盐浴式煤油加热与裂解模拟试验系统的制作方法

本实用新型涉及超燃冲压发动机热管理与热防护应用研究试验领域，具体地涉及一种盐浴式煤油加热与裂解模拟试验系统。

背景技术：

高超声速飞行器的研制是当今航空航天领域发展的热点，已引起欧美、俄罗斯等国的高度重视。因为高超声速飞行中气流的高速度将给飞行器结构 (特别是燃烧室)带来显著的气动力热载荷，未经冷却的燃烧室温度可高达 3000K，完全超过已有结构材料的承受能力，所以设计高超声速飞行器的关键在于解决飞行器的热防护与热管理问题。吸热型碳氢燃料(主要指煤油) 因性能优异、来源广泛、价格低廉被选作为超燃冲压发动机的再生冷却剂。它除了利于其本身的物理热沉(显热和潜热)外，还可以利用其在气相条件下发生化学反应吸收热量(化学热沉)，即在进入燃烧室之前裂解为小分子产物，裂解过程吸收热量，因而其冷却能力大大增强。

超燃冲压发动机再生冷却系统里，燃料吸收大量热量后温度会上升到临界温度以上，燃料在冷却通道内的流动会经历液态、超临界态等状态，临界点附近燃料的热物理性质、输运特性的剧烈变化将使得其传热特性变得更为复杂。由于飞行马赫数和飞行阶段的不同，吸热型碳氢燃料在冷却通道出口的状态是持续变化的，其有可能是液态、超临界态或裂解态，不同的状态下的热流密度、冷却能力、裂解状态呈现出很大的不同。为了研制煤油再生冷却系统，需要在地面条件下发展一种用于加热煤油的模拟设备，以研究煤油在不同的换热通道热环境下的冷却换热、加热裂解、流动输运等性能。

文献《Catalytic Cracking of China No.3Aviation Kerosene under SupercriticalConditions》(AIAA 2008-5130)公开了一种超临界煤油传热和裂解研究三级加电加热系统方案。博士论文《超燃冲压发动机再生冷却通道内煤油流动与传热特性研究》(王宁，2014年)和《超燃冲压发动机再生冷却通道内热声不稳定特性研究》(王辉，2016年)公开了一种用于单管内煤油加热和流动的电加热方案。从公开的加热方式看，采用电阻加热方式实现对煤油输运管道的热环境模拟是一种煤油管道内流动和传热研究的传统解决方案。电加热方案可分为连续加热方式和蓄热式两种。连续电加热方案的瞬时功率要求较高，难以实现对大流量煤油的加热模拟，同时煤油输运管道必须采用良好电阻加热特性的发热管，电阻加热过程和煤油的换热过程相耦合，难以控制换热过程的恒温条件，加热过程温度分布不均匀。而且，只能对简单的圆管流动过程进行电加热模拟，无法模拟实际燃烧室换热流道的传热过程，直接影响着煤油流动换热和加热裂解成分数据的精确性。蓄热方式需要较大的加热体，采用固态蓄热体时，蓄热体对煤油管道的传热过程难以控制，结构设计难度大，制造加工周期长，成本高。

盐浴加热方案不受以上所述电加热工作过程的限制，是保持换热过程温度恒定特性、避免电加热和煤油换热过程相耦合的一条技术解决途径。采用适当熔点的熔盐配方，并保证在工作温度时的良好流动性，可使整个盐浴温度均匀，加热迅速、良好，且挥发较少，并可采取措施防止车间空气的污染。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的加热过程温度分布不均匀、传热过程难以控制、结构设计难度大等问题，提供一种盐浴式煤油加热与裂解模拟试验系统，该盐浴式煤油加热与裂解模拟试验系统充分利用熔盐比热容大、温度恒定、换热系数大的特点，可实现对煤油换热通道的恒定加热，避免了电加热系统和换热通道系统相互耦合作用对换热过程的影响；加热模拟对象不局限于传统的圆管型换热通道，可实现对具有实际燃烧室流道特点的各种异型流道的模拟加热；通过控制煤油的流动速度和煤油换热通道试验件长度，可控制煤油在加热区域的停留时间，实现对煤油加热裂解过程的精确控制；而且，结构设计简单。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种盐浴式煤油加热与裂解模拟试验系统，包括冷态煤油供应系统、熔盐浴池系统、煤油换热通道试验件、加热煤油处理系统、数据采集和控制终端；

