CN110925092A - 一种采用主被动结合抑制超低温结霜的预冷器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用主被动结合抑制超低温结霜的预冷器，包括：两组以上螺旋换热单元，两组以上螺旋换热单元同轴层叠套装为一体；每个螺旋换热单元均包括微细管束及安装在微细管束两端的进气集气管和出气集气管；所述微细管束由两个以上微细管并列排布组成，每个微细管均由三个以上管段焊接组成，在与进气集气管相连的管段的外壁面喷涂有SiO2涂层，形成SiO2超疏水壁面；还包括：防霜框架；所述防霜框架同轴安装在两组以上螺旋换热单元所形成的整体的外部；本发明能够解决高超声速吸气式组合发动机在超低温工况下的结霜问题，确保了预冷器的正常运行。

Description

一种采用主被动结合抑制超低温结霜的预冷器
技术领域
本发明属于换热器技术领域，具体涉及一种采用主被动结合抑制超低温结霜的预冷器。
背景技术
随着科技的进步，人类对太空的探索越来越重视。人类对具备水平起降、可重复使用的空天飞行器越来越渴望，空天飞行器对动力装置提出了工作范围宽广、可重复使用，水平起降、且具有较高的比冲性能和推重比等要求。现有的动力装置主要包括火箭发动机、涡轮发动机、冲压发动机等，单一发动机很难满足这样的要求。涡轮、火箭和冲压组合发动机是当前研究的热点。当组合动力发动机在吸气式模态工作时，高马赫数飞行条件下，来流经过进气道压缩之后，总温较高，限制了压气机的压比的进一步提高；另一方面，燃烧室空气温度过高时，会影降低燃烧室的加热比，降低燃烧效率和推力系数。因此，提出了降低进气道出口气流总温的需求。其方法是通过在进气道和压气机之间设置轻质高效换热器，将进气道中较高温气体中的热能通过换热器换热，降低空气温度，而将这一部分热能用于推动涡轮做功。如此则可以提高压气机的压比，从而可以提高发动机推力，增大推重比。轻质高效预冷器为这类组合发动机的关键部件。
在吸气模式下，为了提高发动机推重比，在来流空气经过进气道压缩之后，温度较高的空气进入预冷器被冷却至低温(150K)。当空气中的水蒸汽接触到温度低于空气露点温度的低温表面时，会发生凝结现象，并迅速管束壁面凝华成霜，结霜不但会影响预冷器的换热性能，严重还会堵塞预冷器空气通道，因此必须对预冷器采用结霜抑制手段。
结霜问题解决方法现状有：主动防霜、被动防霜。被动防霜指改变冷面表面特性来抑制结霜，具体有抑霜层法、疏水表面、亲水表面、超疏水表面等等，但是此类方法仅仅局限于结霜初期，一旦壁面形成霜层，则该类结霜措施失效。主动防霜则需要通过喷入可凝缩性物质来抑制结霜，其原理为在主流空气中混入可凝缩性物质后，混合物凝固点会降低，从而对结霜起到抑制作用。但是当微细管壁面至150K时，混合物凝固点高于微细管壁面温度，如不及时清除，混合物附着在微细管壁面仍旧出现在结霜现象。因此，单一的抑制结霜手段难以抑制预冷器超低温结霜问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种采用主被动结合抑制超低温结霜的预冷器，能够解决高超声速吸气式组合发动机在超低温工况下的结霜问题，确保了预冷器的正常运行。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种采用主被动结合抑制超低温结霜的预冷器，包括：两组以上螺旋换热单元，两组以上螺旋换热单元同轴层叠套装为一体；
每个螺旋换热单元均包括微细管束及安装在微细管束两端的进气集气管和出气集气管；所述微细管束由两个以上微细管并列排布组成，每个微细管均按照阿基米德螺线弯曲，且每个微细管的两端分别与进气集气管和出气集气管相通；
每个微细管均由三个以上管段焊接组成，在与进气集气管相连的管段的外壁面喷涂有SiO2涂层，形成SiO2超疏水壁面；
