CN106123032A - 一种用于高温燃气的导流板装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高温燃气的导流板装置，包括导流板和外循环换热系统，导流板包括导流板板体、雾化相变室以及液体室，雾化相变室位于导流板板体与液体室之间，在液体室设置有将液体室内液体喷出并在雾化相变室进行初次雾化的喷头和将初次雾化的液滴进行再次雾化的超声波发生器，雾化相变室在导流板板体受高温的作用下将雾化的液滴气化；外循环换热系统包括换热器和液体输送泵，换热器的气体入口与所述出气口连接，换热器的冷却水出口通过所述液体输送泵与所述液体室连接。与现有技术相比，本发明利用液体雾化成液滴、液滴吸热气化的变化过程，快速并可持续的冷却燃气导流板。

Description

一种用于高温燃气的导流板装置

技术领域

本发明涉及一种燃气导流板，具体涉及的是一种利用沸腾相变传热技术进行高效散热的燃气导流板。

背景技术

我国是一个拥有近300万平方公里海洋国土的大国，如何维护我国的领海安全和海洋权益成为我们亟需解决的问题。航空母舰作为现代海军夺取大范围制海权和制空权不可或缺的利器，对我国海防具有重要的战略意义。战机是航空母舰的重要作战武器之一，近几十年来，随着作战要求的逐步提高，战机所携带的武器越来越多，起飞重量越来越大，其所需要的起飞速度也越来越高，一种能够在较短距离内使战机达到所需起飞速度的起飞方式—弹射起飞，已成为航母战机的主要起飞方式之一。弹射起飞时，为了使战机尾喷管喷射出来的高温高压气流不致伤害其后部的操作人员、设备、停放的物资等，需要采用一块挡板将此高温高压气流向舷外或向上引导。为了降低这股气流的灼热温度，燃气导流板后面都装有供冷却水循环流动的格状水管。

燃气导流板工作时，通过空气或者水进行冷却，要求温度迅速降低到不影响下一架待飞战机起飞的程度，因此燃气导流板的材料和结构要具有一定的耐高温、耐冲击和迅速冷却的能力。目前燃气导流板采用的冷却方式主要有两种，一种是主要依靠金属材料的导热进行，但是受到材料本身导热能力的限制，往往无法及时进行热量散发，这使得板材常常处于高温状态下，极易烧损，大大减少了燃气导流板的使用寿命，增加了航母的维护成本，降低了航母的作战效能；另一种冷却方式是采用液冷，通过与安装在下侧表面的若干海水冷却管道对流换热而实现冷却，以达到燃气导流板安全工作的温度范围，通过调节冷却海水的流量来控制冷却水温不超过100℃。但即使是强制对流，海水的对流传热系数也只有1000~1500W/m^2.K。随着战机的发展，我们需要更加高效的燃气导流板冷却技术。沸腾相变技术作为一种高效的散热方式，一直是燃气导流板冷却研究的重要方向。水的沸腾传热系数在2500~35000 W/m^2.K左右，传热系数比液冷提高了近20倍，所以本发明设计了一种利用沸腾相变传热技术进行高效散热的燃气导流板。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种利用沸腾相变传热技术进行高效散热的用于高温燃气的导流板装置。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种用于高温燃气的导流板装置，包括导流板和外循环换热系统，其特征在于：所述导流板包括导流板板体、雾化相变室以及液体室，所述雾化相变室位于所述导流板板体与液体室之间，在所述雾化相变室上端设置有一出气口，在所述液体室设置有将液体室内液体喷出并在雾化相变室进行初次雾化的喷头和将初次雾化的液滴进行再次雾化的超声波发生器，所述雾化相变室在所述导流板板体受高温的作用下将雾化的液滴气化；所述外循环换热系统包括换热器和液体输送泵，所述换热器的气体入口与所述出气口连接，换热器的冷却水出口通过所述液体输送泵与所述液体室连接。

在所述导流板板体内表面为锯齿状，锯齿的截面为三角形，与齿尖相连的两个边中位于下方的边长大于位于上方的边长。

所述三角形的各个内角为30°，60°和90°。

在所述液体室内有用于形成Z形混沌流道的周期性布置的Z形凸起。

所述Z形凸起有m行，n列的，10<m，n<20；所述Z形凸起由两个延展件和一个中间连接件组成，延展件和中间连接件之间的拐角角度为90°；所述Z形凸起的延展件尺寸为a，中间连接件尺寸为b，其中20mm<a，b<40mm。

