一种超临界碳氢燃料蒸汽重整电加热实验系统

1.本发明涉及一种超临界碳氢燃料蒸汽重整电加热实验系统，属于超燃冲压发动机主动冷却技术领域。


背景技术：

2.由于剧烈的气动加热和超声速燃烧释热，高超声速飞行器承受着巨大的热载荷，其发动机燃烧室内的温度可高达3000k，峰值热流可以达到20mw/m2，如何对发动机进行有效的冷却成为关键的问题。当飞行速度达到6马赫时，来流空气总温高达1650k，已无法再用作冷却剂来对发动机进行冷却，在此条件下，飞行器携带的燃料是唯一可用冷源。利用碳氢燃料作为冷却剂的主动再生冷却技术被认为是最有潜力的方案。
3.由于飞行器所携带燃料有限，如何利用有限冷源来进行有效冷却成为了制约高超声速技术的瓶颈之一。利用超临界碳氢燃料裂解吸热可以满足马赫数8以下飞行的冷却需求。更高速度的飞行对燃料的冷却能力提出了更高的需求，碳氢燃料蒸汽重整是一个强吸热反应，可以提供比裂解更强的吸热能力。但是目前对碳氢燃料蒸汽重整的认识还比较少，主要通过地面实验来研究，由于在液态条件下碳氢燃料与水不互溶，水的密度与碳氢燃料不同，会迅速分层，现有实验方案是通过添加乳化剂使水和燃料形成乳化液，然后用泵将乳化液通入反应器在加热条件以及催化剂的作用下发生蒸汽重整反应。但是乳化液对泵有损伤，长期使用会对泵的寿命产生影响，同时，乳化剂的存在会对实验产生影响。因此有必要针对上述问题提出一种解决方案。


技术实现要素：

4.本发明为了解决上述背景技术中提到的技术问题，提出一种超临界碳氢燃料蒸汽重整电加热实验系统。是一种基于蒸汽重整的再生冷却主动热防护地面电加热实验系统。
5.本发明提出一种超临界碳氢燃料蒸汽重整电加热实验系统，包括供给部分、预热部分、实验部分和产物处理部分，其中，供给部分用于分开存储液态的水和碳氢燃料，并向实验系统注入反应物水和碳氢燃料，预热部分用于将水和碳氢燃料分别进行预热，使水完全汽化，同时碳氢燃料达到超临界态，并均匀混合，实验部分用于模拟发动机主动冷却通道的其中一个通道，混合流体在反应器内反应，并采集实验数据，产物处理部分用于处理实验段排出的产物以及剩余的反应物；
6.所述供给部分包括水箱、水过滤器、高压水泵、一号单向阀、一号质量流量计、一号球阀、燃料箱、燃料过滤器、高压燃料泵、二号单向阀、二号质量流量计和二号球阀，所述水箱、水过滤器、高压水泵、一号单向阀、一号质量流量计和一号球阀通过管道依次连接，所述燃料箱、燃料过滤器、高压燃料泵、二号单向阀、二号质量流量计和二号球阀通过管道依次连接；
7.所述预热部分包括一号绝缘子、二号绝缘子、一号稳压电源、水预热段、燃料预热段、一号铠装热电偶和混合段，所述一号球阀、一号绝缘子、水预热段和一号铠装热电偶经
管道依次连接，所述二号球阀、二号绝缘子、燃料预热段和一号铠装热电偶经管道依次连接，所述水预热段和燃料预热段通过一号电极与一号稳压电源连接，通过同一个一号稳压电源同时预热，所述一号铠装热电偶与混合段连接；
8.所述实验部分包括一号压力变送器、二号稳压电源、蒸汽重整反应器、压差计、二号压力变送器、二号铠装热电偶、三号铠装热电偶、三号绝缘子、四号绝缘子、五号绝缘子和六号绝缘子，所述混合段与三号绝缘子连接，所述三号绝缘子、二号铠装热电偶、蒸汽重整反应器、三号铠装热电偶和六号绝缘子通过管道依次连接，所述二号铠装热电偶、四号绝缘子、一号压力变送器、压差计、二号压力变送器、五号绝缘子和三号铠装热电偶经管道依次连接，所述蒸汽重整反应器经二号电极与二号稳压电源连接；
9.所述产物处理部分包括三号球阀、一号冷凝器、气液分离器、二号冷凝器、背压罐和废液回收桶，所述六号绝缘子与一号冷凝器、三号球阀和气液分离器依次连接，所述六号绝缘子还与二号冷凝器、背压罐和废液回收桶依次连接，经二号冷凝器冷凝后的流体，气体产物存储在背压罐中，液体残余物流入废液回收桶中收集。
10.优选地，所述碳氢燃料预热段和水预热段均采用高温合金制成的圆形截面中空管道。
11.优选地，所述混合段是高温合金制成的中空通道。
12.优选地，所述蒸汽重整反应器是高温合金制成的圆形截面中空管道。
13.优选地，多个k型热电偶均匀焊接在蒸汽重整反应器外表面，用于测量轴向不同位置的外壁温。
14.优选地，所述一号冷凝器和二号冷凝器均为绕管式冷凝器，通过水与流体的热交换使流体降温而冷凝。
15.优选地，所述背压罐内是惰性的氮气和产物气体。
16.优选地，所述气液分离器利用气体液体的密度差异实现气液分离，用于分别收集气体产物和液体产物。
17.本发明所述的超临界碳氢燃料蒸汽重整电加热实验系统的有益效果为：
18.(1)本发明提出的碳氢燃料蒸汽重整实验系统，碳氢燃料和水可以分开存放，在进入重整反应器之前通过电加热预热，使水完全汽化，同时碳氢燃料达到超临界态，在气态条件下可以均匀混合，解决了水和碳氢燃料在液态条件下不互溶的问题，也不用添加乳化剂，避免了对实验的附加干扰，也避免了乳化液对实验系统可能造成的损害。
