一种工质可循环利用的冷却系统与工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种冷却工艺，特别是涉及一种冷却工质可循环利用、移除高热流的冷却系统工艺，属于工程热物理技术领域。
【背景技术】
[0002]随着高新科技日新月异的发展，出现了高热流密度甚至超高热密度的场合。传统的强迫风冷、水相变、池沸腾到近年发展较快的喷雾冷却、微槽道冷却和微射流阵列冷却等冷却技术都不断的发展改进，旨在能够提升自身的热移除能力，但是许多领域比如航空领域中燃气涡轮为了提高能量效率和输出功率，一般工作温度在1300-1500°C，这样会缩短叶片乃至机器整体的寿命，可是现有空气冷却技术的提升空间逐渐变小，冷气流量也不可能无限增长，这就急需研究冷却新概念和新的高效冷却方式。
【发明内容】
[0003]针对现有理念和技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种冷却降温效果显著，在热量传递移除的同时，冷却工质实现大部分的循环再利用，反应条件可控、安全高效和经济的工质可循环利用的冷却系统与工艺。
[0004]本发明提出相变/化学反应耦合吸热移除高热流的工艺，相变/化学反应耦合吸热冷却手段不仅利用了冷却工质的相变潜热，更将冷却工质的快速吸热反应利用起来，既能回收大量有用热，且可以达到冷却降温的效果。本发明中的反应工质选用C02、H20和C粉，0)2和H 20作为原料在水合物合成装置中被合成为0)2水合物，并循环利用。作为反应的C粉则需要适量补充。本发明设计了一种工质可循环利用的冷却系统工艺，在热量传递移除的同时，冷却工质实现大部分的循环再利用。
[0005]本发明目的通过如下技术方案实现:
[0006]—种工质可循环利用的冷却系统，包括CO2水合物合成装置、C粉喷射装置、高温腔、气体分离装置、燃烧室、&0/0)2分离装置；所述CO 2水合物合成装置和C粉喷射装置分别与高温腔连通，高温腔与气体分离装置连通，气体分离装置的两个出口分别与燃烧室和比0/0)2分离装置连通，燃烧室与H 20/0)2分离装置连通，H 20/C02分离装置的两个出口分别与CO2水合物合成装置连通；
[0007]所述的CO2水合物合成装置包括:水合物反应器、水合物/H2O分离储存器、水储罐、气体冷却器、0)2高压气瓶、气体循环压缩机和气体储存与缓冲罐；水合物反应器内下端设有反应器内冷却器，反应器内冷却器和H20/C02分离装置通过管道汇合后与水合物/H2O分离储存器连通；水合物/H2O分离储存器还通过管道分别与水储罐和水合物栗连接；水合物栗连接高温腔；水储罐通过管道与水合物反应器连接；C02高压气瓶通过管道连接气体储存与缓冲罐；水合物反应器通过管道连接气体出口压力调节阀，气体出口压力调节阀通过管道连接气体储存与缓冲罐；气体储存与缓冲罐与气体循环压缩机连接，气体储存与缓冲罐和气体循环压缩机分别通过管道与气体冷却器连接；气体冷却器通过管道与水合物反应器连接；气体储存与缓冲罐还与H20/C02分离装置连接；
[0008]所述的C粉喷射装置包括腔体、喷嘴、后盖、C粉喷嘴、压缩蒸汽喷嘴、C粉输送管和压缩蒸汽输送管；腔体上端设有后盖，下端设有喷嘴；C粉喷嘴和压缩蒸汽喷嘴设置在腔体中，C粉喷嘴的位置较低于压缩蒸汽喷嘴；C粉输送管和压缩蒸汽输送管分别与C粉喷嘴和压缩蒸汽喷嘴连接；喷嘴与高温腔连接。
[0009]为进一步实现本发明目的，优选地，反应器内冷却器和H20/C02分离装置通过管道汇合后与水合物/H2O分离储存器连通的管道上设有压力调节阀和出口流量计。
[0010]优选地，水储罐与水合物反应器连接的管道上设有水栗、进口水流量计和低温水取样口。
[0011]优选地，水合物反应器连接气体出口压力调节阀的管道上设有气体出口流量计。
[0012]优选地，气体冷却器与水合物反应器连接的管道上设有气体进口流量计。
[0013]优选地，所述水合物反应器为水合物合成反应釜。
