一种超临界油浴型的超临界燃油加热装置的制作方法

本发明属于未来高性能航空航天动力系统中超临界喷射燃烧的研究领域，主要涉及一种适用于超临界流体实验研究的超临界油浴型的超临界燃油加热装置。

背景技术：

随着未来高性能军用飞行器的发展，人们要求航空发动机具有更高的增压比和涡轮前温度。更高的增压比使发动机燃烧室内燃油的喷射压力和环境压力都超过航空燃油的临界压力。而更高的涡轮前温度要求飞行器使用自带航空燃油作为冷却介质，不同的发动机工况使得航空燃油温度在进入燃烧室前便达到超临界温度。由此可知，在未来航空发动机燃烧室中，航空燃油工作在临界点以上的超临界态已经成为必然。为了更好地控制航空发动机燃烧室内的燃烧，需要进行大量的实验研究来掌握超临界态航空燃油的燃烧特性。当航空燃油达到超临界态时，其体积会膨胀数倍，极易产生密度梯度，且物性对温度和压力的变化十分敏感，这些都使得获得超临界航空燃油成为实验的难点之一。

一般航空燃油的临界点大多分布在2.1～2.3MPa、630～660K的范围内，较高的压力和温度需求以及超临界态流体的特殊物性对实验中所使用的超临界燃油加热装置提出了较高的要求。目前，对于流体的加热方法，按热源和被加热流体的相对位置可分为直接加热法和间接加热法。直接加热法一般指使用电阻丝或燃气直接加热流体。若使用直接加热法加热燃油，热源温度较高，近热源处的燃油很有可能发生裂解和结焦反应，产生固体和气体杂质，影响工质的正常物性。而对于间接加热法，常用的有气浴、油浴和砂浴加热法。油浴法相比气浴法和砂浴法具有更高的导热系数，可以快速高效地加热燃油。加热方法按被加热流体工质状态又可以分为静态加热和流动加热。类似燃油的多组分流体，在使用静态加热时会出现工质分层现象，大密度的组分会集中在容腔下部，小密度组分反之。不同的组分的比热不同，使用同一热源加热时，不同组分的温升不同，进而产生温度梯度，导致工质的温度不均匀，因此静态加热不能满足实验需求。流体的流动加热一般通过管内流动实现，且通常与多级加热结构相结合。以最简单的二级加热系统为例，前级为静态预热，后级为流动加热。多级加热系统一般需要多个热源和流体容腔以及大量的连接管路，这在增加了整个实验系统体积的同时，也增加了散热元件的个数，提高了对保温措施的要求。鉴于以上这些问题，要想在实验过程中获得连续且温度压力可控的超临界燃油，必须设计全新的超临界燃油加热装置，以解决加热过程中燃油产生杂质、燃油温度不均匀和散热量大等问题。

技术实现要素：

结合国内外的研究现状和实验设备，本发明拟实现在超临界流体喷射燃烧实验中不同温度压力燃油的连续供应。具体的，该燃油加热装置需要满足以下几点要求：

1)该装置可实现连续提供满足实验需求的超临界燃油；

2)该装置可提供不同温度和不同压力的燃油，且温度和压力精确可调；

3)该装置要求输出的燃油温度均匀；

4)该装置要求输出的燃油没有因裂解和结焦产生的杂质；

5)该装置的设计和零件应满足安全需求，耐高温(1000K)、高压(6MPa)；

6)该装置要求使用方便、结构简单、适用性强。

针对现有技术的不足，克服传统加热方式中工质温度不均匀、易结焦、保温性差和结构复杂等问题，本发明提出了一种超临界油浴型的超临界燃油加热装置，为解决技术问题所采用的技术方案是：以燃油在螺旋管内流动换热和超临界油浴加热为基础，采用套筒结构的两级加热器。

本装置的主要换热方式为超临界油浴加热，由超临界油浴腔和螺旋管实现，螺旋管浸没在超临界油浴中，低温燃油在螺旋管中流动换热。使用油浴法加热可以有效避免热源和被加热流体的直接接触，减少局部高温燃油的出现，降低燃油发生裂解和结焦反应的概率，可有效防止气体和固体杂质的产生。同时，压力与温度均达到相应临界点之上的超临界燃油与相同温度下的常压燃油蒸汽相比具有更高的导热率，更有利于换热。

