基于液态金属回路的碳氢燃料发动机冷却方法及系统与流程

1.本发明涉及一种发动机热端部件的冷却(或热防护)方法，特别涉及一种基于液态金属回路的碳氢燃料发动机冷却方法及系统。


背景技术：

2.在动力装置中，由于高速空气来流总温高、燃烧室内释放大量热量，导致发动机进气道、燃烧室、尾喷管等热端部件的温度很高，由于材料的耐热能力有限，需要采取有效地冷却(或热防护)。采用燃料作为冷源的再生冷却是一种应用较为广泛的冷却方法，即利用燃料在热端部件壁面内的冷却通道内升温、相变、甚至裂解吸收热量降低壁面温度，同时燃料本身吸热升温后燃烧能够提高热效率。
3.随着对动力装置性能和工作范围需求的提高，对碳氢燃料的热沉(吸热能力)的要求也越来越高。燃料热沉可分为物理热沉和化学热沉，物理热沉主要指燃料升温和相变吸收的热量，化学热沉指燃料进行裂解脱氢等化学反应吸收的热量。对于特定碳氢燃料，提高燃料换热量可通过提升燃料吸热后的温度或增加流量。但是现有的碳氢燃料直接在燃烧室冷却通道内换热裂解，高温下裂解会结焦析碳，使冷却通道堵塞并导致壁面烧穿，且不同换热通道内流量的不均匀使得大部分通道内并未充分利用燃料热沉；而提升燃料流量会陷入燃料换热冷却与燃烧放热的矛盾，同时燃料流量提高使得当量比提高，发动机的比冲性能也会降低。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于液态金属回路的碳氢燃料发动机冷却方法及系统。本发明方案能够解决上述现有技术中存在的问题。
5.本发明的技术解决方案：
6.根据一方面，提供一种基于液态金属回路的碳氢燃料发动机冷却系统，该系统包括：发动机热端壁面内的冷却通道、液态金属储箱、裂解换热器、第一驱动部和第二驱动部，所述液态金属储箱中存储有常温的液态金属，第一驱动部的入口与液态金属储箱的出口相连接，第一驱动部的出口与冷却通道相连接，第一驱动部用于驱动液态金属进入所述冷却通道内；所述裂解换热器具有热源/冷源出口、热源/冷源入口，所述热源入口与所述冷却通道出口相连接，所述冷源出口与液态金属储箱相连接，所述第二驱动部与所述冷源入口相连接，用于驱动液体碳氢燃料经所述冷源入口进入裂解换热器，其中，常温的液态金属进入所述冷却通道后在所述冷却通道内吸热升温并经所述热源入口进入裂解换热器，吸热升温后的液态金属与液态碳氢燃料在裂解换热器内进行换热，其中，液态金属放热降温并经冷源出口回流到所述液态金属储箱，液态碳氢燃料吸热升温发生相变、裂解生成燃料混合物，所述燃料混合物经热源出口输出。
7.进一步地，所述系统还包括燃料喷嘴，所述燃料喷嘴与热源出口相连接，其中，所述燃料混合物从裂解换热器的热源出口流出，经燃料喷嘴喷入燃烧室进行燃烧化学反应释
放能量。
8.进一步地，所述第一驱动部包括电磁泵，所述电磁泵用于将液态金属增压至一定压力后送入所述冷却通道内。
9.进一步地，所述电磁泵用于将液态金属增压至2～10mpa后送入所述冷却通道内。
10.进一步地，所述第二驱动部包括增压泵，所述增压泵用于将液态碳氢燃料增压后输送至裂解换热器的冷源入口。
11.进一步地，常温液态金属包括镓基、铋基金属或其合金。
12.根据另一方面，提供一种基于液态金属回路的碳氢燃料发动机冷却方法，该方法包括以下步骤：
13.将常温的液态金属放置于液态金属储箱中，利用第一驱动部将常温的液态金属送入发动机热端部件的冷却通道内，常温的液态金属在冷却通道内吸热升温后进入裂解换热器；
14.利用第二驱动部将液态碳氢燃料输送至裂解换热器内；
15.吸热升温后的液态金属与液态碳氢燃料在在裂解换热器内进行换热，液态金属放热降温并口回流到液态金属储箱；同时，液态碳氢燃料吸热升温发生相变、裂解生成燃料混合物并输出。
16.本发明与现有技术相比的有益效果：