19.(2)本发明提出的碳氢燃料蒸汽重整实验系统，水和碳氢燃料经不同的通路进入反应器可以实现将水路断开使实验系统完成裂解实验。
20.(3)本发明提出的碳氢燃料蒸汽重整实验系统，单独设立一个产物收集通路可以尽量减小流经背压罐再收集产物对准确性的影响。
21.(4)本发明提出的碳氢燃料蒸汽重整实验系统，碳氢燃料和水分开存储，分别供给，还可以实现随时调节碳氢燃料和水的比例。
22.(5)本发明提出的碳氢燃料蒸汽重整实验系统，其预热部分中碳氢燃料预热段和水预热段通过电极夹持并联接入同一个稳压电源，可以通过同一个电柜来进行预热，简化了系统结构和操作流程。
23.(6)本发明提出的碳氢燃料蒸汽重整实验系统，预热部分中碳氢燃料预热段和水
预热段长度不同，可以通过调整长度实现水完全汽化的同时碳氢燃料刚好达到超临界态。
附图说明
24.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
25.在附图中：
26.图1为本发明所述的一种超临界碳氢燃料蒸汽重整电加热实验系统的试验系统框图；
27.其中，1
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水箱，2
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水过滤器，3
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高压水泵，4
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一号单向阀，5
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一号质量流量计，6
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一号球阀，7
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燃料箱，8
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燃料过滤器，9
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高压燃料泵，10
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二号单向阀，11
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二号质量流量计，12
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二号球阀，13
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一号绝缘子，14
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二号绝缘子，15
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一号稳压电源，16
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水预热段，17
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碳氢燃料预热段，18
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一号电极，19
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一号铠装热电偶，20
‑
混合段，21
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三号绝缘子，22
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二号铠装热电偶，23
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一号压力变送器，24
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二号电极，25