[0014]优选地，所述高温腔的腔体壁面高热流由外部热源提供，高温腔为反应介质C粉和0)2水合物提供反应场所。
[0015]应用所述冷却系统的工质可循环利用的冷却工艺，包括以下步骤:
[0016]I)水储罐中的水与气体储存与缓冲罐中的CO2气体在低温高压环境下于水合物反应器中被连续合成为0)2水合物，CO 2水合物随未反应的水一同流动，其中水来源于水合物反应器中经水合物/H2O分离储存器分离后未被利用的水以及来自&0/0)2分离装置的循环水，CO2气体来源于水合物反应器中未被利用的CO 2气体，CO2高压气瓶中的CO 2气体以及来自H20/C02分离装置中的循环CO2，一起被通入气体储存与缓冲罐25 ;
[0017]2)动力蒸汽由压缩蒸汽输送管通入，C粉在压缩蒸汽吹动下喷射入高温腔内；
[0018]3) 0)2水合物由CO 2水合物合成装置被栗入高温腔内，在高温腔内室温下便可吸热气化，气化后的H2O气体在常压下、温度在250°C以上与C粉发生吸热反应，气化后的0)2气体在常压下、温度在650°C以上与C粉发生吸热化学反应，气化吸热反应如下:
[0019]CO2.6H20(s)— CO 2{g)+6H20{g)；Q = 60.2kJ/mol(I)
[0020]C02(g)+C(s)—2C0 (g);Q = 172.5kJ/mol(2)
[0021]H20(g)+C{s)-H2{g)+C0(g)；Q = 131.3kJ/mol(3)
[0022]反应式(I)表示CO2水合物吸热分解成CO 2气体和H 20蒸汽；反应式(2)表示CO2气体与C粉发生吸热反应生成CO气体；反应式(3)表示H2O蒸汽与C粉发生另一吸热反应生成H2气体和CO气体；
[0023]4)高温腔中反应后气体通入气体分离装置，气体中的CO和H2经气体分离装置分离后储备为再次燃烧的能源，而0)2和H 20气体则被通入1120/0)2分离装置；
[0024]5)被气体分离装置分离后的CO和H2气体被通入燃烧室，在燃烧室中充分燃烧；
[0025]6)充分燃烧后的气态产物进入H20/C02分离装，以及来自气体分离装置的CO 2和H2O, —同被分离为H2O和CO2气体，分别进入CO 2水合物合成装置作为CO 2水合物合成所用原料，实现工质的循环利用。
[0026]优选地，所述的低温高压环境下的压力为2-5.5MPa，温度为1_4.5°C。
[0027]本发明的有益效果在于:
[0028]1、本发明利用可进行吸热反应冷却工质的化学热沉，移除热量高于纯水喷雾冷却的4-6倍，帮助实际生产过程中有类似高温腔这样即需降温又可废热再利用的场合进行快速冷却和废热回收；实现高温腔的冷却并使得冷却工质循环利用；
[0029]2、本发明中合成0)2水合物冷却工质的CO 2、H20均循环利用，全过程只需补充C粉和氧气，可实现冷却工质循环利用；
[0030]3、本发明利用冷却工质的化学吸热反应回收余热，生成热值更高的产物CO和H2,可燃烧释放热量作为动力能源，这样也实现了能量的循环利用。
【附图说明】
[0031]图1为工质可循环利用的冷却系统的结构示意图；
[0032]图2为图1中的0)2水合物合成装置的结构示意图；
[0033]图3为图1中的C粉喷射装置的结构示意图；
[0034]图中示出:0)2水合物合成装置1、C粉喷射装置2、高温腔3、气体分离装置4、燃烧室5、!120/0)2分离装置6、水合物反应器7、水合物/H2O分离储存器8、水合物栗9、水合物出口流量计10、低温水取样口 11、进口水流量计12、水栗13、第一排污阀14、水储罐15、压力调节阀16、出口流量计17、反应器内冷却器18、第二排污阀19、气体进口流量计20、气体冷却器21、安全阀22、0)2高压气瓶23、气体循环压缩机24、气体储存与缓冲罐25、放空阀26、气体出口压力调节阀27、气体出口流量计28、腔体29、喷嘴30、后盖31、C粉喷嘴32、压缩蒸汽喷嘴33、C粉输送管34、压缩蒸汽输送管35。
【具体实施方式】