本装置为了减少热损失，降低保温措施成本，采用了一种两级加热器一体化的套筒结构。装置共三层，由内到外分别为热源腔、油浴腔和预热腔。单一热源安装在整个装置的中心，被环形的油浴腔包围，油浴腔则被环形的预热腔包围。预热腔作为一级加热器预热煤油，并与螺旋管连通。油浴腔内安装有螺旋管，并作为二级加热器用于实现超临界油浴中的流动换热。装置工作时，热源加热油浴腔中的燃油使其温度达到临界点之上，油浴腔内的高温燃油又作为热源对预热腔内的燃油进行预热，相对地，预热腔内燃油又对油浴腔内燃油起保温作用。这样的设计在实现了两级加热的同时减少了热源个数、高温容腔个数和散热表面积，有效地提高了装置的保温性能和热效率，大幅降低了对保温措施等辅助设备的要求。

本装置主要用于将燃油加热至对应的临界温度之上。燃油大多为混合物，其主要由不同馏分的烃类化合物组成。当燃油温度接近临界温度时，会出现组分分层现象，低碳化合物组分会向上移动，高碳化合物组分反之。不同组分的比热不同，使用同一热源加热时吸热量相同，但温升不同。组分分层将会导致温度梯度的出现，不能满足实验对燃油温度均匀度的要求。为了确保该加热装置输出燃油的温度准确均匀，本装置采用了如下两种设计：一、选用螺旋管作为燃油的流动路径。在长径比较大的细管内流动可以提高被加热燃油的湍流度，加强燃油自身的传质和传热，提高被加热工质本身的均匀度，从而避免了温度梯度的产生。二、在油浴腔中安装环形翅片。在油浴腔中，被加热的燃油在螺旋管中是由下至上穿过整个油浴腔的。螺旋管内径较小，其中储存的燃油体积也很少，螺旋管中燃油温度对于周围油浴温度变化比较敏感，可以认为螺旋管出口处的燃油温度即为油浴腔内顶部燃油的温度。为了使螺旋管出口处的燃油可以达到要求的温度，就需要保证油浴腔内静态的燃油在竖直方向上同样具有温度的均匀性。因此，本装置在油浴腔内沿轴向设置了环形翅片，将油浴腔分隔成多个体积较小的空间，以减少因燃油分层吸热不均导致的温度梯度的出现，进一步保证螺旋管出口处燃油温度的均匀性。

为了增强换热，提高该加热装置的热效率，本发明采取了如下措施。首先，使用螺旋管作为燃油在超临界油浴中的流通路径。螺旋管除通过增大内部流体湍流度可以增强换热外，螺旋管本身长径比较大，可以增加内部燃油的换热面容比，有效提高热通量，进一步提高换热效率，使得螺旋管内的燃油可以在短时间内被加热到与油浴相同的温度。其次，本装置还采用了共压设计。为了实现超临界油浴中加热燃油至超临界态，在本装置中，要求油浴腔和预热腔中的燃油压力均达到临界压力之上。若油浴腔和预热腔分别加压，则预热腔壁面、油浴腔壁面和螺旋管壁都需要采用较厚的合金制造以保证高压下的安全性，这将大大降低油浴腔和预热腔之间以及油浴腔与螺旋管之间的换热性能，同时也增加了装置质量和成本。为此，本装置设计了油浴腔和预热腔的共压系统，使用同一气源同时为油浴腔和预热腔加压，使油浴腔和预热腔之间以及油浴腔和螺旋管之间的压差为零，整个装置只有最外层的壁面承受压力。这样的加压方式可以有效降低油浴腔和预热腔之间的隔板以及螺旋管壁的受力，进而可以将油浴腔和预热腔之间的隔板以及螺旋管壁制作得可能薄，进一步增强两级加热器的换热效率。

考虑到燃油在加热至临界温度之上的过程中密度会大幅降低，体积膨胀数倍，要求在常温下，油浴腔中的燃油体积应少于油浴腔体积的1/3，相应的，螺旋管应当分为螺旋段和直管段两部分，螺旋段靠近下部，以满足所需燃油温度未达到临界温度时的加热要求。另外，已经加热到所需温度的燃油在流出加热装置的过程中应当避免和低温源接触，因此本装置将燃油在螺旋管中的流动方向设计为下进上出，已被加热的燃油直接由油浴腔顶端的燃油出口流出。