还包括：防霜框架；所述防霜框架同轴安装在两组以上螺旋换热单元所形成的整体的外部；
所述防霜框架包括环形集液管和喷射支管；两个环形集液管同轴布置，两个以上喷射支管沿周向均匀间隔分布在两个环形集液管之间，且每个喷射支管的内管道均与两个环形集液管的内管道相通；喷射支管的外圆周面上设有一个以上喷射孔；环形集液管和喷射支管内充满凝缩性物质，该凝缩性物质由喷射支管的喷射孔中喷出。
进一步的，所述凝缩性物质为烃类、醇类、酯类、醛类、酮类或醚类。
进一步的，由喷射支管的喷射孔中喷出的凝缩性物质的质量含量与空气中的水蒸汽的质量含量比不小于1:0.3。
进一步的，所述凝缩性物质为乙醇。
进一步的，所述低温管段的SiO2超疏水壁面的接触角大于150°，滚动角小于3°。
进一步的，所述空气预冷器还包括支撑板，两组以上螺旋换热单元通过支撑板约束为一体，支撑板将两组以上螺旋换热单元径向约束，且两个以上支撑板沿螺旋换热单元周向分布。
有益效果：本发明采用喷入凝缩性物质与微细管低温区壁面改性处理的主被动结合的方式，可以彻底抑制预冷器在超低温工况下水蒸汽结霜的问题，扩宽了预冷器的使用极限，低温至150K也不会结霜，且进行微细管壁面改性处理的成本较低，经济性较好，防霜框架结构简单，易实现，且对其余部件无影响。
附图说明
图1为本发明的总体结构图；
图2为微细管的结构图；
其中，10-螺旋换热单元，11-进气集气管，12-第一管段，13-第二管段，14-第三管段，15-第四管段，16-第五管段，17-第六管段，18-出气集气管，19-支撑板，20-防霜框架，21-环形集液管，22-喷射支管。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种采用主被动结合抑制超低温结霜的预冷器，参见附图1，包括：两组以上螺旋换热单元10及防霜框架20；两组以上螺旋换热单元10同轴层叠套装为一体，且所有螺旋换热单元10通过支撑板19约束为一体，将两组以上螺旋换热单元10径向约束，两个以上支撑板19沿螺旋换热单元10周向均匀间隔分布；
参见附图2，每个均包括微细管束及安装在微细管束两端的进气集气管11和出气集气管18；所述微细管束由两个以上微细管并列排布组成，每个微细管均按照阿基米德螺线弯曲，且每个微细管的两端分别与进气集气管11和出气集气管18相通；
其中，支撑板19上加工有与各螺旋换热单元10微细管束中的微细管一一对应的安装孔；每个螺旋换热单元10的微细管分别穿过支撑板19上对应的安装孔，实现对螺旋换热单元10的径向约束；
每个微细管均由六个管段通过钎焊焊接组成，六个管段沿微细管上的进气集气管11到出气集气管18方向分为第一管段12、第二管段13、第三管段14、第四管段15、第五管段16、第六管段17；其中，第六管段17为预冷器的高温区(即微细管壁面温度＞750K)，第二管段13、第三管段14、第四管段15、第五管段16为预冷器的中温区(即微细管壁面温度为500K～750K)，第一管段12为预冷器的低温区(即微细管壁面温度＜500K)；由于预冷器结霜只会发生在低温区，因此，对第一管段12的壁面进行改性处理，所述改性处理包括改变壁面的形状、几何结构以及添加涂层，由于预冷器所用的微细管的外径小于2mm，因此本实施例采用添加涂层的方式进行改性处理，采用浸渍提拉法对第一管段12的外壁面喷涂SiO2涂层，在第一管段12外壁面形成SiO2超疏水壁面，该壁面接触角大于150°，滚动角小于3°，当空气中的水蒸汽遇到微细管束时，水蒸汽不会附着于微细管的第一管段12的外壁面，从而防止水蒸汽结霜，即被动抑制结霜；
