CN109030789A - 盐浴式煤油加热与裂解模拟试验方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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
本发明的目的是为了克服现有技术存在的加热过程温度分布不均匀、传热过程难以控制等问题，提供一种盐浴式煤油加热与裂解模拟试验方法，该盐浴式煤油加热与裂解模拟试验方法充分利用熔盐比热容大、温度恒定、换热系数大的特点，可实现对煤油换热通道的恒定加热，避免了电加热系统和换热通道系统相互耦合作用对换热过程的影响；加热模拟对象不局限于传统的圆管型换热通道，可实现对具有实际燃烧室流道特点的各种异型流道的模拟加热；通过控制煤油的流动速度和煤油换热通道试验件长度，可控制煤油在加热区域的停留时间，实现对煤油加热裂解过程的精确控制。
为了实现上述目的，本发明提供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第四阀门打开，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供应管路的第一阀门，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，形成了一个高温流动反应器，煤油在煤油换热通道试验件内进行换热、裂解反应；
(5)在此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。
优选地，在步骤(2)中，所述熔盐采用中性盐浴用盐，包括氯化盐和硝酸盐两大类；
所述氯化盐包括但不限于氯化钠、氯化钾和氯化钡，氯化钠、氯化钾用于中温盐浴，氯化钡用于高温盐浴；
所述硝酸盐包括但不限于硝酸甲、硝酸钠和亚硝酸钠，用于低温盐浴。
优选地，通过不同中性盐浴用盐成分配比，以便形成130℃～1300℃的加热温度范围。
优选地，通过盐浴池内设置绝热挡板形成多个分支盐浴池，所述分支盐浴池内装入不同配比的中性盐浴用盐，形成不同加热温度区间。
优选地，在步骤(2)中，所述盐浴池内设有熔池搅拌器，用于保持盐浴池内的温度分布均匀、提高盐浴池与煤油换热通道试验件的换热速率。
优选地，在步骤(3)中，所述冷态煤油供应系统的煤油储罐连接有增压气管路，所述增压气管路用于向煤油储罐注入增压气体，提供煤油注入压力，使煤油在增压气体的压力作用下流入煤油换热通道试验件内。
优选地，所述增压气体包括但不限于氮气、氩气。
优选地，所述煤油注入压力和冷态煤油供应系统的煤油供应管路的第一阀门用于控制煤油流速，通过控制煤油流速和更换煤油换热通道试验件长度，控制煤油在煤油换热通道试验件中的换热时间和加热裂解过程。
优选地，在步骤(3)中，同时将喷注燃烧器的第五阀门和加热煤油处理系统的冷凝与气液分离器的第七阀门保持打开状态，用于喷注燃烧器对加热后的煤油进行进一步的试验，以及冷凝与气液分离器对加热后的煤油及其裂解产物进行冷凝、分离，并传输给成分分析仪进行化学成分分析。
优选地，在步骤(4)中，所述煤油换热通道试验件包括但不限于圆管型换热通道，在煤油换热通道试验件沿程设置有流量计、压力和温度采集点。
通过上述技术方案，本发明的有益效果：
(1)充分利用浴盐比热容大、温度恒定、换热系数大的特点，可实现对煤油换热通道的恒定加热，避免了电加热系统和换热通道系统相互耦合作用对换热过程的影响；
(2)盐浴加热是一种间接加热方案，加热模拟对象不局限于传统的圆管型换热通道，可实现对具有实际燃烧室流道特点的各种异型流道的模拟加热；
(3)通过控制煤油的流动速度和调整煤油换热通道试验件长度，可控制煤油在煤油换热通道试验件内的停留时间，实现对煤油加热裂解过程的精确控制；
(4)通过配置浴盐的成分配比，可精确控制熔盐的氛围温度。通过将多个不同温区条件的盐浴池进行集成可实现煤油多温区的分段加热模拟。
附图说明
图1是本发明一个实施例的示意图。
附图标记说明
1冷态煤油供应系统
11煤油储罐 12增压气管路 13煤油供应管路