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二号稳压电源，26
‑
蒸汽重整反应器，27
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k型热电偶，28
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压差计，29
‑
四号绝缘子，30
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五号绝缘子，31
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二号压力变送器，32
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三号铠装热电偶，33
‑
六号绝缘子，34
‑
三号球阀，35
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一号冷凝器，36
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气液分离器，37
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二号冷凝器，38
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背压罐，39
‑
废液回收桶。
具体实施方式
28.以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
29.具体实施方式一：参见图1说明本实施方式。本实施方式所述的超临界碳氢燃料蒸汽重整电加热实验系统，包括供给部分、预热部分、实验部和产物处理部分，其中，供给部分用于分别存储液态的水和碳氢燃料，并向实验系统注入反应物水和碳氢燃料，预热部分用于将水和碳氢燃料分别进行预热，使水完全汽化，同时碳氢燃料达到超临界态，并均匀混合，实验部分用于模拟发动机主动冷却通道的其中一个通道，产物处理部分用于处理实验段排出的产物以及剩余的反应物；
30.所述供给部分包括水箱1、水过滤器2、高压水泵3、一号单向阀4、一号质量流量计5、一号球阀6、燃料箱7、燃料过滤器8、高压燃料泵9、二号单向阀10、二号质量流量计11和二号球阀12，所述水箱1、水过滤器2、高压水泵3、一号单向阀4、一号质量流量计5和一号球阀6通过管道依次连接，所述燃料箱7、燃料过滤器8、高压燃料泵9、二号单向阀10、二号质量流量计11和二号球阀12通过管道依次连接。
31.所述水过滤器2和燃料过滤器8用于滤除液体中较大颗粒的杂质，高压水泵3和高压燃料泵9用于向加压后的实验系统内输送液体，两个单向阀用于防止液体或气体反流而影响实验结果，甚至损伤泵，两个质量流量计分别用于计量两种液体的流量，两个球阀分别用于控制碳氢燃料和水供给系统的通断。
32.所述预热部分包括一号绝缘子13、二号绝缘子14、一号稳压电源15、水预热段16、燃料预热段17、一号铠装热电偶19和混合段20，所述一号球阀6、一号绝缘子13、水预热段16和一号铠装热电偶19经管道依次连接，所述二号球阀12、二号绝缘子14、燃料预热段17和一号铠装热电偶19经管道依次连接，所述水预热段16和燃料预热段17通过一号电极与一号稳压电源连接，通过同一个一号稳压电源15同时预热，所述一号铠装热电偶19与混合段20连
接。
33.一号绝缘子13和二号绝缘子14由绝缘材料制成，用于将预热段带电部分与实验台的其他结构之间绝缘，碳氢燃料预热段17和水预热段16均采用高温合金制成的圆形截面中空管道，碳氢燃料预热段17和水预热段16通过同一个稳压电源同时预热，由于碳氢燃料的流量大于水的流量，如果用完全相同的管道作为水和碳氢燃料预热段，则水完全汽化时碳氢燃料远未达到超临界态，碳氢燃料达到超临界态时，水路则会因管路内的水沸腾而产生传热恶化，导致局部过热。因此碳氢燃料预热段的管道长度要小于水预热段，在相同电压情况下，碳氢燃料预热段电阻小于水预热段电阻，加热功率则大于水预热段，同时管道长度小，表面积也小，使碳氢燃料预热段的热流密度大于水预热段的热流密度，实现水完全汽化的同时碳氢燃料达到超临界态的效果。混合段20是高温合金制成的中空通道，水蒸气和超临界态的碳氢燃料在混合段内均匀混合。
