CN109932182B - 二氧化碳高焓来流发生装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种二氧化碳高焓来流发生装置，涉及航空航天技术领域，在一定程度上解决现有二氧化碳饱和蒸汽压变化范围小、温度降低幅度低以及消耗量减少的高焓来流发生装置的技术问题。本申请提供的二氧化碳高焓来流发生装置，包括：二氧化碳供应单元、高焓来流发生单元以及用于高焓来流发生单元预热的空气供应单元；二氧化碳供应单元通过第一管路与第一三通阀的第一端连通，第一三通阀的第二端通过第二管路与高焓来流发生单元连通，第一三通阀的第三端通过第三管路与空气供应单元连通。本申请能够使二氧化碳饱和蒸汽压变化范围小、温度降低幅度低，而且还能够减少二氧化碳的消耗量。

Description

二氧化碳高焓来流发生装置

技术领域

本申请涉及航空航天技术领域，尤其是涉及一种二氧化碳高焓来流发生装置。

背景技术

镁粉/二氧化碳冲压发动机是用于火星大气中飞行的一种粉末燃料发动机，在实际使用前，需进行镁粉/二氧化碳冲压发动机的地面试验，该试验需要模拟飞行器在火星大气中的来流条件。但目前在产生高晗来流时会有二氧化碳饱和蒸汽压变化范围宽与二氧化碳气体节流膨胀会造成造成的温度大幅降低的问题；而且大多数二氧化碳高焓装置在预热阶段直接使用二氧化碳，造成了二氧化碳气体的大量消耗。

因此，如何提供一种二氧化碳饱和蒸汽压变化范围小、温度降低幅度低以及消耗量减少的高焓来流发生装置及高焓来流发生器，已成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种高焓来流发生装置及高焓来流发生器，在一定程度上解决现有二氧化碳饱和蒸汽压变化范围小、温度降低幅度低以及消耗量减少的高焓来流发生装置的技术问题。

本申请提供一种二氧化碳高焓来流发生装置，包括：二氧化碳供应单元、高焓来流发生单元以及用于所述高焓来流发生单元预热的空气供应单元；

所述二氧化碳供应单元通过第一管路与第一三通阀的第一端连通，所述第一三通阀的第二端通过第二管路与所述高焓来流发生单元连通，所述第一三通阀的第三端通过第三管路与所述空气供应单元连通。

进一步地，所述空气供应单元包括：依次连通设置在所述第三管路上的第一过滤器、气动杠杆阀、第一压力传感器、第一音速喷嘴以及第一单向阀；所述第一单向阀用于控制空气单向流通到所述高焓来流发生单元。

进一步地，所述二氧化碳供应单元包括：二氧化碳气瓶以及通过第四管路连通设置的二氧化碳储罐；

所述第四管路上依次设置有气瓶阀、第一压力表、第一手动球阀以及第二压力表；当打开所述气瓶阀以及所述第一手动球阀时，所述二氧化碳气瓶向所述二氧化碳储罐供气。

进一步地，所述第一管路上依次设置有第二三通阀、第二手动球阀、电加热减压器、第二音速喷嘴以及第二单向阀，所述第二单向阀用于控制二氧化碳单向流通到所述高焓来流发生单元；

当打开所述第二三通阀、所述第二手动球阀以及所述第二单向阀时，二氧化碳通过第一管路流向所述高焓来流发生单元。

进一步地，所述第二三通阀与所述第二手动球阀之间还设置有第二过滤器，所述第二手动球阀与所述电加热减压器之间依次设置有第二压力传感器以及第一温度传感器。

具体地，所述高焓来流发生单元包括气体电加热器，当打开空气供应单元时，所述气体电加热器用于对空气加热，当打开二氧化碳供应单元时，所述气体电加热器用于对二氧化碳加热。

