压，加压后的液态工质可通过单相喷嘴喷出细小的雾状颗粒，与来自于气路支路的二氧化碳形成气液两相流喷雾混合流。该两相流可流入飞行器被冷却表面的夹层内冷却通道，因液相的汽化潜热大可强化冷却效果。本发明可在不破坏飞行器气动表面流场的前提下，实现飞行器冷却表面的温控需求。

Description

一种独立式两相流喷雾冷却装置

技术领域

本发明涉及一种独立式两相流喷雾冷却装置，属飞行器热控制技术领域。

背景技术

对于高超音速飞行器，其蒙皮表面的温度可高达1000℃以上^[1]。目前主要采用高效隔热技术或者耐高温金属来适应蒙皮表面的高温环境^[2]。但某些特殊表面有温控要求时，必须采用有效的冷却技术来保障。

喷雾冷却是指液体工质在压力驱动下，通过雾化喷嘴或者雾化装置强制雾化成为微米级的液滴后被强制喷射到冷却介质表面实现冷却的过程^[3]。喷雾冷却具有换热性能好、换热温差小以及冷却介质需求量低等特点^[4]。喷雾冷却技术分为：(1)单相喷雾冷却。该技术通过液体泵使液体产生压力后，通过单相喷嘴喷射出液体^[5]；(2)两相喷雾冷却。该技术借助于高压压缩空气(4个大气压)，采用两相喷嘴，气液汇合后由喷嘴喷射成雾状射流^[6]。

喷雾冷却喷出的液体多与被冷却界面直接接触，对于高超音速飞行器中气动性能要求高的表面，直接式喷雾冷却技术会破坏气动表面的流场，需要将喷雾引入夹层内通道，以实现气动表面的温控需求。对于采用高压压缩空气的两相喷雾技术，压缩空气的气源装置体积庞大，不适用于飞行器。而二氧化碳较易实现液态储存，相比压缩空气具有质量轻体积小的优势。

参考文献

[1]张纯学，晗旭.可负担的远程精确打击高超声速导弹[J].飞航导弹.2006(12).6

[2]杨炳渊.超高速防空导弹结构防热技术.上海航天.2002年第4期

[3]刘炅辉，李梦京，刘秀芳，侯予.以R22为冷却剂的闭式循环相变喷雾冷却实验研究[J].西安交通大学学报.2013(47):132-136

[4]钟昕，刘秀芳，赵红利，胡伟，侯予，相变喷雾冷却技术的研究进展[J]，低温工程，2011(2):34-38

[5]王军利，喷雾冷却实验研究与分析，西安电子科技大学，2009

[6]刘锡录，张耀良，闫通海，喷雾冷却装置技术性能的试验研究，现代机械，1994年9月

发明内容

本发明提出一种独立式两相流喷雾冷却装置，以液态二氧化碳作为高压动力源，节流降压后成为二氧化碳气体。二氧化碳气体一路流入喷雾冷却装置的气路支路，为喷雾后的液相工质流入被冷却表面的夹层冷却通道提供前进动力；另一路为装置的液路支路中储液罐加压，加压后的高压液体经单相喷嘴喷出后形成细小的雾化颗粒。混合后的两相流喷雾被引入飞行器夹层内冷却通道，在不破坏气动表面流场的前提下，实现气动表面的温控需求。

两相流喷雾冷却装置包括CO₂气路支路和水路支路两部分。CO₂气路支路由气瓶保温装置，CO₂气瓶，CO₂减压器，温度调节装置，气路精密减压器，涡街流量计组成；水路支路由水路精密减压器，水罐，单相喷嘴组成。

CO₂气路支路具有供气、调压、调节气相流量等功能，通过气路精密减压器的作用实现气流流量的控制，并保证供气流量稳定。气瓶保温装置可以保证CO₂流量稳定的从气瓶中排出；CO₂减压器采用控制阀体内的启闭件开度来调节CO₂流量，并将CO₂的压力降低；CO₂从气瓶排出过程膨胀降温，导致CO₂温度剧烈降低，温度调节装置对CO₂进行预热，使其到达喷嘴位置时，温度在0℃以上防止雾化水结冰堵塞管路；通过调节气路精密减压器出口压力，可与管路出口形成不同压差值，从而得到不同气体流量值；涡街流量计用于实时监测CO₂流量。

水路支路从CO₂气瓶引气对水罐加压，由于单相喷嘴流量与水压呈对应关系，通过水路精密减压器精确调节水罐内压力，从而控制喷水流量。

本发明的优点在于：

(1)装置所选用CO₂作为气相工质，安全性好，无毒无害。且CO₂液化后存储装置体积小巧，适用于飞行器特殊的应用环境。

(2)水罐压力可由气态二氧化碳供给实现任意调节，保证了装置的独立性。

(3)所选用单相喷嘴结构简单，体积小巧，适用于对于尺寸空间要求苛刻的飞行器环境。

(4)喷雾冷却装置以液态CO₂为高压动力源，可为两相流工质流入被冷却表面的夹层冷却通道提供前进动力，特别是当液相工质水粘附于被冷却表面内部的冷却通道时，可形成一层非常薄的液膜，由于水的蒸发潜热巨大，有效强化了传热效果。