14吹除氮气管路 15结焦氧化空气管路
131第一阀门 141第二阀门 151第三阀门
2熔盐浴池系统
21可调功率电源加热系统 211电加热器
22盐浴池
221挥发性废气通道 222温度传感器Ⅰ
23绝热挡板 24熔池搅拌器
3煤油换热通道试验件
31温度传感器Ⅱ 32压力传感器
4加热煤油处理系统
41真空泵组 42喷注燃烧器 43废液处理器
44冷凝与气液分离器 45成分分析仪
411第四阀门 421第五阀门 431第六阀门
441第七阀门
5数据采集和控制终端
51温度压力采集板卡
6流量计
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指图中结构的位置关系。
本发明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4的真空泵组41的第四阀门411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21对盐浴池22内的熔盐进行预热熔化；
(3)待盐浴池22内的温度稳定后，打开冷态煤油供应系统1的煤油储罐11的第一阀门131，将煤油持续注入煤油换热通道试验件3内；
(4)待煤油换热通道试验件3内的煤油稳定流动后，形成了一个高温流动反应器，煤油在煤油换热通道试验件3内进行换热、裂解反应；
(5)在此过程中利用数据采集和控制终端5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6、温度传感器Ⅰ222、温度传感器Ⅱ31和压力传感器32。
在步骤(2)中，所述熔盐采用中性盐浴用盐，包括氯化盐和硝酸盐两大类；
所述氯化盐包括但不限于氯化钠、氯化钾和氯化钡，氯化钠、氯化钾用于中温盐浴，氯化钡用于高温盐浴；
所述硝酸盐包括但不限于硝酸甲、硝酸钠和亚硝酸钠，用于低温盐浴。
通过不同中性盐浴用盐成分配比，能形成130℃～1300℃的加热温度范围。
通过盐浴池22内设置绝热挡板23形成多个分支盐浴池，所述分支盐浴池内装入不同配比的中性盐浴用盐，形成不同加热温度区间。
在步骤(2)中，所述盐浴池22内设有熔池搅拌器24，用于保持盐浴池22内的温度分布均匀、提高盐浴池22与煤油换热通道试验件3的换热速率。
所述冷态煤油供应系统1的煤油储罐11连接有增压气管路12，所述增压气管路12用于向煤油储罐11注入增压气体，提供煤油注入压力，使煤油在增压气体的压力作用下流入煤油换热通道试验件3内。
所述增压气体包括但不限于氮气、氩气。
所述煤油注入压力和冷态煤油供应系统1的煤油供应管路13的第一阀门131用于控制煤油流速，通过控制煤油流速和更换煤油换热通道试验件3长度，控制煤油在煤油换热通道试验件3中的换热时间和加热裂解过程。
在步骤(3)中，同时将喷注燃烧器42的第五阀门421和加热煤油处理系统4的冷凝与气液分离器44的第七阀门441保持打开状态，用于喷注燃烧器42对加热后的煤油进行进一步的试验，以及冷凝与气液分离器44对加热后的煤油及其裂解产物进行冷凝、分离，并传输给成分分析仪45进行化学成分分析。
在步骤(4)中，所述煤油换热通道试验件包括但不限于圆管型换热通道，在煤油换热通道试验件3沿程设置有流量计、压力和温度采集点。
如图1所示，所述冷态煤油供应系统1、煤油换热通道试验件3和加热煤油处理系统4依次连接，所述煤油换热通道试验件3穿过熔盐浴池系统2，所述数据采集和控制终端5用于采集实验数据、控制煤油加热试验过程。
所述冷态煤油供应系统1包括煤油储罐11、增压气管路12、煤油供应管路13、吹除氮气管路14、结焦氧化空气管路15；
所述煤油储罐11分别与增压气管路12、煤油供应管路连13接；所述吹除氮气管路14和结焦氧化空气管路15分别与煤油供应管路13连接；
所述煤油供应管路13上设有第一阀门131，吹除氮气管路14上设有第二阀门141，结焦氧化空气管路15上设有第三阀门151，所述煤油供应管路13上还设有流量计6，用于检测煤油的流速及流量。