本装置包括顶盖、罐体、燃油隔板、环形翅片、螺旋管、石墨垫片、负反馈加热装置、油浴腔、预热腔、油浴腔测温口、油浴腔加压口、超临界燃油出口、预热腔测温口、预热腔测压口、安全阀、截止阀、高温压力表、减压阀、增压装置、稳压罐、储油罐、滤油器、高压温度传感器、高精度温控仪、电源。

所述罐体为圆柱形，内壁面喷涂氧化锆陶瓷涂层，并对内壁面进行抛光处理，要求表面粗糙程度Ra<0.5μm。

所述顶盖为类图钉形，由一个一端封闭的圆管和法兰盘组成，圆管的未封闭一端与法兰盘共心密封焊接。法兰盘近圆管一侧的壁面喷涂有氧化锆陶瓷涂层，并进行抛光处理，要求表面粗糙程度Ra<0.5μm。所述顶盖圆管内安装有负反馈调节的加热装置。顶盖上开有超临界燃油出口、油浴腔测温口、油浴腔测压口、预热腔测压口、预热腔测温口。顶盖与所述罐体采用螺栓连接，并使用耐高温高压的内嵌有金属板的石墨垫片进行密封。

所述燃油隔板为高导热率铜合金C28000制成的圆柱形的薄板，用于分隔油浴腔和预热腔。燃油隔板与顶盖共轴连接，上端与所述顶盖上法兰盘近圆管一侧的壁面密封焊接，另一端与所述顶盖上圆管的封闭端密封焊接，燃油隔板厚度为0.4～0.6mm。所述燃油隔板内，沿轴向均匀分布有与燃油隔板共轴的多片环形翅片。环形翅片由高导热率铜合金C28000制成。所述环形翅片厚度与所述燃油隔板相同，外径与燃油隔板内径相同，内径大于螺旋管螺旋线直径，环形翅片间距不大于20mm。燃油隔板下端开有螺旋管接口。

所述螺旋管为高导热率铜合金C28000制成的螺旋形中空管。所述螺旋管内燃油流向为下进上出。所述螺旋的螺旋段靠近螺旋管入口一侧，直管段靠近螺旋管出口一侧，螺旋段高度占螺旋管总高度的1/3～1/2。螺旋管壁厚度为0.3～0.5mm，螺旋管内径为4～6mm，螺旋管的螺旋线直径不小于1/2(燃油隔板内径+顶盖圆管外径)，螺距为2～4倍的螺旋管外径。螺旋管出口与所述超临界燃油出口连接，螺旋管入口与所述燃油隔板上的螺旋管接口相连接，螺旋管与所述预热腔连通。

所述负反馈加热装置的基本加热方式为电加热，铠装有铜质外壳。与顶盖之间填充有氧化镁，在保证绝缘安全的前提下保证导热率。

所述预热腔为所述燃油隔板、所述罐体和所述顶盖形成的封闭空间，体积小于所述油浴腔的1/2，预热腔内贮存有需要进入螺旋管内进行第二级加热的预热燃油。

所述油浴腔为所述燃油隔板和所述顶盖形成的封闭空间，体积至少为所述预热腔的2倍，油浴腔内有静态的高温油浴油作为加热介质，常温下油浴腔中燃油的体积不超过油浴腔体积的1/3。