17.本发明设计将碳氢燃料裂解过程转移至专用的裂解换热器中进行(现有技术在冷却通道内进行)，没有壁面内设计通道的限制，通过换热器设计一方面可以实现通道内燃油温度均匀分布，提升实际使用热沉，另一方面可以降低结焦析碳对设备的影响，进一步提高燃料使用温度，同时独立的裂解换热器也便于结焦部位的检测、清理与替换；此外，采用液态金属与液态碳氢燃料进行换热，液态金属导热率远高于碳氢燃料(约200倍)，体积热容为碳氢燃料的1.2～5倍，良好的换热性能有利于降低热端壁面的设计难度，降低发动机重量。
18.也即，本发明以液态金属作为高温壁面与碳氢燃料换热的中间媒介，利用液态金属回路在燃烧室壁面冷却通道内吸热升温，并在独立设计的裂解换热器内放热使燃料裂解，换热过程解耦后在裂解换热器内可以实现燃料升温均匀，获得燃料更高的实际使用热沉而不造成结焦堵塞，本发明解决了再生冷却发动机碳氢燃料在冷却通道内流量、温度分布不均导致的实际可用热沉不足的问题，进而解决发动机燃烧与冷却燃料量需求不一致的矛盾，提高了碳氢燃料发动机性能和工作域度。
附图说明
19.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步地理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1示出了根据本发明实施例提供的基于液态金属回路的碳氢燃料发动机冷却系统的结构示意图。
21.上述附图包括：
22.1-液态金属储箱；2-第一驱动部；3-裂解换热器；4-冷却通道；5-第二驱动部；6-燃
料喷嘴；7-氧化剂；8-热端壁面。
具体实施方式
23.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
25.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
26.在本发明的一个实施例中，根据一方面，提供一种基于液态金属回路的碳氢燃料发动机冷却系统，该系统包括：发动机热端壁面8内的冷却通道4、液态金属储箱1、裂解换热器3、第一驱动部2和第二驱动部5，所述液态金属储箱1中存储有常温的液态金属，第一驱动部2的入口与液态金属储箱1的出口相连接，第一驱动部2的出口与冷却通道4相连接，第一驱动部2用于驱动液态金属进入所述冷却通道4内；所述裂解换热器3具有热源/冷源出口、热源/冷源入口，所述热源入口与所述冷却通道4出口相连接，所述冷源出口与液态金属储箱1相连接，所述第二驱动部5与所述冷源入口相连接，用于驱动液体碳氢燃料经所述冷源入口进入裂解换热器3，其中，常温的液态金属进入所述冷却通道4后在所述冷却通道4内吸热升温并经所述热源入口进入裂解换热器3，吸热升温后的液态金属与液态碳氢燃料在裂解换热器3内进行换热，其中，液态金属放热降温并经冷源出口回流到所述液态金属储箱1，液态碳氢燃料吸热升温发生相变、裂解生成燃料混合物，所述燃料混合物经热源出口输出。
27.本实施例中，液态金属储箱1中存储液态金属，储箱出口与第一驱动部2入口连接，第一驱动部2出口连接发动机热端壁面8内的冷却通道4，冷却通道4出口连接裂解换热器3热源入口，裂解换热器3冷源出口与液态金属储箱1连接，构成液态金属的流体回路；液体碳氢燃料在第二驱动部5作用下进入裂解换热器3冷源入口，在裂解换热器3内吸热并进行裂解反应后从裂解换热器3冷源出口流出，然后喷入发动机燃烧室与氧化剂7燃烧。
28.本实施例中，裂解换热器3为一种管壳式换热器，其中，高温液态金属和液态碳氢燃料在裂解换热器3内进行换热，液态金属在管外放热降温，液态碳氢燃料在管内吸热后达
到400～850℃，经过相变、裂解反应后生成含碳量小于4的小分子烷烃和少量氢气的混合物。
29.应用上述配置方式，由于设计将碳氢燃料裂解过程转移至专用的裂解换热器中进行(现有技术在冷却通道内进行)，没有在壁面内设计通道的限制，通过换热器设计一方面可以实现通道内燃油温度均匀分布，提升实际使用热沉，另一方面可以降低结焦析碳对设备的影响，进一步提高燃料使用温度，同时独立的裂解换热器也便于结焦部位的检测、清理与替换；此外，采用液态金属与液态碳氢燃料进行换热，液态金属导热率远高于碳氢燃料(约200倍)，体积热容为碳氢燃料的1.2～5倍，良好的换热性能有利于降低热端壁面的设计难度，降低发动机重量。
