CN106247658A - 封闭式气液两相冲击冷却系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种封闭式气液两相冲击冷却系统及方法，属于航空、航天、动力机械、电子等高热流密度部件冷却领域。该系统主要包括空气压缩机、气水引射器、冲击腔、膨胀机、发电机、冷凝器和气水分离器。其特征在于：采用引射器将水雾化，在空气流中形成雾化液滴，将液相汽化潜热大可强化冷却及冲击冷却冷却效果好的优点结合在一起，可对高温被冷却面进行有效冷却；膨胀机输出功在提供空气压缩机功耗的条件下，还对外输出电能；采用气液分离器将空气和水进行分离，水流入水箱，而空气进入压缩机，如此循环工作，形成一个封闭系统。该冷却系统可应用于高超音速飞行器前缘、燃气轮机叶片等热流密度高的场合。
Description
技术领域
本发明设计一种封闭式气液两相冲击冷却系统及方法，属于航空、航天、动力机械、电子等高热流密度部件冷却领域。
背景技术
在航空、航天、电力、电子等领域，很多设备部件运作在高温环境下，如航天器采用大气制动技术过程中，与大气摩擦产生气动热，表面温度可上升至上百摄氏度；燃气轮机叶片长期工作在1000K-2000K的高温环境中，部件材料的寿命受到严重威胁，采用先进的冷却技术是保证这些部件在高温环境下长期可靠运行的重要途径之一。
冲击冷却由于传热效率高的得到了广泛的应用，传统的两相冲击冷却装置采用水泵对水加压、采用雾化喷嘴将水雾化的方法，不仅使得设备复杂性提高而且增加了能耗。此外，传统的冲击冷却系统为开式系统，被加热后的气流不被利用直接排入环境，而且需要源源不断地提供水资源，造成大量的热资源和水资源浪费。因此，开发能耗低、水耗少、冷却效果好的封闭式系统显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能耗低、水耗少、冷却效果好的封闭式气液两相冲击冷却系统及方法。
一种封闭式气液两相冲击冷却系统，其特征在于：该系统包括空气压缩机、气水引射器、冲击腔、高温被冷却面、膨胀机、发电机、冷凝器、气水分离器、水箱和调节阀；其中空气压缩机、膨胀机和发电机采用同轴安装;气水引射器包括空气入口、水入口和气水混合流出口；冷凝器包括热侧入口、热侧出口、冷测入口和冷测出口；气水分离器包括气水混合流入口、水出口和空气出口；冷凝器热侧出口与气水分离器气水混合流入口相连，气水分离器水出口与水箱入口相连，水箱出口与气水引射器水入口相连，气水分离器空气出口与空气压缩机入口相连；空气压缩机出口分为两路：一路与气水引射器空气入口相连，另一路通过调节阀与气水引射器气水混合流出口相连后，共同与冲击腔入口相连，冲击腔通过冲击孔与高温被冷却面相连，高温被冷却面出口与膨胀机入口相连，膨胀机出口与冷凝器热侧入口相连，冷凝器热侧出口与气水分离器入口相连；冷媒介质与冷凝器冷侧入口相连，冷凝器的冷侧出口与冷媒介质系统相连。
所述的封闭式气液两相冲击冷却系统，其特征在于：冷凝器热侧低压气水混合流进入气水分离器进行气水分离：气水分离器分离出的水流入水箱；气水分离器分离出的低压空气通过空气压缩机压缩后变成高压空气，高压空气分两路：一路进入引射器用于引射水箱中的水并使其雾化；一路通过调节阀与引射器出口的混合工质进行充分混合，形成均匀的高压气水混合流，高压气水混合流进入冲击腔并通过冲击孔喷射而出，对高温被冷却面进行冷却，高压气水混合流吸收高温被冷却面的热量后形成高压气汽混合流，然后进入膨胀机膨胀做功，膨胀机出口低压气汽混合流送入冷凝器的热侧向其冷侧的冷媒介质释放热量后，变成低压气水混合流，然后流入气水分离器；冷媒介质从冷凝器的冷侧入口流入，吸收其热侧低压气汽混合流释放的热量后，从冷凝器的冷侧出口流出;系统中的空气压缩机、膨胀机和发电机采用同轴安装，膨胀机运转带动空气压缩机对空气进行加压，同时驱动发电机发出电能。
上述封闭式气液两相冲击冷却系统采用引射器对将水雾化，代替传统采用水泵对水加压、采用雾化喷嘴将水雾化的方法。
上述封闭式气液两相冲击冷却系统可以根据冷却要求，通过调节阀开度的变化，改变引射器引射出的水的流量。
上述封闭式气液两相冲击冷却系统是一种封闭式的冷却系统，无需外界提供空气和水，且可以通过发电机为外界提供电能，通过冷凝器为外界提供热量。
本发明采用引射器在空气流中加入液态水，将液态水汽化潜热大以及冲击冷却换热效果好的优点结合在一起，可以对高温面进行有效冷却；系统利用高压气汽混合流膨胀做功带动压缩机工作且输出电能，节约了能耗；此外，采用封闭式系统回收工质水，减少了水的消耗。系统具有能耗低、水耗少、冷却效果好的优点，特别适用于航空、航天等水资源匮乏的场合。