具体地，所述第二管路上依次设置有质量流量计以及安全阀，且所述安全阀设置于靠近所述气体电加热器的一端，所述质量流量计远离所述第一三通阀设置。

具体地，还包括第一排气泄压单元和第二排气泄压单元；所述第一排气泄压单元设置在所述二氧化碳气瓶的出气端，所述第二排气泄压单元设置在所述第二压力传感器以及所述第二音速喷嘴之间。

具体地，所述质量流量计以及所述安全阀之间还设置有第三压力传感器以及第二温度传感器。

具体地，所述二氧化碳储罐的压力为9.9MPa；所述电加热减压器的加热功率为6kW。

相对于现有技术，本申请所述的一种高焓来流发生装置具有以下优势：

本申请提供一种高焓来流发生装置，包括：二氧化碳供应单元、高焓来流发生单元以及用于所述高焓来流发生单元预热的空气供应单元；所述二氧化碳供应单元通过第一管路与第一三通阀的第一端连通，所述第一三通阀的第二端通过第二管路与所述高焓来流发生单元连通，所第一三通阀的第三端通过第三管路与所述空气供应单元连通。本申请提供的高焓来流发生装置在一定程度上解决现有二氧化碳饱和蒸汽压变化范围小、温度降低幅度低以及消耗量减少的高焓来流发生装置的技术问题。

本申请采用空气对高焓来流发生单元进行预热处理，不仅能够提供高焓二氧化碳来流，还能提供高焓空气来流，可用于开展金属粉末/空气冲压发动机地面试验；而且对二氧化碳节流膨胀过程中温度大幅下降的问题给出了解决方案，确保装置的可行性；在预热阶段使用空气代替二氧化碳，降低了二氧化碳气体的消耗，减轻了对二氧化碳气源的要求；因此本申请可用来稳定高效地开展不同流量、不同总温的镁粉/二氧化碳冲压发动机地面试验。

本申请还提供一种高焓来流发生器，也能够在一定程度上解决现有二氧化碳饱和蒸汽压变化范围小、温度降低幅度低以及消耗量减少的高焓来流发生装置的技术问题

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的二氧化碳高焓来流发生装置的第一种的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的二氧化碳高焓来流发生装置的第二种的结构示意图；

图3为图1中A处的结构放大图；

图4为本申请实施例提供的二氧化碳高焓来流发生装置的第四种的结构示意图。

附图标记：100-二氧化碳供应单元；101-二氧化碳气瓶；102-二氧化碳储罐；103-气瓶阀；104-第一压力表；105-第一手动球阀；106-第二压力表；107-第二三通阀；108-第二手动球阀；109-电加热减压器；110-第二音速喷嘴；111-第二单向阀；112-第二过滤器；113-第二压力传感器；114-第一温度传感器；200-高焓来流发生单元；201-电加热器；202-质量流量计；203-安全阀；204-第三压力传感器；205-第二温度传感器；300-空气供应单元；301-第一过滤器；302-气动杠杆阀；303-第一压力传感器；304-第一音速喷嘴；305-第一单向阀；400-第一三通阀；500-第一排气泄压单元；600-第二排气泄压单元；700-第一管路；701-第二管路；702-第三管路；703-第四管路。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

参考图1-图4所示：本申请提供一种二氧化碳高焓来流发生系统，包括：二氧化碳供应单元100、高焓来流发生单元200以及用于所述高焓来流发生单元200预热的空气供应单元300；

所述二氧化碳供应单元100通过第一管路700与第一三通阀400的第一端连通，所述第一三通阀400的第二端通过第二管路701与所述高焓来流发生单元200连通，所第一三通阀400的第三端通过第三管路702与所述空气供应单元300连通。

本申请采用空气对高焓来流发生单元200进行预热处理，不仅能够提供高焓二氧化碳来流，还能提供高焓空气来流，可用于开展金属粉末/空气冲压发动机地面试验；而且对二氧化碳节流膨胀过程中温度大幅下降的问题给出了解决方案，确保装置的可行性；在预热阶段使用空气代替二氧化碳，降低了二氧化碳气体的消耗，减轻了对二氧化碳气源的要求；因此本申请可用来稳定高效地开展不同流量、不同总温的镁粉/二氧化碳冲压发动机地面试验。