所述稳压罐体积至少为所述预热腔体积的5倍以上，以减少因实验过程中燃油减少产生的压力波动。

所述超临界燃油出口为球头接口，位于所述顶盖法兰盘无氧化锆陶瓷涂层一侧，与所述螺旋管出口连通。

所述油浴腔测温口和油浴腔测压口均为球头接口，位于所述顶盖法兰盘无氧化锆陶瓷涂层一侧，与所述油浴腔连通，油浴腔测压口也作为油浴腔加压口。

所述预热腔测温口和预热腔测压口均为球头接口，位于所述顶盖法兰盘无氧化锆陶瓷涂层一侧，与所述预热腔连通，预热腔测压口也作为预热腔加压口。

所述高压温度传感器为适用于高压环境多点测量的高精度温度传感器，安装在所述油浴腔测温口上，测温点沿轴向均布，用于测量油浴腔中轴向上不同位置处的温度。

所述增压装置用来给预热腔和油浴腔加压，采用同一气源相同压力为两个独立的封闭腔体精确加压，使得预热腔、油浴腔和螺旋管内的压力相同。

有益效果

(1)基于油浴加热的原理并对其进行了进一步的拓展，提出了螺旋管内流动加热的超临界燃油加热方法。由于使用了油浴中的流动加热，有效地避免了近热源处被加热工质温度过高，燃油发生结焦裂解反应产生杂质影响工质物性的问题，大大降低了在进行超临界喷射实验时发生喷嘴堵塞的概率；其次选用与被加热流体相同的流体作为加热介质，两者具有相同的导热率，且都远小于螺旋管所用材料的导热率，因此可以认为螺旋管内外的燃油对于温度变化的敏感程度相同。

(2)使用螺旋管作为流动加热中燃油的流动路径，可以有效的提高换热效率，满足流动加热得到超临界燃油的要求。螺旋管结构本身具有很高的面容比，有利于螺旋管内外的换热。其次，根据所述的几何尺寸要求，油浴腔体积为螺旋管体积的450倍以上，因此可以忽略流入螺旋管内的低温油对油浴腔内温度的影响，同时又可以在燃油流出螺旋管前将其加热到所需要的温度。

(3)设计了全新的三层套筒式结构，结构紧凑、使用方便，同时也能增强换热性能，降低热量损失。本装置从内到外共三层，最内层安装负反馈加热装置，中间层为油浴腔，最外层为预热腔。热源位于本装置中心，对油浴腔中的燃油进行加热，油浴腔中燃油对螺旋管内燃油加热的同时也对预热腔中的燃油起预热作用，相对的预热腔内的燃油对油浴腔内的燃油起保温作用。这样的结构既能将一级静态预热和二级油浴加热一体化，又将热量损失最小化。另外，对预热腔采用了分体式设计，利于反复加注实验所用的燃油，方便清洗预热腔，保证实验时的燃油品质。

(4)预热腔、油浴腔和螺旋管共压，可以降低装置重量和成本，增强换热。本系统对预热腔和油浴腔使用同一气源同一压力加压，使得预热腔、油浴腔和螺旋管内压力相同，只有罐体和顶盖承受压力，螺旋管和燃油隔板两侧的压力相同，因此可以将螺旋管和燃油隔板设计得很薄，降低该加热装置结构本身对油浴腔内油浴油和被加热的燃油之间换热的影响，也减少了装置的整体质量。

(5)本发明所述的一种超临界油浴型的超临界燃油加热装置能为实验提供各种温度和压力下的超临界燃油，也可用于加热不同温度和压力下的亚临界和近临界燃油，适用性广。

(6)设计了基于油浴加热方法的超临界燃油供给装置，操作方便结构简单，能连续稳定地提供高温(≤1000K)高压(≤6MPa)的燃油，实用范围相对现有设备有大幅提升。

(7)本发明不仅适用于在实验中加热超临界燃油，同时也能加热不同温度和不同压力的其他各种气体和液体，装置的适用性强。

附图说明

图1为一种超临界油浴型的超临界燃油加热装置罐体的半剖轴测图；

图2为所述螺旋管；

图3为所述燃油隔板及环形翅片半剖图；

图4为A-A截面剖视图；

图5为超临界油浴型的超临界燃油加热装置俯视图；

图6为超临界油浴型的超临界燃油加热装置系统图；

图中：

1、顶盖；2、罐体；3、燃油隔板；4、环形翅片；5、螺旋管；6、螺栓连接；7、石墨垫片；8、负反馈加热装置；9、油浴腔；10、预热腔；11、油浴腔测温口；12、油浴腔测压口；13、超临界燃油出口；14、预热腔测温口；15、预热腔测压口；16、安全阀；17、油浴腔截止阀；18、高温压力表；19、喷嘴；20、减压阀；21、增压装置；22、稳压罐；23、储油罐；24、预热腔截止阀；25、滤油器；26、高压温度传感器；27、热电偶；28、高精度温控仪；29、电源。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种适用于超临界流体实验的超临界油浴型的超临界燃油加热装置，如图4和图5所示。其包括：顶盖1、罐体2、燃油隔板3、环形翅片4、螺旋管5、螺栓连接6、石墨垫片7、负反馈加热装置8、油浴腔9、预热腔10、油浴腔测温口11、油浴腔测压口12、超临界燃油出口13、预热腔测温口14、预热腔测压口15。