所述熔盐浴池系统2包括可调功率电源加热系统21和盐浴池22；
所述可调功率电源加热系统21包括多个电加热器211，所述电加热器均匀设置在盐浴池22内，用于对盐浴池22加热。
所述盐浴池22上设有端盖，所述端盖上连接有挥发性废气风道221。
所述盐浴池22上设有熔池搅拌器24，用于保持盐浴池22内的温度分布均匀，加大盐浴池22向煤油换热通道试验件3的换热速率。
所述盐浴池22内设有多个温度传感器Ⅰ222，用于监测盐浴池22内不同区域的温度。
所述盐浴池22内设有多个绝热挡板23，用于形成多个分支盐浴池，进行不同温度区域设置。
所述煤油换热通道试验件3包括但不限于圆形换热管；煤油换热通道试验件3沿程设置有温度传感器Ⅱ31和压力传感器32，用于采集温度和压力数据。
所述加热煤油处理系统4包括真空泵组41、喷注燃烧器42、废液处理器43、冷凝与气液分离器44和成分分析仪45；
所述真空泵组41、喷注燃烧器42、废液处理器43和冷凝与气液分离器44分别与煤油换热通道试验件4管道连接，所述冷凝与气液分离器44另一端连接成分分析仪45；
所述真空泵组41用于试验开始时将管路中的残留空气排空、防止空气与煤油的接触发生意外；
所述喷注燃烧器42用于对加热后的煤油进行进一步的试验；
所述废液处理器43用于将试验过程产生的废弃煤油及其产物进行无害处理；
所述成分分析仪45用于对经过冷凝与气液分离器44冷凝和分离处理后的煤油及其裂解产物进行化学成分分析。
所述真空泵组41的管路上设有第四阀门411，喷注燃烧器42的管路上设有第五阀门421，废液处理器43的管路上设有第六阀门431，冷凝与气液分离器44的管路上设有第七阀门441。
所述数据采集和控制终端5分别与流量计6、可调功率电源加热系统21和温度压力采集板卡51无线连接，通过流量计6和温度压力采集板卡51采集流量、温度与压力数据，并控制可调功率电源加热系统21对盐浴池22加热。
试验开始时，首先将加热煤油处理系统4的真空泵组41的第四阀门411打开，开启真空泵组41将煤油管路中的残余空气排空。空气排空后，利用数据采集和控制终端5打开可调功率电源加热系统21，对熔盐浴池系统2的盐浴池22内的熔盐进行预热熔化；待盐浴池22内的温度稳定后，方可开始煤油的供给程序，首先将打开第一阀门131，煤油在增压气管路12中增压气体的压力作用下向煤油换热通道试验件3中进行填充，煤油保持继续注入煤油换热通道试验件3内；待煤油换热通道试验件3内的煤油稳定流动后，煤油换热通道试验件3内形成了一个高温流动反应器，煤油在煤油换热通道试验件3内进行换热、裂解反应等过程，此过程中，可以通过控制增压气体的压力大小、第一阀门131开启程度和更换不同长度的煤油换热通道试验件3来精确控制煤油在煤油换热通道试验件3中的换热时间和加热裂解过程；随后，打开第七阀门441和第五阀门421且保持开启状态；在此过程中采集煤油换热通道试验件3沿程不同位置的温度和压力数据；其中，不同分支盐浴池中可以放入不同配比的熔盐，进行不同温度区域设置，实现煤油多温区的分段加热模拟。
试验完成后，首先关闭可调功率电源加热系统21和第一阀门131，并打开第二阀门141和第六阀门431，利用从吹除氮气管路14流入的氮气将管路中的残余煤油及其裂解产物吹入到废液处理器43进行处理，完毕后，打开第三阀门151，通入的空气能够将残留在煤油换热通道试验件3通道壁面上的碳结焦在高温下进行氧化并吹除；之后，再次打开第二阀门141，将管路中的残余空气完全吹出，并用氮气保护煤油换热通道试验件3内壁面，防止空气氧化；最后关闭第二阀门141和第六阀门431，待熔盐冷却后完成了煤油加热与裂解模拟试验的清理。
盐浴是最常用的加热介质，它有两种加热方式：一类是利用熔融状态的中性盐类能导电的性质，通过自身的电阻把电能转换成热量并传递给试验件，从而加热试验件；另一类则是以热源吸收热量，利用其热容量大的特点而传导加热试验件；盐浴池22中的传热方式以对流传热和传导传热为主。由于盐浴的热容量很大(是空气介质的几百倍，甚至几千倍)，因此盐浴中煤油换热通道试验件3的加热速度很快。盐浴介质向煤油换热通道试验件3之间的对流换热系数的大小与高速空气向煤油换热通道试验件3之间的对流换热系数可处于同一数量级。因此盐浴加热的方法可以用于在地面试验条件下模拟燃烧室中的高温燃气向燃烧室壁面间的对流换热过程。
