CN109404162B - 航空煤油等压二级电加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航空煤油等压二级电加热装置，包括：一级加热构件和二级加热段，一级加热构件包括加热活塞腔和活塞杆，活塞杆的一端容纳安装于加热活塞腔中，活塞杆在加热活塞腔中沿加热活塞腔横向轴滑动；加热活塞腔与二级加热段的一端管路连通；航空煤油在一级加热构件中升温后，由活塞杆恒压推进二级加热段中继续加热。该装置将煤油加热分为两级进行，在相同的安全技术条件下，使得煤油的加热能力大幅提升。
Description
技术领域
本发明涉及一种航空煤油等压二级电加热装置，属于航空科学领域。
背景技术
航空煤油作为一种安全可靠的碳氢燃料，常用于空天飞行器当中。由于其可观的单位热值和热沉，还常作为吸气式冲压发动机的冷却剂。随着飞行马赫数的提高，航空煤油在冷却通道中的吸热量急剧增加，研究吸热后的航空煤油的热物性及喷注燃烧特性具有十分重要的意义。
但由于液态燃料吸热后体积迅速膨胀，进入临界态附近时热物性急剧变化，且存在高温结焦、裂解的特性，难以得到恒定压力下的高温煤油，使得航空煤油在地面加热实验中面临诸多的使用和研究困难。
航空煤油的电加热按照接触方式可分为直接加热与间接加热。
直接加热靠实验部件本身的电阻发热；间接加热是把加热器与加热对象(一般指流体)分开，如采用电阻丝均匀缠绕在实验件外表面。
采用直接加热时，实验过程较简单，但由于实验件一般电阻很小，为了达到所需的加热功率，电源必须能输出很大的电流，即采用低电压大电流的电源设备。这种加热方式的优势是输出电压很低，通常在人体安全电压以下，可以保证实验人员不发生触电危险。
间接加热时，可采用电阻较大的电阻丝作为加热器，由于加热器与实验件之间存在距离，因此加热器设计结构可以灵活多样，能避免受实验件表面的制约。
航空煤油的电加热按照储能方式可以分为实时加热和蓄热式加热。
实时加热是指加热段内流体保持流动，通过驻留时间内的换热过程升温。这种换热方式迅速，处在加热段内的流体质量较少，但所需的电功率较高，加热段内热流密度很高，且加热温度和流量需要实时监控和调节。
蓄热式是对一定质量的静止流体进行加热，等温度升高至目标温度后再进行下一步处理。这种方式所需的加热功率较小，在保温条件好的情况下允许较长的加热时间，但是加热段内流体质量大、热膨胀过程严重，对加热段的密封和使用安全难度较大，常用于较低温度的加热。
但上述各类现有航空煤油加热方式分别存在以下技术问题：
(1)直接加热时传输的电流量大，要求导线截面积过大，甚至采用铜板或铜棒代替导线，这会使电源设备体积过于庞大；
(2)采用交流电直接加热时，会和周围电器元件产生电磁干扰，强度随电流增大而增大；
(3)间接电加热中电阻较大，电源需采用大电压低电流，虽然电磁干扰较小，但使用过程中需要注意绝缘，处理不当很容易危及仪表及实验人员安全；
(4)单一蓄热式加热能力有限，仅适用于低温加热。对于膨胀相变流体，加热过程中压力将不断升高；对于具有结焦特性流体，无法长时间进行加热。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种航空煤油等压二级电加热装置，该装置将煤油加热分为两级进行，在相同的安全技术条件下，使得煤油的加热能力大幅提升。
所述航空煤油等压二级电加热装置，包括：一级加热构件和二级加热段，
所述一级加热构件包括：加热活塞腔和活塞杆，所述活塞杆的一端容纳安装于所述加热活塞腔中，所述活塞杆在所述加热活塞腔中沿所述加热活塞腔横向轴滑动；
