超临界流体的流动、传热及吸热反应综合测量装置

摘要

一种超临界流体的流动、传热及吸热反应综合测量装置，包括：一碳氢燃料容器，连接测试段的一端，该测试段的另一端连接一测试仪；该测试段的内部为微细通道，外壁设有加热器，微细通道与加热器之间设有热电偶和热流密度传感器；该热电偶和热流密度传感器分别连接一数据采集记录仪；位于测试段外壁的加热器对测试段进行加热，碳氢燃料流经测试段内部的微细通道以物理热沉与化学热沉的方式带走大量热量达到对测试段进行有效冷却的目的；热裂解后的碳氢燃料至测试仪进行组份分析；热电偶和热流密度传感器分别采集测试段的温度和热流量，并输入数据采集记录仪中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量装置，具体地说涉及一种在超临界状态下，流体的流动、传热及吸热反应综合测量装置。

背景技术

高超声速飞行器在大气层中高速飞行时，由于严重的气动加热使飞行器壁面温度很高，同时超燃冲压发动机燃烧室内燃料燃烧的剧烈放热也导致发动机的热载荷过重，热环境极其恶劣，为了确保飞行器的安全、稳定、可靠地飞行，必须采用高效冷却措施。采用飞行器自身携带的碳氢燃料对燃烧室等高热流部位进行主动冷却应是最佳选择。冷却过程中，碳氢燃料吸热后直接由液态进入超临界状态，不经过两相区。超临界碳氢燃料的显著特征之一是在临界点附近物性参数的急剧变化，导致其流动与传热及吸热反应特性均与常物性流体有显著区别，从而对冷却效果及热裂解产物分布等产生重要影响，并将进一步影响燃烧室内的燃烧特性。因此，迫切需要对吸热型碳氢燃料在超临界条件下的超常流动、传热及吸热反应特性进行系统深入研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超临界流体的流动、传热及吸热反应综合测量装置，以对超临界碳氢燃料的超常流动、传热及吸热反应特性的实时测量分析。

为实现上述目的，本发明提供的超临界流体的流动、传热及吸热反应综合测量装置，其包括有：

一碳氢燃料容器，连接测试段的一端，该测试段的另一端连接一测试仪；

该测试段的结构为：内部为微细通道，外壁设有加热器，微通道与加热器之间设有热电偶和热流密度传感器；该热电偶和热流密度传感器分别连接一数据采集记录仪；

由测试段外壁的加热器对测试段进行加热；碳氢燃料流经测试段的微细通道内，以物理热沉与化学热沉的方式带走大量热量，并且碳氢燃料大分子吸热后热裂解为更容易燃烧的小分子，达到对测试段进行有效冷却和提高燃烧效率的目的。

热裂解后的碳氢燃料至测试仪进行组份分析。

热电偶和热流密度传感器分别采集测试段内的温度和热流密度数据，并输入数据采集记录仪内。

所述的超临界流体的流动、传热及吸热反应综合测量装置，其中碳氢燃料容器通过一高压泵和流量控制阀连接至测试段。

所述的超临界流体的流动、传热及吸热反应综合测量装置，其中碳氢燃料容器与测试段之间串接有预热器。

所述的超临界流体的流动、传热及吸热反应综合测量装置，其中预热器后串接一燃料加热器。

所述的超临界流体的流动、传热及吸热反应综合测量装置，其中预热器和燃料加热器之间设有一压力传感器，并连接至数据采集记录仪。

所述的超临界流体的流动、传热及吸热反应综合测量装置，其中测试段的两端各设有一压力传感器。

所述的超临界流体的流动、传热及吸热反应综合测量装置，其中测试段的两端各设有一热电偶。

所述的超临界流体的流动、传热及吸热反应综合测量装置，其中热裂解后的碳氢燃料经冷却器后至测试仪进行组份分析。

所述的超临界流体的流动、传热及吸热反应综合测量装置，其中热裂解后的碳氢燃料经两级冷却器冷却。

所述的超临界流体的流动、传热及吸热反应综合测量装置，其中测试仪为色谱仪。

由本发明提供的综合测量装置，可广泛用于超临界碳氢燃料的超常流动、传热及吸热反应特性的实验测量分析。

附图说明

图1为本发明的装置示意图。

图2为本发明装置测量得到的传热系数随温度变化示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的测量装置主要由碳氢燃料容器1、碳氢燃料泵2、流量控制阀3、安全阀4、流量计5、预热器6、加热器7、加热器8、测试段9、冷却器10、燃料收集器11、数据采集记录及显示装置12、色谱仪13、压力传感器14、热电偶15、热流传感器16组成。储存于碳氢燃料容器1中的碳氢燃料由高压泵2输送至预热器6和燃料加热器7进行预加热，经过两级预加热后的碳氢燃料进入测试段9。该测试段9其内部结构是微细通道，碳氢燃料在测试段内部的微细通道内流动，测试段9的外壁面设有加热器8对该测试段9继续加热。在加热器8与测试段9中间设有热电偶15与热流传感器16，采集测试段的温度和热流数据，并输入数据采集记录仪内。从测试段9出来的碳氢燃料经过冷却器10(可以采用两级冷却器，以增加冷却效果)冷却后再进入碳氢燃料收集器11内，并定期从碳氢燃料收集器11中取样，用测试仪13(如：色谱仪)对热裂解后的碳氢燃料的组分进行分析。

实际使用时，其过程如下：

先从碳氢燃料容器1中取样，采用色谱仪13对燃料的初始组分进行测试分析，然后打开高压泵2及数据采集记录系统12，该数据采集记录系统12可为一计算机。调节碳氢燃料流量至所需要的值，再打开预热器6、燃料加热器7和加热器8对碳氢燃料进行加热。当装置稳定后，用数据采集记录系统12对各测点的温度与压力进行详细测量与记录；并定期从碳氢燃料收集器11中取样，对热裂解后的碳氢燃料进行组分分析，并与热裂解前的初始碳氢燃料组分进行对比分析，确定各因素对吸热反应特性、组分分布及化学热沉冷却能力的影响规律。

本发明在测试段9的两端(碳氢燃料的进、出口)分别设置有热电偶15和压力传感器14，测量测试段9其外表面的温度分布与测试段9进出口处碳氢燃料的温度，并采用压力传感器14测量测试段9两端的压力；在详细测量的基础上可计算出燃料的温度、压降、传热系数等的变化规律。