所述外循环换热系统还包括一板体液位控制装置，该板体液位控制装置用来控制所述液体输送泵的流量大小。

所述雾化室中还布置有十字形支撑架。

所述十字形支撑架、喷嘴和超声波发生器交替布置。

本发明一种用于高温燃气的导流板装置，是由导流板和外循环换热系统两个部分构成。导流板包括导流体板体、液体室以及雾化相变室；外循环换热系统包括换热器，泵和板体液位控制装置，外循环换热系统和液体室相连接，不断给所述的液体室补充冷的液体。相变雾化室中的雾珠在相变雾化室中吸收高温高压燃气的热量产生沸腾相变，由液体变成大量的热气体。热气体经过换热器的冷却变为液体，再在液体输送泵的作用下回流到液体室。

本发明相变雾化室采用两级雾化，液体室中的液体经过喷嘴进行初次雾化，形成小液珠。小液珠再经过超声波发生器作用进行再次雾化，形成大量尺寸很小的雾珠。这些雾珠在相变雾化室中吸收高温燃气的热量，发生沸腾相变过程，源源不断的带走导流板板体中的热量，从而达到冷却燃气导流板的作用。相变雾化室还布置有十字形支撑架，十字形支撑架可以增加整个结构的强度，减少高温燃气对整个燃气导流板的冲击，保证燃气导流板安全工作。

锯齿状基底通过十字形支撑架和相变雾化室相连，这样能够保证雾化室中生成的雾珠直接快速的在相变雾化室中发生沸腾相变，带走高温燃气的热量，从而达到冷却燃气导流板的作用。有所不同的是，本发明相变雾化室的顶部固体平面采用的是锯齿状基底，横截面为三角形，三角形的各个内角为30°，60°和90°。经过数值模拟研究表明（如图1和图2所示），锯齿状基底能够有效的提高沸腾传热系数。与平板基底相比，由于结构的非对称特性，沸腾相变产生的气泡受浮力和表面张力的作用，将垂直于加热面生长于脱离，这样给气泡（参见图1，气泡大小随着时间t逐渐变大）的脱离增加了一个横向的推动力，能够加速气泡的脱离，从而提高了沸腾传热系数。

换热器可以将相变雾化室中流出的高温气体冷却为液体，再经过液体输送泵直接输送进液体室，为液体室提供源源不断的冷的液体。换热器可以是常规的夹套换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器或者套管式换热器等。

板体液位控制装置包括一个浮子和一个控制器。浮子用来确定所述燃气导流板板体中液体的液位高度，当液体室中液体被消耗的较多时，浮子随液位下降，此时控制器就会控制液体输送泵提供更多的液体。当液体室中的液体被消耗的很少或者燃气导流板不工作的时候，控制器就会控制液体输送泵减小液体的输送量或者关闭液体输送泵。

有益效果

本发明导流板装置，利用液体雾化成液滴、液滴吸热气化的变化过程，快速并可持续的冷却燃气导流板。使燃气导流板的温度降低到不影响下一架战机起飞的程度。本发明采用雾化条件下的沸腾相变传热技术来冷却燃气导流板；在相变室中采用锯齿状基底强化沸腾传热，进一步提高了冷却效果；在雾化室中采用喷嘴和超声波发生器进行两级雾化，得到尺寸很小的雾珠，使单位时间内气化的液体量更多，进而携带走更多的热量；液体室中采用Z形凸起形成混沌流道，使整个液体室的流动更加紊乱，有效的提高了喷嘴的雾化效果。

附图说明

图1锯齿状基底表面气泡生长图。

图2锯齿状基底和平板基底上沸腾传热系数对比。

图3 燃气导流板的示意图。

图4 (a) 锯齿状基底正面立体示意图；(b) 锯齿状基底背面立体示意图。

图5 相变雾化室正面立体示意图。

图6 (a) 液体室正面立体示意图；(b) 液体室俯视平面示意图。

图中1.甲板；2. 导流板板体；3.相变雾化室；4.液体室；5.喷嘴；6.超声波发生器；7.十字形支撑架；8.换热器；9.泵；10.板体液位控制装置；11. 锯齿状基底；12. Z形凸起；13. Z形混沌流道; 14. 延伸件；15.中间连接件；16.高温燃气。