所述加热活塞腔与所述二级加热段的一端管路连通；
所述航空煤油在所述一级加热构件中升温后，由所述活塞杆恒压推进所述二级加热段中继续加热。
优选地，所述航空煤油等压二级电加热装置包括：氮源，所述氮源与所述一级加热构件管路连通，所述氮源与所述二级加热段管路连通；
所述氮源驱动所述活塞杆在所述加热活塞腔内移动。
优选地，，所述航空煤油等压二级电加热装置包括：过滤部、第三高温阀和背压阀，所述二级加热段的另一端与回收部的进气端管路连通；
所述第三高温阀安装于所述过滤部的进气端上；
所述背压阀安装于所述过滤部的出气端。
优选地，所述一级加热构件包括：加热活塞腔体、第一挡板和第二挡板，所述第一挡板安装于所述加热活塞腔体的一端上；
所述第二挡板安装于所述加热活塞腔体的第二端上；
所述活塞杆穿过所述第二挡板滑动设置。
优选地，，所述第一挡板上间隔开设压力探头接口、煤油出口和温度探头接口；所述煤油出口与所述二级加热段管路连接；
所述第一挡板的内表面上开设探针沟槽，所述探针沟槽设置于所述压力探头接口和所述煤油出口之间。
优选地，所述第二挡板上开设氮气入口。
优选地，所述第一挡板与所述加热活塞腔体相接处为密封连接；
所述第二挡板与所述加热活塞腔体相接处为密封连接；
所述活塞杆与所述第二挡板上开设的安装孔相接处为密封连接。
优选地，所述航空煤油等压二级电加热装置包括：冷却回收管路和输送管路，所述输送管路用于将达到预定温度的煤油输送至下一节；
所述冷却回收管路用于对未达到预定温度的所述航空煤油进行冷却回收；
所述冷却回收管路和所述输送管路分别与所述二级加热段的出油端相连接。
优选地，所述第一挡板与所述加热活塞腔体相接处设有金属缠绕垫圈；
所述第二挡板与所述加热活塞腔体相接处设有金属缠绕垫圈；
所述活塞杆与所述第二挡板上开设的安装孔相接处设有金属C型密封圈。
优选地，所述航空煤油等压二级电加热装置包括：第一高温阀、第二高温阀、第三高温阀和第四高温阀，所述第一高温阀设置于所述一级加热构件与所述二级加热段相连通的管路上；
所述第二高温阀设置于所述一级加热构件与所述氮源相连通的管路了；
所述第三高温阀设置于所述二级加热段与所述过滤部相连通的管路上；
所述第四高温阀设置于所述二级加热段的排出段的管路上。
本发明的有益效果包括但不限于：
(1)本发明所提供的航空煤油等压二级电加热装置，该装置通过将煤油的加热过程拆分为二级，使得蓄热过程减小实时加热段的负荷，减小加热功率、电源体积、密封难度、安全隐患等不利因素，有效地提高了煤油加热温度的上限。由于分为二级加热，使得高温煤油在整个加热段内的驻留时间缩短，减小了煤油结焦量；
(2)本发明所提供的航空煤油等压二级电加热装置，该装置一级加热构件中，加热腔为加热活塞腔式，通过活塞杆对煤油的推进和加压，可以保证煤油加热时的压力恒定。采用该装置进行加热时，煤油加热过程始终处于恒定压力环境中，热物性变化规律可根据需要进行调整，有助于热煤油的输运和进一步处理，且避免了密闭加热段压力急剧升高的问题；
(3)本发明所提供的航空煤油等压二级电加热装置，该装置一级加热构件中加热活塞腔构型两端采用法兰密封，保证活塞挡板在腔体内全程滑动。该装置整体采用直流电加热，避免了电磁干扰对航空设备的影响。
附图说明
图1是本发明一实施例中航空煤油等压二级电加热装置结构示意图；
图2是本发明一实施例中航空煤油等压二级电加热装置加热控制时序示意图；
图3是本发明一实施例中一级加热构件主视剖视示意图。
图例说明：
