一种冲压空气作为动力源和热沉的电热互补系统的制作方法

本发明涉及航空机电，具体而言，涉及一种冲压空气作为动力源和热沉的电热互补系统。

背景技术：

1、机载大功率设备系统要正常工作，首先要实现与飞机平台一体化集成的问题，需要综合考虑飞机平台所能提供的空间、重量、供电、散热等约束，保证大功率设备高效稳定运行并减小其对载机的影响，需要对机载大功率设备供电和热管理系统的体积、重量、能源供给、热管理等开展优化设计。

2、机载大功率设备运行时，根据具体工作需求，其供电功率和发热功率均为时变。一般的大功率设备供电和热管理系统的设计，最大供电功率必须不小于大功率设备的峰值供电功率需求，最大制冷量必须不小于大功率设备的峰值发热功率，将使得供电和热管理系统的体积重量较大。同时，在负荷脉动周期内的大部分时间，供电功率和制冷量需求远低于设计峰值，供电和热管理系统的运行效率大幅降低，造成了能力的浪费。然而，目前大功率设备供电和热管理系统以分立式设计为主，采用独立的能源体系，各子系统的能量流相互独立，导致各子系统的闲置能源无法相互利用，供电系统和热管理系统中可回收利用的能量被直接耗散。

3、目前设计中系统产生的电能与热能仍旧没有相互转换与利用，当系统中制冷量不足时，供电系统无法消耗电能去补充制冷量；当系统中电能不足时，热管理系统无法回收利用废热去补充电能。此外，供电系统的供电量和热管理系统的制冷量在设计时为固定值，针对一定范围内波动的供电和散热需求，需要设计多套架构去满足。在工作时，通过冲压空气风口进入系统的冲压空气流量需要同时满足作为动力源时的供电量需求和作为热沉时的制冷量需求。当供电需求过大时，流量过大的冲压空气会造成热沉冗余，而当制冷需求过大时，则会造成动力源冗余。在工作时，由于冲压空气先推动冲压空气涡轮做功，随后，经过热管理系统的冷凝器作为热沉，因此，冲压空气的流量同时决定了供电量和制冷量，当制冷制冷量足够，但供电量不足时，需要对进入冲压空气涡轮的冲压空气进行流量补充，同时，增大的流量需要在进入冷凝器前排放以避免对制冷量的影响；当供电量足够，但制冷制冷量不足时，需要额外增加流道以增大进入冷凝器的冲压空气流量。同一架构尚缺少电与热的统一调控形式和自主适应性调控能力，难以达到整体能效最优，无法满足机载大功率设备按照负载周期进行精准控制的设计需求；同一架构无法灵活与飞机平台匹配，需要根据不同功率需求装备不同架构的供电系统和热管理系统，限制了应用范围。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述技术存在的不足，为解决上述的问题，本发明提供了一种冲压空气作为动力源和热沉的电热互补系统。

2、第一方面，本发明提供了一种冲压空气作为动力源和热沉的电热互补系统，包括：包括：冲压空气风门、供电子系统、电制冷子系统、第一温差发电子系统、第二温差发电子系统、第一液冷循环子系统、第二液冷循环子系统以及蒸发循环子系统；供电子系统包括冲压空气涡轮、发电机、储能装置和汇流条；冲压空气经冲压空气风门输送至冲压空气涡轮，推动空气涡轮做功，带动发电机发电，作为电热互补系统的动力源，冲压空气流过蒸发循环子系统，吸收蒸发循环子系统的热量，或者，冲压空气先流过电制冷子系统，吸收电制冷子系统的热量，再流过蒸发循环子系统，吸收蒸发循环子系统的热量，作为电热互补系统的热沉；电制冷子系统消耗电能转化为制冷量，第一温差发电子系统和第二温差发电子系统回收余热转化为电能。

3、在一些实施例中，第一液冷循环子系统包括：高热流密度冷却装置、第一液体泵、第一储液罐；大功率设备工作过程中产生热量，热量传递给高热流密度冷却装置，第一储液罐内的第一载冷剂通过第一液体泵输送至高热流密度冷却装置，第一载冷剂吸收大功率设备产生的热量后温度升高，第一载冷剂经过第一换热器被带走部分热量后温度降低，第一载冷剂经过相变储热换热器被带走剩余热量，回到第一储液罐，第一液冷循环子系统完成第一液冷循环回路。

4、在一些实施例中，第二液冷子系统包括：相变储热换热器、第二液体泵、第二储液罐；第二储液罐内的第二载冷剂通过第二液体泵输送至相变储热换热器，第二载冷剂吸收相变储热换热器存储的热量后温度升高，第二载冷剂经过第三换热器被带走部分热量后温度降低，第二载冷剂经过蒸发器被带走剩余热量，回到第二储液罐，第二液冷循环子系统完成第二液冷循环回路。