本申请的一个实施例中，参考图1-图3，本申请所述空气供应单元300包括：依次连通设置在所述第三管路702上的第一过滤器301、气动杠杆阀302、第一压力传感器303、第一音速喷嘴304以及第一单向阀305；所述第一单向阀305用于空气单向流通到所述高焓来流发生单元200。

具体地，第一过滤器301用于过滤空气供应单元300所提供的空气的杂质。

更具体地，第一音速喷嘴304是个渐缩渐放的通道，气流经过渐缩段时，速度增加，压力降低，在最小截面处形成音速达到临界气流，后经渐扩段将速度动能转化为压力能，使压力得以恢复。

进一步地，第一单向阀305用于防止空气的反向流动。

本申请的一个实施例中，参考图1-图3，所述二氧化碳供应单元100包括：二氧化碳气瓶101以及通过第四管路703连通设置的二氧化碳储罐102；

所述第四管路703上依次设置有气瓶阀103、第一压力表104、第一手动球阀105以及第二压力表106；当打开所述气瓶阀103以及所述第一手动球阀105时，所述二氧化碳气瓶101向所述二氧化碳储罐102供气。

具体地，第一压力表104用于测量从二氧化碳气瓶101出来的二氧化碳气体的压力，通过观测第一压力表104的示数，调整气瓶阀103的开启程度。

更具体地，第一手动球阀105不仅限于手动球阀，也可以为其他类型的适用于本申请的阀。

本申请的一个实施例中，参考图1-图3，所述第一管路700上依次设置有第二三通阀107、第二手动球阀108、电加热减压器109、第二音速喷嘴110以及第二单向阀111，所述第二单向阀111用于二氧化碳单向流通到所述高焓来流发生单元200；

当打开所述第二三通阀107、所述第二手动球阀108以及所述第二单向阀111时，二氧化碳通过第一管路700流向所述高焓来流发生单元200。

具体地，第二手动球阀108不仅限于手动球阀，也可以为其他类型的适用于本申请的阀。

更具体地，由于二氧化碳气化要吸收热量，因此第一管路700中的减压器采用能够加热的减压器，并不局限于电加热。

进一步地，第二单向阀111用于防止二氧化碳的反向流动。

本申请的一个实施例中，参考图1-图3，所述第二三通阀107与所述第二手动球阀108之间还设置有第二过滤器112，所述第二手动球阀108与所述电加热减压器109之间依次设置有第二压力传感器113以及第一温度传感器114。

具体地，第二过滤器112用于过滤二氧化碳供应单元100所提供的二氧化碳的杂质。

更具体地，在电加热减压器109与第二音速喷嘴110之间还设置有第四压力传感器和第三温度传感器；第二压力传感器113用于测量二氧化碳进入电加热减压阀之前第一管路700中二氧化碳的压力，第一温度传感器114用于测量二氧化碳进入电加热减压阀之前第一管路700中二氧化碳的温度，根据其压力与温度，决定电加热减压器109的减压程度与加热功率；第四压力传感器用于测量二氧化碳进入电加热减压器109之后第一管路700中二氧化碳的压力，第三温度传感器用于测量二氧化碳进入电加热减压器109之后第一管路700中二氧化碳的温度，查看第四压力传感器与第三温度传感器的示数，如果不符合预定的标准，再对电加热减压器109进行调节。

本申请的一个实施例中，参考图1-图3，所述高焓来流发生单元200包括气体电加热器201，当打开空气供应单元300时，所述气体电加热器201用于对空气加热，当打开二氧化碳供应单元100时，所述气体电加热器201用于对二氧化碳加热。