P1、第一压力传感器；P2、第二压力传感器；P3、第三压力传感器；P4、第四压力传感器；T1、第一温度传感器；T2、第二温度传感器；T3、第三温度传感器；R1、背压阀；R2、泄压阀；100、一级加热构件；200、二级加热段；300、过滤部；400、氮源；110、第一挡板；140、第二挡板；111、温度探头接口；112、煤油出口；113、压力探头接口；114、探针沟槽；120、加热活塞腔；131、活塞挡板；132、挡板连杆；141、氮气入口。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
参见图1，本发明提供的航空煤油等压二级电加热装置，包括：一级加热构件100和二级加热段200，一级加热构件100包括加热活塞腔和活塞杆，所述活塞杆的一端容纳安装于所述加热活塞腔中，所述活塞杆在所述加热活塞腔中沿所述加热活塞腔横向轴滑动；
所述加热活塞腔与所述二级加热段200的一端管路连通；所述航空煤油在所述一级加热构件100中升温后，由所述活塞杆恒压推进所述二级加热段200中继续加热。
在一具体实施例中，使用时，首先煤油预先注满加热活塞腔体，再将活塞杆与加热活塞腔按图3所示组装后，在加热活塞腔体外侧缠绕电伴加热带或辐射加热源等加热装置，通过外壳吸热传导至加热活塞腔体内的煤油，实现煤油的温升。
一级加热构件100中煤油加热至预设温度后，通过活塞杆在加热活塞腔内的推动，将加热后的煤油推入二级加热段200中继续加热。二级加热段200可以通过在其外表面加设加热装置对其中煤油进行加热。
优选地，包括氮源400，所述氮源400与所述一级加热构件100管路连通，所述氮源400与所述二级加热段200管路连通；所述氮源400驱动所述活塞杆在所述加热活塞腔内移动。
使用时，在通入煤油前，可以通过氮源400输送氮气分别对一级加热构件100和二级加热段200管进行排空处理，提高加热后煤油的质量。同时还可通过氮气的吹扫，对残留煤油进行排空。
优选地，所述加热活塞腔上设置温度传感器和压力传感器。
使用时，可以根据加热活塞腔上读取的温度数值和压力数值，调整加热活塞腔中航空煤油的压力值和温度值，便于使用时，控制加热过程和对煤油施加压力。提高加热效率和加热精确度。
优选地，所述航空煤油等压二级电加热装置包括过滤部300、第三高温阀和背压阀，所述二级加热段200的另一端与所述回收部的进气端管路连通；所述第三高温阀安装于所述过滤部300的进气端上；所述背压阀安装于所述过滤部300的出气端。
可以通过所述第三电磁阀控制所述第三高温阀的开闭。
该管路可以用于排出煤油。R1为背压阀用以调节上游压力，R2为卸荷阀，保证管路通畅安全。
根据使用的需要，当加热后的煤油完全排出后，则打开一端的氮源400并打开第三高温阀和背压阀，含有煤油的气体经过过滤部300后，煤油得到回收，氮气则排空，提高煤油的利用效率，防止浪费。
具体的，该装置包括：氮源400、一级加热构件100、二级加热段200、过滤部300、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第一高温阀、第二高温阀、第三高温阀第四高温阀。氮源400分别与一级加热构件100、二级加热段200的一端管路连通。氮源400与二级加热段200相连接的管路上设置第二高温阀。一级加热构件100上安装第一压力传感器和第一温度传感器。一级加热构件100、二级加热段200相连通的管路上按第一高温阀。二级加热段200的另一端与过滤部300管路连接。二级加热段200与过滤部300连接的管路上安装第二温度传感器、第二压力传感器、第三高温阀。过滤部300的出气端上设置背压阀和泄压阀。二级加热段200的另一端还设有排出煤油管路。在排出煤油管路上安装第四高温阀、第三压力传感器和第三温度传感器。