该超临界油浴型的超临界燃油加热装置是基于油浴加热和间壁式换热法所设计的，因此选取长径比较大的螺旋管作为主要的换热元件。为了满足输出超临界燃油的要求，在螺旋管5内的换热必须做到快速充分，故本发明限定所使用的螺旋管5壁厚介于0.3～0.5mm之间；在满足充分快速换热的同时，应当降低螺旋管5中低温油换热时所造成的油浴腔9内的温度波动，保证超临界燃油温度的精确均匀。因此需要限定螺旋管5内低温油的体积，故本发明限定螺旋管5内径介于4～6mm之间。由于螺旋管5环绕着作为热源的负反馈加热装置8，热源的热辐射作用可能使螺旋管5中的燃油温度高于实验需求的温度，因此本发明要求螺旋管5的螺旋线直径不小于1/2(燃油隔板内径+顶盖圆管外径)。此外，为了避免已经加热到所需温度的燃油与冷源接触，螺旋管采用了下进上出的流动方向，高温高压的超临界燃油由位于顶盖1上的超临界燃油出口13流出，直接为实验所用。

本发明为了降低对装置保温措施要求，实现二级加热一体化，采用了套筒式结构。高温的油浴腔9被低温的预热腔10包围，负反馈加热装置8作为热源被油浴腔9包围，油浴腔9中的燃油既作为被加热工质，又作为预热腔10的热源，预热腔10中的燃油作为保温材料对油浴腔9起保温作用，可提高装置整体的热效率。该装置中最主要的换热发生在螺旋管5内的燃油与油浴腔9内高温燃油之间，油浴腔中燃油的温度对螺旋管中燃油温度影响极大，也直接影响该装置出口处的燃油的品质。国产常见的航空燃油为多组分的混合物，随着航空燃油温度的升高，静态的燃油会出现组分分层现，大分子组分向聚集在容腔下部，小分子组分反之，不同组分的比热不同，使得容腔中的温度不均匀。因此为了保证油浴腔9中的燃油温度相对均匀，在油浴腔9中竖直方向上均布有环形翅片4，将油浴腔9分隔成多个体积相对较小的区域，以减少油浴腔内9的温度梯度，同时作为肋片也可以加强油浴腔9和预热腔10之间的换热，本发明要求环形翅片4的间距不大于20mm。燃油随着温度的升高到达相应的临界温度之上时，体积会膨胀数倍，因此在常温下油浴腔9中的燃油填充量应当小于油浴腔9体积的1/3，相应的螺旋管5的螺旋段集中在整体高度的下半段，以实现实验需求温度未达到临界点以上时燃油的加热。为了满足对预热腔10中燃油的预热效果，同时也为了保证不断进入预热腔10的低温油不会对油浴腔9中高温油造成温度波动，需要对预热腔10和油浴腔9的体积加以限制，本发明要求油浴腔9的体积至少为预热腔10体积的2倍，油浴腔9的长径比大于2，这样可以保证油浴腔对预热腔油内低温燃油的与份额效率，从而减少油浴腔与预热腔内燃油的温度差，进一步减小油浴腔内的温度波动。

在本装置中，罐体2内壁、燃油隔板3外壁和顶盖1法兰盘下端面共同围成的封闭空间为预热腔10；燃油隔板3内壁和顶盖1形成的封闭空间为油浴腔9。燃油隔板3和顶盖1共轴安装且要求严格密封，环形翅片4和燃油隔板3共轴安装。为了提高热效率减少热辐射损失，对罐体2内壁和顶盖1法兰盘的下端面喷涂氧化锆陶瓷涂层，并进行抛光处理，使得表面粗糙度Ra<0.5μm。在顶盖1上油浴腔9所对应区域，除了开有超临界燃油出口13外，还开有油浴腔测温口11和油浴腔测压口12，顶盖1上预热腔10所对应区域开有预热腔测温口14和预热腔测压口15，5个接口均采用球头接口以保证高温高压下的密封性要求。顶盖和罐体之间采用螺栓连接，顶盖下端面设计有凸台，罐体上沿设计有凹槽，连接处使用内衬金属板的石墨垫片进行密封，可以满足高温高压下的密封要求。