5、在一些实施例中，蒸发循环子系统包括：蒸发器、节流阀、冷凝器和压缩机；蒸发器中的液态制冷剂吸收第二液冷循环子系统传递给蒸发器的热量后蒸发变成气态制冷剂，气态制冷剂进入压缩机后压缩成高压气体，高压气态制冷剂进入冷凝器放出热量变成液态制冷剂，液态制冷剂进入节流阀后节流膨胀成低压液体，蒸发循环子系统完成蒸发循环回路。

6、在一些实施例中，电制冷子系统包括：电制冷装置、第一换热器和第二换热器；电制冷装置消耗电能，将热量从温度较低的第一换热器传递到温度较高的第二换热器。

7、在一些实施例中，第一温差发电子系统包括：第一温差发电子系统、第三换热器和第四换热器；第一温差发电子系统利用第三换热器和第四换热器之间的温差，通过温差发电将热能转换为电能，将电能输送至汇流条入口；第二温差发电子系统包括第二温差发电子系统、第六换热器和第七换热器，第二温差发电子系统利用第六换热器和第七换热器之间的温差，通过温差发电将热能转换为电能，将电能输送至汇流条入口。

8、在一些实施例中，燃油作为动力源和热沉的电热互补系统包括十五个阀门，其中，第一阀设于高热流密度冷却装置与相变储热换热器之间，第二阀设于高热流密度冷却装置与第一换热器之间，第三阀设于相变储热换热器与蒸发器之间，第四阀设于相变储热换热器与第三换热器之间，第五阀设于节流阀与第四换热器之间，第六阀设于节流阀与蒸发器之间，第七阀设于冲压空气涡轮与第二换热器之间，第八阀设于冲压空气涡轮和第五换热器之间，第九阀设于冲压空气涡轮和第七换热器之间，第十阀设于第六换热器和冲压空气涡轮之间，第十一阀设于第五换热器和第六换热器之间，第十二阀设于冲压空气风门和第五换热器之间，第十三阀设于冲压空气风门和第六换热器之间，第十四阀设于冲压空气风门和冷凝器之间，第十五阀设于冲压空气风门和外界环境之间。

9、在一些实施例中，汇流条包括四个入口和五个出口，第一入口与第一温差发电子系统连接，第二入口与发电机连接，第三入口与储能装置连接，第四入口与第二温差发电子系统连接，第一出口与大功率设备连接，第二出口与第一液体泵连接，第三出口与第二液体泵连接，第四出口与电制冷装置连接，第五出口与压缩机连接。

10、在一些实施例中，冲压空气作为动力源和热沉的电热互补系统单独进行电制冷时，第一阀、第二阀、第三阀、第六阀、第七阀、第八阀、第十一阀和第十二阀处于打开状态，第四阀、第五阀、第九阀、第十阀、第十三阀、第十四阀和第十五阀处于关闭状态；汇流条的第一入口和第四入口处于关闭状态，汇流条的第二入口、第三入口、第一出口、第二出口、第三出口、第四出口和第五出口处于打开状态。

11、在一些实施例中，冲压空气作为动力源和热沉的电热互补系统同时进行第一温差发电和第二温差发电时，第一阀、第三阀、第四阀、第五阀、第六阀、第八阀、第九阀、第十阀、第十一阀、第十二阀和第十三阀处于打开状态，第二阀、第七阀、第十四阀和第十五阀处于关闭状态；汇流条的第四出口处于关闭状态，汇流条的第一入口、第二入口、第三入口、第四入口、第一出口、第二出口、第三出口和第五出口处于打开状态。

12、本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

13、本发明增加了电制冷子系统，以实现消耗电能补充制冷量；增加了温差发电子系统，以实现废热回收利用补充电能。

14、本发明在冲压空气动力源和热沉一体化架构的基础上，在热管理系统第一液冷循环回路增加了电制冷方案，消耗供电系统的电能补充热管理系统的制冷量；在热管理系统第二液冷循环回路增加了温差发电方案，回收利用热管理系统废热补充供电系统的电能，在供电系统增加了温差发电方案，回收利用冲压空气涡轮入口的废热补充供电系统的电能，实现了电能与热能的相互转换与利用。

15、本发明针对一定范围内波动的供电和散热需求，通过判断供电系统的供电量是否满足总需求、热管理系统的制冷量是否满足需求、电制冷装置的总效率是否大于相变储热换热器的总效率、温差发电子系统补充制冷量是否满足总需求差值、电制冷装置消耗的电能是否小于系统电能的冗余量等多项判别标准，采用不同步骤实现电能与热能的相互转换与利用，避免重新设计系统架构，可以灵活与一定范围内不同功率的设备进行匹配，扩展了应用范围。

16、本发明通过调节阀的开度，可以调整进入换热器的流量，进而可以灵活调控电制冷装置的补充制冷量和需要消耗的电能；可以灵活调控温差发电子系统的补充制冷量和补充电能；在同一架构下增加了电与热的统一调控形式和提高了自主适应性调控能力，有助于实现整体能效最优，以满足机载大功率设备按照负载周期进行精准控制的需求。

17、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。