附图说明

图1是两相流喷雾冷却装置结构示意图；

图2是两相流喷雾冷却装置使用流程图。

图中：

1.气瓶保温装置2.CO₂气瓶3.CO₂减压器

4.温度调节装置5.气路精密减压器6.气路开关

7.涡街流量计8.引气阀门9.水路精密减压器

10.单向阀门11.水罐12.出水阀门

13.单相喷嘴14.喷射段

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种独立式两相流喷雾冷却装置，如图1所示，包括气瓶保温装置1，CO₂气瓶2，CO₂减压器3，温度调节装置4，气路精密减压器5，气路开关6，涡街流量计7，引气阀门8，水路精密减压器9，单向阀门10，水罐11，出水阀门12，单相喷嘴13，喷射段14。T0、T1为温度测点，T0监测气瓶温度，T1监测喷嘴前气流温度；P0、P1为压力测点，P0监测水罐压力，P1监测喷嘴前气流压力。

结合图1与图2说明本发明一种独立式两相流喷雾冷却装置的工作过程：

监测气瓶温度测点T0的温度是否低于30℃，若T0低于30℃则启动气瓶保温装置1，若T0高于30℃则不启动气瓶保温装置1；开启CO₂气瓶2顶部阀门，调节CO₂减压器3使CO₂气体从CO₂气瓶2内降压排出；开启引起阀门8，通过调节水路精密减压器9配合测点P0读数精确控制水罐内压力，得到设定的水流量；开启气路开关6，调节气路精密减压器5配合涡街流量计7得到设定的气体流量；监测温度T1是否低于0℃，若T1低于0℃则启动温度调节装置4，若T1高于0℃则不启动温度调节装置4；开启出水阀门12，气相与液相在喷射段14内进行混合，得到两相流喷雾，进入冷却通道进行换热降温；装置在使用过程中，若T0低于30℃则启动气瓶保温装置1，若T1低于0℃则启动温度调节装置4。

所述的两相喷雾液相为水。

所述的两相喷雾气相为CO₂。

实施例：

使用激光颗粒度仪对两相流喷雾冷却装置所使用的单相喷嘴进行喷雾效果观测实验。实验观测到水滴雾化均匀，数据显示喷雾粒径均在40um以下，雾化效果显著。

假设冷却通道内径10mm，当CO₂表观流速达到12m/s，则CO₂需求量的计算公式如下(20℃、0.11MPa下CO₂密度为1.99kg/m³)：

${\stackrel{\·}{m}}_{{\mathrm{CO}}_2}=\mathrm{\ρ}\·\frac{1}{4}{\mathrm{\πd}}^2\·u=1.99kg/m^3\×\frac{1}{4}\×3.14\×{\left(0.01m\right)}^2\×12m/s\×3600s/h=6.75kg/h$

两相流喷雾冷却装置主要是通过水蒸发吸热带走热量。常压下20℃水的汽化潜热为2453.6kJ/kg，当水量为6kg/h，则冷却功率计算公式如下：

根据计算结果可知，对于内径10mm的冷却通道，两相流喷雾冷却装置每小时消耗6kg的水与6.75kg的CO₂气体即可提供4.09kW的冷却功率。

Claims (4)

1.一种独立式两相流喷雾冷却装置，在不破坏飞行器气动表面流场的前提下，可实现气动表面的温控需求；装置包括：气瓶保温装置，CO₂气瓶，CO₂减压器，温度调节装置，气路精密减压器，涡街流量计，水路精密减压器，水罐，单相喷嘴，喷射段，温度测点，压力测点；以液态二氧化碳作为高压动力源，节流降压后成为二氧化碳气体；二氧化碳气体一路流入喷雾冷却装置的气路，为喷雾后的液相工质流入被冷却表面的夹层冷却通道提供前进动力；另一路为液路中储液罐加压，加压后的高压液体经单相喷嘴喷出后形成细小的雾化颗粒；混合后的两相流喷雾被引入飞行器夹层内冷却通道，在不破坏气动表面流场的前提下，实现气动表面的温控需求。

2.根据权利要求1所述的独立式两相流喷雾冷却装置，其特征在于：装置所选用的高压液态CO₂，工质安全性好，无毒无害；因液态二氧化碳的沸点接近于常温，相比于其他气源装置，有效保证气瓶容积小、质量轻；同时采用单相喷嘴，使得系统结构紧凑、体积小巧。

3.根据权利要求1所述的独立式两相流喷雾冷却装置，其特征在于：喷雾冷却装置以液态CO₂作为高压动力源，一方面为喷射后的液相工质流入被冷却表面的夹层冷却通道提供前进动力，在不破坏飞行器气动表面流场的前提下实现气动表面的温控需求；另一方面可提供储液罐的压力，并容易实现储液罐压力的任意调节，可满足不同工况的冷却需求。

4.根据权利要求1所述的独立式两相流喷雾冷却装置，其特征在于：液相工质水粘附于被冷却表面内部的冷却通道，可形成一层非常薄的液膜，由于水的蒸发潜热巨大，有效强化了传热效果；同时由于水膜覆盖，冷却通道内不会出现沸腾气泡，也不会产生压力突变，使系统运行和冷却特性得以保证。