具体地，气体电加热器201是主要对气体流进行加热的电加热设备。气体电加热器201的发热元件为不锈钢电加热管，加热器内腔设有多个折流板(导流板)，引导气体流向，延长气体在内腔的滞留时间，从而使气体充分加热，使气体加热均匀，提高热交换效率。气体电加热器201的加热元件不锈钢加热管，是在无缝钢管内装入电热丝，空隙部分填满有良好导热性和绝缘性的氧化镁粉后缩管而成的。当电流通过高温电阻丝的时候，产生的热通过结晶氧化镁粉向加热管表面扩散，再传递到被加热气体中去，以达到加热的目的。

本申请的一个实施例中，参考图1-图3，所述第二管路701上依次设置有质量流量计202以及安全阀203，且所述安全阀203靠近所述气体电加热器201端设置，所述质量流量计202远离所述第一三通阀400设置。

具体地，质量流量计202用于测量空气或二氧化碳在进入气体电加热器201前的质量流量，监测流体是否符合标准。

更具体地，安全阀203是启闭件，当安全阀203受外力作用下处于常闭状态，管道内的气体压力升高超过规定值时，通过向系统外排放气体来防止管道或设备内气体压力超过规定数值的特殊阀门。

本申请的一个实施例中，参考图4，还包括第一排气泄压单元500和第二排气泄压单元600；所述第一排气泄压单元500设置在所述二氧化碳气瓶101的出气端，所述第二排气泄压单元600设置在所述第二压力传感器113以及所述所述第二音速喷嘴110之间。

具体地，在生产过程后，整个系统中还会残有大量的气体，设置第一排气泄压单元500与第二排气泄压单元600可以排除剩余的气体，防止由于系统内残留气体多压力大造成的意外。

本申请的一个实施例中，参考图1-图3，所述质量流量计202以及所述安全阀203之间还设置有第三压力传感器204以及第二温度传感器205。

具体地，第三压力传感器204与第二温度传感器205是用于检测直接进入气体电加热器201的气体的参数，如果其参数不符合标准，则停止工作，寻找发生错误的源头，及时改正。

具体地，所述二氧化碳储罐102的压力为9.9MPa；所述电加热减压器109的加热功率为6kW。

本申请产生二氧化碳高焓来流的主要工作流程为：首先通过二氧化碳气瓶101中的液态二氧化碳蒸发向二氧化碳储罐102充气，直到二氧化碳储罐102的压力为环境温度下的饱和蒸汽压。然后调节空气供应系统，将第一音速喷嘴304前的压力调节至设计值。气体电加热器201启动后，先通一定流量的空气，一段时间后将空气流量提升至设计值，待气体电加热器201出口温度达到设计值后，停止供应空气，打开设置在电加热减压器109与第二单向阀111之间的电磁阀，开始供应设计流量的二氧化碳。具体的操作流程如下：

首先，对空气和二氧化碳气源进行补充。空气气源主要通过膜片式压气机从环境大气中补充，二氧化碳气源主要通过更换新的二氧化碳气瓶101补充。

确保气源充足后，需要对二氧化碳储罐102进行气体充填，首先确认装置所有的阀门处于关闭状态，打开气瓶阀103，根据第一压力表104示数确认二氧化碳气瓶101的压力是否达到饱和蒸汽压，随后打开第一手动球阀105，向二氧化碳储罐102中充填二氧化碳气体，至二氧化碳储罐102中的压力达到环境温度下的饱和蒸汽压为止，二氧化碳储罐102充填完毕，完毕后关闭气瓶阀103和第一手动球阀105。

接下来对进行整个管路的充填，主要是二氧化碳的充填，首先打开气瓶阀103、第一手动球阀105和第二手动球阀108，调节电加热减压器109出口压力至设计值，通过第四压力传感器进行指示，至此二氧化碳管路充填完毕。

在正式试验过程中，首先调节气动杠杆阀302前的压力至设计值，随后打开气动杠杆阀302，开始向管路中通空气，随后启动气体电加热器201，监视气体电加热器201出口温度，加热至一定温度后提高气动杠杆阀302前的压力，增加空气流量，继续监视气体电加热器201的出口温度，出口温度达到设计值后，关闭气动杠杆阀302，同时打开电磁阀，开始通相同流量的二氧化碳，继续监视气体电加热器201的出口温度，待出口温度恢复到设计值后即满足要求。