34.所述实验部分包括一号压力变送器23、二号稳压电源25、蒸汽重整反应器26、压差计28、二号压力变送器31、二号铠装热电偶22、三号铠装热电偶32、三号绝缘子21、四号绝缘子29、五号绝缘子30和六号绝缘子33，所述混合段20和三号绝缘子21连接，所述二号铠装热电偶22、蒸汽重整反应器26、三号铠装热电偶32和六号绝缘子33经管道依次连接，所述二号铠装热电偶22、四号绝缘子29、一号压力变送器23、压差计28、二号压力变送器31、五号绝缘子30和三号铠装热电偶32经管道依次连接，所述蒸汽重整反应器26经二号电极24与二号稳压电源25连接。蒸汽重整反应器26是高温合金制成的圆形截面中空管道，多个k型热电偶均匀焊接在重整反应器26外表面用于测量轴向不同位置的外壁温，六号绝缘子33用于反应器26与产物处理部分的隔离，三号绝缘子21用于蒸汽重整反应器26与预热部分的绝缘，避免两个稳压电源相互影响。一号压力变送器23测量蒸汽重整反应器26进口压力，二号压力变送器31测量蒸汽重整反应器26出口压力，压差计25测量蒸汽重整反应器26进出口压差，三个铠装热电偶测量蒸汽重整反应器26进出口流体温度。四号绝缘子29和五号绝缘子30用于将进出口的压力变送器23，31和压差计28与稳压电源25隔离，避免其对测量结果造成干扰。
35.所述产物处理部分包括三号球阀34、一号冷凝器35、气液分离器36、二号冷凝器37、背压罐38和废液回收桶39，所述六号绝缘子33与一号冷凝器35、三号球阀34和气液分离器36依次连接，所述六号绝缘子33还与二号冷凝器37、背压罐38和废液回收桶39依次连接，经二号冷凝器37冷凝后的流体，气体产物存储在背压罐38中，液体残余物流入废液回收桶39中收集。两个冷凝器均为绕管式冷凝器，常压低温的水在冷凝器壳体与绕管之间的容积内流动，高温高压的流体在绕管内部流动，通过水与流体的热交换使流体降温而冷凝，气液分离器36利用气体液体的密度差异实现气液分离，背压罐38内是惰性的氮气和产物气体，用于回收气体产物和为系统提供压力，经二号冷凝器37冷凝后的流体，气体产物存储在背压罐38中，液体残余物流入废液回收桶39中收集。
36.所述的超临界碳氢燃料蒸汽重整电加热实验系统的工作原理为：
37.实验前碳氢燃料和水分开存储，并通过两套供给系统分别将水和燃料通入实验系统管路中，经电加热预热使水完全汽化，同时碳氢燃料达到超临界态，在气态条件下，二者可以均匀混合，将混合均匀后的流体通入反应器在催化剂的作用下进行反应，通过对加热功率，反应器进出口流体温度，进出口压力，进出口压差和沿程外壁温的测量，以及对反应产物进行分析来对蒸汽重整反应进行研究。
38.所述的超临界碳氢燃料蒸汽重整电加热实验系统的操作过程：
39.先往背压罐38中充入氮气，使系统内部的压力满足实验条件。将水和碳氢燃料分别通入预热段15和17用电加热的方式预热水和碳氢燃料，使水完全汽化，同时碳氢燃料进入超临界态，以使二者可以混合。在混合段20均匀混合后的流体进入蒸汽重整反应器26，在重整反应器26内壁面附着催化剂的作用下，经电加热发生重整反应。反应后的产物与未反应的反应物的混合流体经冷凝及气液分离后分别收集气体和液体。在反应过程中通过外壁面均匀焊接的k型热电偶27测量不同位置的壁温，三个铠装热电偶19，22，32测量预热段20出口和蒸汽重整反应器26进出口流体温度，压力变送器23和31测量蒸汽重整反应器26进出口压力，压差计28测量蒸汽重整反应器26进出口压差，以获得相应的实验数据。
40.实验前先关闭一号球阀6，二号球阀12和三号球阀34，往实验系统中充入氮气，使系统内压力达到实验所需。
41.打开一号球阀6和二号球阀12，水箱1中的去离子水经水过滤器2过滤后，通过一号高压输液泵3注入水预热器16中，燃料箱7中的燃料经燃料过滤器8过滤后，通过二号高压输液泵9注入燃料预热器17中，水预热器16和燃料预热器17通过同一个稳压电源15，经由一号电极18进行供电，通过读取一号铠装热电偶19测得的流体的温度判断当前状态，调节一号稳压电源15的输出功率，使水完全汽化，同时刚好碳氢燃料达到超临界态。
42.水蒸气和超临界态的碳氢燃料在混合器20中混合均匀，进入蒸汽重整反应器26，重整反应器26的内壁面涂敷有催化剂涂层，通过二号稳压电源25经由二号电极24进行供电而加热，在重整反应器26内催化剂的作用下发生重整反应，通过焊接在反应器外壁面的k型热电偶27测量重整反应器26不同位置的外壁温，通过二号铠装热电偶22测量重整反应器26入口温度，通过压力变送器23测量重整反应器26入口压力，通过三号铠装热电偶32测量重整反应器26入口温度，通过压力变送器31测量重整反应器26出口压力，通过压差计28测量重整反应器26进出口压差。反应后的流体一部分经一号冷凝器35冷凝后，再经气液分离器36将液体和气体分开，将液体和气体分别收集，其余反应后的流体经二号冷凝器37冷凝，气体在背压罐38中存储，液体流入废液回收桶39中。
43.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。