参见图2，运输煤油至下一级时，煤油依序通过一级加热构件100、第一高温阀、二级加热段200、第四压力传感器、第二压力传感器、第二温度传感器、第四高温阀、第三压力传感器、第三温度传感器。
排放煤油时，首先打开与一级加热构件100相连通的氮源400，并打开第一高压阀、第三高压阀、背压阀，关闭第四高压阀，以回收一级加热构件100和二级加热段200内残留煤油。
回收管路中残留煤油时，与排放煤油时管路连通的区别仅在于：关闭背压阀和第三高温阀，打开泄压阀排出残留煤油。
优选地，所述航空煤油等压二级电加热装置包括：冷却回收管路和输送管路，所述输送管路用于将达到预定温度的煤油输送至下一节；所述冷却回收管路用于对未达到预定温度的所述航空煤油进行冷却回收；所述冷却回收管路和所述输送管路分别与所述二级加热段的出油端相连接。
输送管路和冷却回收管路均是导通热煤油的，但其功能不同，这和热煤油的产生过程及使用目的有关：加热后，可使用的热煤油需要达到既定的温度和压力，这个升温过程需循序达到完成，仅进行一次加热难以瞬时达到预定温度。未达预设温度的不合格煤油，需要从冷却回收管路处理掉，而温度压力合格的煤油才会从输送管路进入下一环节。
未到预定温度的煤油无需循环进入一级加热装置。直接进行回收利用阶段。
当经过两段加热后的煤油，未达预定温度后，经过过滤部300冷却后排出。此时煤油的温度通常低于700K，其中成分为发生改变，经过过滤部300降温后仍可作为初始煤油使用。冷却回收管路中包括冷却环节，未裂解的低温煤油在不严格的使用条件下可进行回收再利用。700K以上裂解成分出现变化，则相应物性发生变化，不可当做初始煤油使用。
参见图1，R2为卸荷阀，作用是高压卸压，R2管路为安全保险管路。V3、R1为冷却回收管路将未达与预定温度的煤油冷却后回收，并根据需要进行排放。输送管路是V4、P3、T3。
参见图3，优选地，所述一级加热构件100包括加热活塞腔体、第一挡板110和第二挡板140，所述第一挡板110安装于所述加热活塞腔体的一端上；所述第二挡板140安装于所述加热活塞腔体的第二端上；所述活塞杆穿过所述第二挡板140滑动设置。
优选地，所述第一挡板110上间隔开设压力探头接口113、煤油出口112和温度探头接口111；所述煤油出口112与所述二级加热段200管路连接；所述第一挡板110的内表面上开设探针沟槽114，所述探针沟槽114设置于所述压力探头接口113和所述煤油出口112之间。
为了保持腔体密封和便于拆洗，第一挡板110和第二挡板140与加热活塞腔体的连接为法兰密封连接，此方式也可使得挡板在腔内全程无障碍滑动。第一挡板110上的压力探头接口113、温度探头接口111和煤油出口112，分别用于测压、测温和煤油的排放。测压和煤油出口112之间的内侧壁面上设置温度探针的沟槽，避免挡板在移动过程中对探针造成损害。
优选地，所述第二挡板140上开设氮气入口141。通过氮气入口141接入驱动活塞杆的氮气，从而仅需调节氮气压力，即可使煤油保持在恒压状态。
优选地，所述第一挡板110与所述加热活塞腔体相接处、所述第二挡板140与所述加热活塞腔体相接处、所述活塞杆与所述第二挡板140孔相接处，均为密封连接。
优选地，所述密封连接为通过氟橡胶O型圈连接。
使用温度可达250℃。对于超临界、裂解态煤油的加热，一级加热的能力可以进一步提升。