本发明中的熔盐采用中性盐浴用盐，主要包括氯化盐和硝酸盐两大类。氯化盐常用的有氯化钠、氯化钾，主要用于中温；氯化钡主要用于高温；硝酸盐常用的有硝酸甲、硝酸钠和亚硝酸钠，主要用于低温加热。
高、中温盐浴用盐的组成
低温盐浴用盐的成分和组成
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种盐浴式煤油加热与裂解模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将加热煤油处理系统的真空泵组的第四阀门打开，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供应管路的第一阀门，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，形成了一个高温流动反应器，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。
2.根据权利要求1所述的盐浴式煤油加热与裂解模拟试验方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述熔盐采用中性盐浴用盐，包括氯化盐和硝酸盐两大类；
所述氯化盐包括但不限于氯化钠、氯化钾和氯化钡，氯化钠、氯化钾用于中温盐浴，氯化钡用于高温盐浴；
所述硝酸盐包括但不限于硝酸甲、硝酸钠和亚硝酸钠，用于低温盐浴。
3.根据权利要求2所述的盐浴式煤油加热与裂解模拟试验方法，其特征在于，通过不同中性盐浴用盐成分配比，以便形成130℃～1300℃的加热温度范围。
4.根据权利要求3所述的盐浴式煤油加热与裂解模拟试验方法，其特征在于，通过盐浴池内设置绝热挡板形成多个分支盐浴池，所述分支盐浴池内装入不同配比的中性盐浴用盐，形成不同加热温度区间。
5.根据权利要求1所述的盐浴式煤油加热与裂解模拟试验方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述盐浴池内设有熔池搅拌器，用于保持盐浴池内的温度分布均匀、提高盐浴池与煤油换热通道试验件的换热速率。
6.根据权利要求1所述的盐浴式煤油加热与裂解模拟试验方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述冷态煤油供应系统的煤油储罐连接有增压气管路，所述增压气管路用于向煤油储罐注入增压气体，提供煤油注入压力，使煤油在增压气体的压力作用下流入煤油换热通道试验件内。
7.根据权利要求6所述的盐浴式煤油加热与裂解模拟试验方法，其特征在于，所述增压气体包括但不限于氮气、氩气。
8.根据权利要求6所述的盐浴式煤油加热与裂解模拟试验方法，其特征在于，所述煤油注入压力和冷态煤油供应系统的煤油供应管路的第一阀门用于控制煤油流速，通过控制煤油流速和更换煤油换热通道试验件长度，控制煤油在煤油换热通道试验件中的换热时间和加热裂解过程。
9.根据权利要求1所述的盐浴式煤油加热与裂解模拟试验方法，其特征在于，在步骤(3)中，同时将喷注燃烧器的第五阀门和加热煤油处理系统的冷凝与气液分离器的第七阀门保持打开状态，用于喷注燃烧器对加热后的煤油进行进一步的试验，以及冷凝与气液分离器对加热后的煤油及其裂解产物进行冷凝、分离，并传输给成分分析仪进行化学成分分析。
10.根据权利要求1所述的盐浴式煤油加热与裂解模拟试验方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述煤油换热通道试验件包括但不限于圆管型换热通道，在煤油换热通道试验件沿程设置有流量计、压力和温度采集点。
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