完成试验后，需要进行气体电加热器201的降温以及整个装置的气体泄放。首先关闭电磁阀，同时打开气动杠杆阀302，关闭气体电加热器201，开始对气体电加热器201进行降温，待气体电加热器201出口温度下降至一定值后，关闭气动杠杆阀302，降温过程完成。随后关闭气瓶阀103、第一手动球阀105和第二手动球阀108，随后打开第一排气泄压单元500和第二排气泄压单元600进行泄压，气体泄放完毕后，关闭第一排气泄压单元500和第二排气泄压单元600，至此对二氧化碳高焓来流发生装置的操作完毕。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种二氧化碳高焓来流发生装置，其特征在于，包括：二氧化碳供应单元、高焓来流发生单元以及用于所述高焓来流发生单元预热的空气供应单元；

所述二氧化碳供应单元通过第一管路与第一三通阀的第一端连通，所述第一三通阀的第二端通过第二管路与所述高焓来流发生单元连通，所述第一三通阀的第三端通过第三管路与所述空气供应单元连通；

所述高焓来流发生单元包括气体电加热器，当打开所述空气供应单元时，所述气体电加热器能够对空气加热，当打开二氧化碳供应单元时，所述气体电加热器能够对二氧化碳加热。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳高焓来流发生装置，其特征在于，所述空气供应单元包括：依次连通设置在所述第三管路上的第一过滤器、气动杠杆阀、第一压力传感器、第一音速喷嘴以及第一单向阀；所述第一单向阀用于控制空气单向流通到所述高焓来流发生单元。

3.根据权利要求1所述的二氧化碳高焓来流发生装置，其特征在于，所述二氧化碳供应单元包括：二氧化碳气瓶以及与所述二氧化碳气瓶通过第四管路连通设置的二氧化碳储罐；

所述第四管路上依次设置有气瓶阀、第一压力表、第一手动球阀以及第二压力表；当打开所述气瓶阀以及所述第一手动球阀时，所述二氧化碳气瓶向所述二氧化碳储罐供气。

4.根据权利要求3所述的二氧化碳高焓来流发生装置，其特征在于，所述第一管路上依次设置有第二三通阀、第二手动球阀、电加热减压器、第二音速喷嘴以及第二单向阀，所述第二单向阀用于控制二氧化碳单向流通到所述高焓来流发生单元；

当打开所述第二三通阀、所述第二手动球阀以及所述第二单向阀时，二氧化碳通过所述第一管路流向所述高焓来流发生单元。

5.根据权利要求4所述的二氧化碳高焓来流发生装置，其特征在于，所述第二三通阀与所述第二手动球阀之间还设置有第二过滤器，所述第二手动球阀与所述电加热减压器之间依次设置有第二压力传感器以及第一温度传感器。

6.根据权利要求1所述的二氧化碳高焓来流发生装置，其特征在于，所述第二管路上依次设置有质量流量计以及安全阀，且所述安全阀设置于靠近所述气体电加热器的一端，所述质量流量计远离所述第一三通阀设置。

7.根据权利要求5所述的二氧化碳高焓来流发生装置，其特征在于，还包括第一排气泄压单元和第二排气泄压单元；所述第一排气泄压单元设置在所述二氧化碳气瓶的出气端，所述第二排气泄压单元设置在所述第二压力传感器以及所述第二音速喷嘴之间。

8.根据权利要求6所述的二氧化碳高焓来流发生装置，其特征在于，所述质量流量计以及所述安全阀之间还设置有第三压力传感器以及第二温度传感器。

9.根据权利要求3所述的二氧化碳高焓来流发生装置，其特征在于，其特征在于，所述二氧化碳储罐的压力为9.9MPa。

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