工作过程

本发明所述的超临界燃油加热系统如图6所示。在加热前需要对加热段进行预处理。清洗并烘干罐体2内壁、顶盖1下端面及燃油隔板3外壁面。酸洗螺旋管5内流道并烘干，以保证螺旋管5内部无杂质及毛刺，避免燃油被污染。通过油浴腔测温口11或油浴腔测压口12向油浴腔9内注入小于油浴腔9体积1/3的燃油。使用8只螺栓连接顶盖1和罐体2，并使用石墨垫片7进行密封。按照图4所示连接各部分元件，各个元件之间接口均使用球头连接以保证高温高压下的密封性。整个供给系统可分为三部分，气路、电路和加热段，其中，气路部分主要用于向加热段提供一定压力的燃油和实现油浴腔9预热腔10之间的零压差，电路部分用于实现温度控制。安全阀16用于限制加热段罐体内压力，避免压力过高发生危险。稳压罐22设置在增压装置21和油罐之间，用于降低实验过程当中因储油罐内燃油减少而造成的压力波动。增压装置21的介质为高纯度氮气。过滤器25用于防止杂质进入加热段阻塞实验中使用的喷嘴19和螺旋管5。电路部分使用带有负反馈调节的高精度温控仪28，高精度温控仪28的输入为高压温度传感器26测量的油浴腔9内的温度，通过负反馈调节改变负反馈加热装置8的功率，从而实现油浴腔9内的温度控制。

具体的使用步骤如下：打开预热腔截止阀24，关闭油浴截止阀17，关闭喷嘴19，卸下安装于预热腔测温口14的热电偶27，调整减压阀20至一较低的压力(<0.15MPa)，使得增压装置21推动储油罐23中的燃油进入预热腔10，直至有燃油从预热腔测温口14喷出后关闭预热腔截止阀24，这一操作目的在于排空预热腔10内空气，防止空气中的氧气在加热过程中溶入燃油或发生氧化裂解产生杂质；在预热腔测温口14上安装热电偶27，打开喷嘴19，打开预热腔截止阀24，直至有燃油从喷嘴喷出时关闭预热腔截止阀24，关闭喷嘴19，这一操作的目的在于将预热腔10中的燃油压入螺旋管并排空螺旋管内的空气；从油浴腔测温口11上卸下高压温度传感器26，打开油浴腔截止阀17，维持一段时间后关闭油浴腔截止阀17，并在油浴腔测温口11上安装高压温度传感器26，这一操作的目的在于排出油浴腔9中的空气，防止在加热过程中油浴腔9中的燃油发生氧化反应，影响油浴腔的温度均匀度。打开油浴腔截止阀17和预热腔截止阀24，调整减压阀20至实验所需的压力，待高温压力表18的示数稳定后，打开高精度温控仪28开始加热，当高压温度传感器26示数达到实验要求的温度后，打开喷嘴19，等高压温度传感器26示数稳定并再次达到实验要求的温度后，便可开始相应的燃油的超临界喷射实验。

本发明一种超临界油浴型的超临界燃油加热装置以超临界油浴加热和螺旋管内流动换热为基础，采用套筒式结构，可以有效为流体的超临界喷射实验连续稳定地提供不同温度和压力的超临界流体。采用超临界油浴加热可以有效避免燃油加热过程中结焦和裂解反应的发生，抑制杂质的生成。使用螺旋管作为燃油的流动换热路径有效提高了热通量，使得加热过程迅速，解决被加热流体温度不均匀的问题。将静态预热和流动加热的两级加热方式一体化，提高了装置的保温性能和热效率。通过气路设计实现了螺旋管、预热腔和油浴腔三者之间的零压差，降低了装置的重量和成本，也提高了加热器的换热能力。这一超临界油浴型的超临界燃油加热装置结构简单、使用方便，同时也适用于气体、液体等各种流体的亚临界、跨临界和超临界的喷射实验，具有很强的适应性。