所述防霜框架20包括环形集液管21和喷射支管22；两个环形集液管21同轴布置，两个以上喷射支管22沿周向均匀分布在两个环形集液管21之间，且每个喷射支管22的内管道均与两个环形集液管21的内管道相通；喷射支管22的外圆周面上每间隔10mm设有一个直径为0.5mm的径向喷射孔；环形集液管21和喷射支管22内充满凝缩性物质，该凝缩性物质由喷射支管22的径向喷射孔中喷出，且喷出的凝缩性物质的质量含量与空气中的水蒸汽的质量含量比不小于1:0.3；所述凝缩性物质为烃类、醇类、酯类、醛类、酮类或醚类，基于稳定性、凝固点低的因素，本实施例选用醇类，如乙醇；
所述防霜框架20同轴安装在两组以上螺旋换热单元10所形成的整体的外部，通过喷射支管22的径向喷射孔中喷出的乙醇与空气中的水蒸汽混合，形成混合物，混合物的凝固点低于水蒸汽的凝固点，进而防止混合物中的水蒸汽在微细管束上结霜，即主动抑制结霜。
预冷器工作时，微细管内充满冷却介质，且冷却介质由进气集气管11到出气集气管18方向沿微细管流动，同时高温空气由空气预冷器外圆周面沿径向向其内部中空部分流动，当高温空气穿过微细管之间的间隙时，与微细管内部的冷却介质进行换热，实现对高温空气的冷却。因此，微细管的壁面温度沿管程由内向外逐渐升高。防霜框架20的喷射支管22的径向喷射孔中喷出的乙醇与空气中的水蒸汽形成的混合物遇到微细管束时，混合物不会附着于微细管的第一管段12的外壁面，从而防止混合物中的水蒸汽结霜，同时，该混合物的凝固点小于水蒸汽的凝固点，也达到抑制水蒸汽结霜的目的。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种采用主被动结合抑制超低温结霜的预冷器，包括：两组以上螺旋换热单元(10)，两组以上螺旋换热单元(10)同轴层叠套装为一体；
每个螺旋换热单元(10)均包括微细管束及安装在微细管束两端的进气集气管(11)和出气集气管(18)；所述微细管束(1)由两个以上微细管并列排布组成，每个微细管均按照阿基米德螺线弯曲，且每个微细管的两端分别与进气集气管(11)和出气集气管(18)相通；
其特征在于，每个微细管均由三个以上管段焊接组成，在与进气集气管(11)相连的管段的外壁面喷涂有SiO2涂层，形成SiO2超疏水壁面；
还包括：防霜框架(20)；所述防霜框架(20)同轴安装在两组以上螺旋换热单元(10)所形成的整体的外部；
所述防霜框架(20)包括环形集液管(21)和喷射支管(22)；两个环形集液管(21)同轴布置，两个以上喷射支管(22)沿周向均匀间隔分布在两个环形集液管(21)之间，且每个喷射支管(22)的内管道均与两个环形集液管(21)的内管道相通；喷射支管(22)的外圆周面上设有一个以上喷射孔；环形集液管(21)和喷射支管(22)内充满凝缩性物质，该凝缩性物质由喷射支管(22)的喷射孔中喷出。
2.如权利要求1所述的一种采用主被动结合抑制超低温结霜的预冷器，其特征在于，所述凝缩性物质为烃类、醇类、酯类、醛类、酮类或醚类。
3.如权利要求1所述的一种采用主被动结合抑制超低温结霜的预冷器，其特征在于，由喷射支管(22)的喷射孔中喷出的凝缩性物质的质量含量与空气中的水蒸汽的质量含量比不小于1:0.3。
4.如权利要求2所述的一种采用主被动结合抑制超低温结霜的预冷器，其特征在于，所述凝缩性物质为乙醇。
5.如权利要求1所述的一种采用主被动结合抑制超低温结霜的预冷器，其特征在于，所述低温管段的SiO2超疏水壁面的接触角大于150°，滚动角小于3°。
6.如权利要求1所述的一种采用主被动结合抑制超低温结霜的预冷器，其特征在于，所述空气预冷器还包括支撑板(19)，两组以上螺旋换热单元(10)通过支撑板(19)约束为一体，支撑板(19)将两组以上螺旋换热单元(10)径向约束，且两个以上支撑板(19)沿螺旋换热单元(10)周向分布。
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