30.也即，本发明实施例以液态金属作为高温壁面与碳氢燃料换热的中间媒介，利用液态金属回路在燃烧室壁面冷却通道内吸热升温，并在独立设计的裂解换热器内放热使燃料裂解，换热过程解耦后在裂解换热器内可以实现燃料升温均匀，获得燃料更高的实际使用热沉而不造成结焦堵塞，本发明解决了再生冷却发动机碳氢燃料在冷却通道内流量、温度分布不均导致的实际可用热沉不足的问题，进而解决发动机燃烧与冷却燃料量需求不一致的矛盾，提高了碳氢燃料发动机性能和工作域度。
31.在上述实施例中，为了实现燃料的燃烧，所述系统还包括燃料喷嘴6，所述燃料喷嘴6与热源出口相连接，其中，所述燃料混合物从裂解换热器3的热源出口流出，经燃料喷嘴6喷入燃烧室进行燃烧化学反应释放能量。
32.在上述实施例中，为了实现液态金属进入冷却通道4，所述第一驱动部2包括电磁泵，所述电磁泵用于将液态金属增压至一定压力后送入所述冷却通道4内。
33.较佳地，所述电磁泵用于将液态金属增压至2～10mpa后送入所述冷却通道4内。
34.在上述实施例中，为了将液态碳氢燃料送入裂解换热器3内，所述第二驱动部5包括增压泵，所述增压泵用于将液态碳氢燃料增压后输送至裂解换热器3的冷源入口。
35.在上述实施例中，为了保证更好的换热效果和安全性，所述常温液态金属在发动机工作环境温度范围内应为液态，没有或具有可控的毒性和腐蚀性，所述常温液态金属包括镓基、铋基金属或其合金。
36.根据另一实施例，提供一种基于上述系统的一种基于液态金属回路的碳氢燃料发动机冷却方法，该方法包括以下步骤：
37.步骤一、将常温的液态金属放置于液态金属储箱1中，利用第一驱动部2将常温的液态金属送入发动机热端部件的冷却通道4内，常温的液态金属在冷却通道4内吸热升温后进入裂解换热器3；
38.步骤二、利用第二驱动部5将液态碳氢燃料输送至裂解换热器3内；
39.步骤三、吸热升温后的液态金属与液态碳氢燃料在在裂解换热器3内进行换热，液态金属放热降温并口回流到液态金属储箱1(与箱内液态金属混合后进入下一个循环流程)；同时，液态碳氢燃料吸热升温发生相变、裂解生成燃料混合物并输出。
40.作为本发明一种具体实施例，该方法具体包括：
41.1)将常温液态金属放置于液态金属储箱1中，使用电磁泵将液态金属增压至2～10mpa后送入发动机热端部件的冷却通道4内；液态金属在冷却通道4内吸热升温，最高可升至热端部件材料的最高安全使用温度；
42.2)将液态碳氢燃料使用增压泵增压后输送至裂解换热器3冷源入口，将吸热升温后的液态金属输送至裂解换热器3热源入口；
43.3)高温液态金属和液态碳氢燃料在裂解换热器3内进行换热，液态金属放热降温，液态碳氢燃料吸热后在换热器通道内达到400～800℃，经过相变、裂解反应后生成含碳量小于4的小分子烷烃和少量氢气的混合物；
44.4)裂解后的燃料混合物从裂解换热器3热源出口流出，经燃料喷嘴6喷入燃烧室进行燃烧化学反应释放能量；
45.5)换热降温后的液态金属回流到液态金属储箱1，与箱内液态金属混合后进入下一个循环流程。
46.可见，该方法对碳氢燃料发动机热端部件进行冷却，解决了再生冷却发动机碳氢燃料在冷却通道内流量、温度分布不均带来的燃料热沉不能充分发挥的问题，进而解决发动机燃烧与冷却燃料量需求不一致的矛盾，提高碳氢燃料发动机性能和工作域度。
47.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
48.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
49.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。