优选地，所述第一挡板110与所述加热活塞腔体相接处、所述第二挡板140与所述加热活塞腔体相接处、均为金属缠绕垫圈；所述活塞杆与所述第二挡板140孔相接处为金属C型密封圈。
按此进行密封设置可使使用温度上限达到450-500℃。
活塞杆如图3所示，包括：活塞挡板131和挡板连杆132，挡板连杆132穿过第二挡板140。活塞挡板131设置于挡板连杆132的一端。
以上所述，仅是本发明的几个实施例，并非对本发明做任何形式的限制，虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (7)
1.一种航空煤油等压二级电加热装置，其特征在于，包括：一级加热构件和二级加热段，
所述一级加热构件包括：加热活塞腔和活塞杆，所述活塞杆的一端容纳安装于所述加热活塞腔中，所述活塞杆在所述加热活塞腔中沿所述加热活塞腔横向轴滑动；
所述加热活塞腔与所述二级加热段的一端管路连通；
所述航空煤油在所述一级加热构件中升温后，由所述活塞杆恒压推进所述二级加热段中继续加热；
所述航空煤油等压二级电加热装置包括：氮源，所述氮源与所述一级加热构件管路连通，所述氮源与所述二级加热段管路连通；
所述氮源驱动所述活塞杆在所述加热活塞腔内移动；
所述航空煤油等压二级电加热装置包括：过滤部、第三高温阀和背压阀，所述二级加热段的另一端与回收部的进气端管路连通；
所述第三高温阀安装于所述过滤部的进气端上；
所述背压阀安装于所述过滤部的出气端；
所述一级加热构件包括：加热活塞腔体、第一挡板和第二挡板，所述第一挡板安装于所述加热活塞腔体的一端上；
所述第二挡板安装于所述加热活塞腔体的第二端上；
所述活塞杆穿过所述第二挡板滑动设置。
2.根据权利要求1所述的航空煤油等压二级电加热装置，其特征在于，所述第一挡板上间隔开设压力探头接口、煤油出口和温度探头接口；所述煤油出口与所述二级加热段管路连接；
所述第一挡板的内表面上开设探针沟槽，所述探针沟槽设置于所述压力探头接口和所述煤油出口之间。
3.根据权利要求1所述的航空煤油等压二级电加热装置，其特征在于，所述第二挡板上开设氮气入口。
4.根据权利要求1所述的航空煤油等压二级电加热装置，其特征在于，所述第一挡板与所述加热活塞腔体相接处为密封连接；
所述第二挡板与所述加热活塞腔体相接处为密封连接；
所述活塞杆与所述第二挡板上开设的安装孔相接处为密封连接。
5.根据权利要求4所述的航空煤油等压二级电加热装置，其特征在于，所述航空煤油等压二级电加热装置包括：冷却回收管路和输送管路，所述输送管路用于将达到预定温度的煤油输送至下一节；
所述冷却回收管路用于对未达到预定温度的所述航空煤油进行冷却回收；
所述冷却回收管路和所述输送管路分别与所述二级加热段的出油端相连接。
6.根据权利要求4所述的航空煤油等压二级电加热装置，其特征在于，所述第一挡板与所述加热活塞腔体相接处设有金属缠绕垫圈；
所述第二挡板与所述加热活塞腔体相接处设有金属缠绕垫圈；
所述活塞杆与所述第二挡板上开设的安装孔相接处设有金属C型密封圈。
7.根据权利要求1所述的航空煤油等压二级电加热装置，其特征在于，所述航空煤油等压二级电加热装置包括：第一高温阀、第二高温阀、第三高温阀和第四高温阀，所述第一高温阀设置于所述一级加热构件与所述二级加热段相连通的管路上；
所述第二高温阀设置于所述一级加热构件与所述氮源相连通的管路了；
所述第三高温阀设置于所述二级加热段与所述过滤部相连通的管路上；
所述第四高温阀设置于所述二级加热段的排出段的管路上。
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