附图说明
图1是封闭式气液两相冲击冷却系统；
图中标号名称：1、空气压缩机，2、气水引射器，3、冲击腔，4、冲击孔，5、高温被冷却面，6、膨胀机，7、发电机，8、冷凝器，9、气水分离器，10、水箱，11、调节阀，12、低压空气，13、水，14、高压空气，15、高压气水混合流，16、高压气汽混合流，17、低压气汽混合流，18、低压气水混合流，19、冷媒介质。
具体实施方法
图1是本发明提出的封闭式气液两相冲击冷却系统，下面参照图1说明该冷却系统的工作过程。
冷凝器8热侧低压气水混合流18进入气水分离器9进行气水分离：气水分离器9分离出的水13流入水箱10；气水分离器9分离出的低压空气12通过空气压缩机1压缩后变成高压空气14，高压空气14分两路：一路进入引射器2用于引射水箱10中的水13并使其雾化；一路通过调节阀11与引射器2出口的混合工质进行充分混合，形成均匀的高压气水混合流15，高压气水混合流15进入冲击腔3并通过冲击孔4喷射而出，对高温被冷却面5进行冷却，高压气水混合流15吸收高温被冷却面5的热量后形成高压气汽混合流16，然后进入膨胀机6膨胀做功，膨胀机6出口低压气汽混合流17送入冷凝器8的热侧向其冷侧的冷媒介质19释放热量后，变成低压气水混合流18，然后流入气水分离器9进行气水分离，如此循环工作。
冷媒介质19从冷凝器8的冷侧入口流入，吸收其热侧低压气汽混合流17释放的热量后从冷凝器8的冷侧出口流出。
Claims (3)
1.一种封闭式气液两相冲击冷却系统，其特征在于：
该系统包括空气压缩机（1）、气水引射器（2）、冲击腔（3）、高温被冷却面（5）、膨胀机（6）、发电机（7）、冷凝器（8）、气水分离器（9）、水箱（10）和调节阀（11）；其中空气压缩机（1）、膨胀机（6）和发电机（7）采用同轴安装;
气水引射器（2）包括空气入口、水入口和气水混合流出口；冷凝器（8）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；气水分离器（9）包括气水混合流入口、水出口和空气出口；
冷凝器（8）热侧出口与气水分离器（9）气水混合流入口相连，气水分离器（9）水出口与水箱（10）入口相连，水箱（10）出口与气水引射器（2）水入口相连，气水分离器（9）空气出口与空气压缩机（1）入口相连；空气压缩机（1）出口分为两路：一路与气水引射器（2）空气入口相连，另一路通过调节阀（11）与气水引射器（2）气水混合流出口相连后，共同与冲击腔（3）入口相连，冲击腔（3）通过冲击孔（4）与高温被冷却面（5）相连，高温被冷却面（5）出口与膨胀机（6）入口相连，膨胀机（6）出口与冷凝器（8）热侧入口相连；
冷媒介质（19）与冷凝器（8）冷侧入口相连，冷凝器（8）的冷侧出口与冷媒介质系统相连。
2.根据权利要求1所述的封闭式气液两相冲击冷却系统的冷却方法，其特征在于：
冷凝器（8）热侧低压气水混合流（18）进入气水分离器（9）进行气水分离：气水分离器（9）分离出的水（13）流入水箱（10）；气水分离器（9）分离出的低压空气（12）通过空气压缩机（1）压缩后变成高压空气（14），高压空气（14）分两路：一路进入引射器（2）用于引射水箱（10）中的水（13）并使其雾化；一路通过调节阀（11）与引射器（2）出口的混合工质进行充分混合，形成均匀的高压气水混合流（15），高压气水混合流（15）进入冲击腔（3）并通过冲击孔（4）喷射而出，对高温被冷却面（5）进行冷却，高压气水混合流（15）吸收高温被冷却面（5）的热量后形成高压气汽混合流（16），然后进入膨胀机（6）膨胀做功，膨胀机（6）出口低压气汽混合流（17）送入冷凝器（8）的热侧向其冷侧的冷媒介质（19）释放热量后，变成低压气水混合流（18），然后流入气水分离器（9）；
冷媒介质（19）从冷凝器（8）的冷侧入口流入，吸收其热侧低压气汽混合流（17）释放的热量后从冷凝器（8）的冷侧出口流出;
系统中的空气压缩机（1）、膨胀机（6）和发电机（7）采用同轴安装，膨胀机（6）运转带动空气压缩机（1）对空气进行加压，同时驱动发电机（7）发出电能。
3.根据权利要求1所述的所述的封闭式气液两相冲击冷却系统的冷却方法，其特征在于：系统可以根据冷却要求，通过调节阀（11）开度的变化，改变引射器（2）引射出的水的流量。
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