具体实施方式

下面结合附图进行具体实施方式的说明：

图1给模拟了液体在锯齿状基底11的其中一个锯齿上受热沸腾产生气泡的情况，模拟时给定了气化核心。

图3给出了本发明利用相变进行高效散热的燃气导流板装置的示意图，主要由两部分组成：导流板和外循环换热系统。当导流板板体2不需要工作时，直接镶嵌在甲板1中，这样可以节约空间。导流板又包括导流板板体2、相变雾化室3和液体室4，导流板板体2的内表面为锯齿状基底11。外循环换热系统包括换热器8、泵9和板体液位控制装置10。导流板板体最底层是液体室4，外循环换热系统8和液体室4相连接，不断给液体室4补充冷的液体，液体室4的液体可以是纯水，乙醇和制冷剂等。导流板板体中层是相变雾化室3。液体室4经过相变雾化室3中的喷嘴5进行初次雾化，然后再经过超声波发生器6进行再次雾化。相变雾化室3中还布置有十字形支撑架7。导流板板体上层是锯齿状基底11，相变雾化室4中的雾珠在锯齿状基底11中吸收高温高压燃气的热量产生沸腾，由液体变成大量的热气体。热气体经过换热器8冷却变为液体，再在泵9的作用下回流到液体室4。此外，外循环换热系统还有一个板体液位控制装置10，板体液位控制装置还可以用来控制泵9的流量大小。

图4 (a)给出了锯齿状基底11的正面立体示意图，即从高温燃气来流的方向看到的锯齿状基底11的立体示意图。图4 (b)给出了锯齿状基底11的背面立体示意图，这样可以更加清楚的看到锯齿状基底11。锯齿状基底11是由多个三棱柱排列组成的，三棱柱横截面为三角形，三角形的各个内角为30°，60°和90°。

图5给出了相变雾化室3的正面立体示意图，即从高温燃气来流的方向看到的雾化室3的立体示意图。相变雾化室3中布置有喷嘴5，超声波发生器6和十字形支撑架7。喷嘴5将液体室4中的液体进行初次雾化，接着超声波发生器6进行再次雾化，形成尺寸很小的雾珠。十字形支撑架7可以增强整个燃气导流板的结构强度，使整个燃气导流板更加安全平稳的工作。

图6(a)给出了液体室4的正面立体示意图，即从高温燃气来流的方向看到的液体室4的立体示意图。图6(b)给出了液体室4的俯视平面示意图，这样可以更加清楚的看到Z形凸起12以及形成的混沌流道13。Z形凸起12由两个延伸件14和中间连接件15组成，延伸件14和中间连接件15之间的拐角角度为90度，液体流经Z形凸起12的拐角处容易产生涡流，使得整个液体室4的流动更加紊乱，有利于提高喷嘴5的初次雾化效果。Z形凸起12的延伸件14尺寸为a， Z形凸起12的中间连接件15尺寸为b，其中20mm<a，b<40mm。

Claims (8)

1.一种用于高温燃气的导流板装置，包括导流板和外循环换热系统，其特征在于：所述导流板包括导流板板体、雾化相变室以及液体室，所述雾化相变室位于所述导流板板体与液体室之间，在所述雾化相变室上端设置有一出气口，在所述液体室设置有将液体室内液体喷出并在雾化相变室进行初次雾化的喷头和将初次雾化的液滴进行再次雾化的超声波发生器，所述雾化相变室在所述导流板板体受高温的作用下将雾化的液滴气化；所述外循环换热系统包括换热器和液体输送泵，所述换热器的气体入口与所述出气口连接，换热器的冷却水出口通过所述液体输送泵与所述液体室连接。

2.根据权利要求1所述的导流板装置，其特征在于：在所述导流板板体内表面为锯齿状，锯齿的截面为三角形，与齿尖相连的两个边中位于下方的边长大于位于上方的边长。

3.根据权利要求2所述的导流板装置，其特征在于：所述三角形的各个内角为30°，60°和90°。

4.根据权利要求1、2或3所述的导流板装置，其特征在于：在所述液体室内有用于形成Z形混沌流道的周期性布置的Z形凸起。

5.根据权利要求4所述的导流板装置，其特征在于：所述Z形凸起有m行，n列的，10<m，n<20；所述Z形凸起由两个延展件和一个中间连接件组成，延展件和中间连接件之间的拐角角度为90°；所述Z形凸起的延展件尺寸为a，中间连接件尺寸为b，其中20mm<a，b<40mm。

6.根据权利要求1、2或3所述的导流板装置，其特征在于：所述外循环换热系统还包括一板体液位控制装置，该板体液位控制装置用来控制所述液体输送泵的流量大小。

7.根据权利要求1、2或3所述的导流板装置，其特征在于：所述的雾化室中还布置有十字形支撑架。

8.根据权利要求7所述的导流板装置，其特征在于：所述十字形支撑架、喷嘴和超声波发生器交替布置。