所述冷态煤油供应系统、煤油换热通道试验件和加热煤油处理系统依次连接，所述煤油换热通道试验件穿过熔盐浴池系统；

所述冷态煤油供应系统用于控制煤油注入煤油换热通道试验件及煤油注入速度；

所述熔盐浴池系统用于快速稳定加热煤油换热通道试验件中的煤油；

所述煤油换热通道试验件是加热煤油的通道；

所述加热煤油处理系统用于对煤油加热前管路、加热过程中的产物的处理，以及煤油加热后进一步处理和分析；

所述数据采集和控制终端用于采集实验数据、控制煤油加热试验过程。

进一步地，所述冷态煤油供应系统包括煤油储罐、增压气管路、煤油供应管路、吹除氮气管路、结焦氧化空气管路；

所述煤油储罐分别与增压气管路、煤油供应管路连接；所述吹除氮气管路和结焦氧化空气管路分别与煤油供应管路连接；

所述煤油供应管路上设有第一阀门，吹除氮气管路上设有第二阀门，结焦氧化空气管路上设有第三阀门，所述煤油供应管路上还设有流量计，用于检测煤油的流速及流量。

进一步地，所述熔盐浴池系统包括盐浴池和可调功率电源加热系统；

所述可调功率电源加热系统包括多个电加热器，所述电加热器均匀设置在盐浴池内，用于对盐浴池加热。

进一步地，所述盐浴池上设有端盖，所述端盖上连接有挥发性废气风道。

进一步地，所述盐浴池上设有熔池搅拌器，用于保持盐浴池内的温度分布均匀，提高盐浴池向煤油换热通道试验件的换热速率。

进一步地，所述盐浴池内设有多个温度传感器Ⅰ，用于用于监测盐浴池内不同区域的温度

进一步地，所述盐浴池内设有多个绝热挡板，用于形成多个分立盐浴池，进行不同温度区域设置。

进一步地，所述煤油换热通道试验件包括但不限于圆形换热管；煤油换热通道试验件沿程设置有温度传感器Ⅱ和压力传感器，用于采集温度和压力数据。

进一步地，所述加热煤油处理系统包括真空泵组、喷注燃烧器、废液处理器、冷凝与气液分离器和成分分析仪；

所述真空泵组、喷注燃烧器、废液处理器和冷凝与气液分离器分别与煤油换热通道试验件管道连接，所述冷凝与气液分离器另一端连接成分分析仪；

所述真空泵组用于试验开始时将管路中的残留空气排空、防止空气与煤油的接触发生意外；

所述喷注燃烧器用于对加热后的煤油进行进一步的试验；

所述废液处理器用于将试验过程产生的废弃煤油及其产物进行无害处理；

所述成分分析仪用于对经过冷凝与气液分离器冷凝和分离处理后的煤油及其裂解产物进行化学成分分析。

进一步地，所述真空泵组的管路上设有第四阀门，喷注燃烧器的管路上设有第五阀门，废液处理器的管路上设有第六阀门，冷凝与气液分离器的管路上设有第七阀门。

通过上述技术方案，本实用新型的有益效果：

(1)充分利用浴盐比热容大、温度恒定、换热系数大的特点，可实现对煤油换热通道的恒定加热，避免了电加热系统和换热通道系统相互耦合作用对换热过程的影响；

(2)盐浴加热是一种间接加热方案，加热模拟对象不局限于传统的圆管型换热通道，可实现对具有实际燃烧室流道特点的各种异型流道的模拟加热；

(3)通过控制煤油的流动速度和调整煤油换热通道试验件长度，可控制煤油在煤油换热通道试验件内的停留时间，实现对煤油加热裂解过程的精确控制；

(4)通过配置浴盐的成分配比，可精确控制熔盐的氛围温度。通过将多个不同温区条件的盐浴池进行集成可实现煤油多温区的分段加热模拟。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的示意图。

附图标记说明

1 冷态煤油供应系统

11 煤油储罐 12 增压气管路 13 煤油供应管路

14 吹除氮气管路 15 结焦氧化空气管路

131 第一阀门 141 第二阀门 151 第三阀门

2 熔盐浴池系统

21 可调功率电源加热系统 211 电加热器

22 盐浴池

221 挥发性废气通道 222 温度传感器Ⅰ

23 绝热挡板 24 熔池搅拌器

3 煤油换热通道试验件

31 温度传感器Ⅱ 32 压力传感器

4 加热煤油处理系统

41 真空泵组 42 喷注燃烧器 43 废液处理器

44 冷凝与气液分离器 45成分分析仪

411 第四阀门 421 第五阀门 431 第六阀门

441 第七阀门

5 数据采集和控制终端

51 温度压力采集板卡

6 流量计

具体实施方式

在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指图中结构的位置关系。

如图1所示，一种盐浴式煤油加热与裂解模拟试验系统，包括冷态煤油供应系统1、熔盐浴池系统2、煤油换热通道试验件3、加热煤油处理系统4、数据采集和控制终端5；

所述冷态煤油供应系统1、煤油换热通道试验件3和加热煤油处理系统 4依次连接，所述煤油换热通道试验件3穿过熔盐浴池系统2；

所述冷态煤油供应系统1用于控制煤油注入煤油换热通道试验件3及煤油注入速度；

所述熔盐浴池系统2用于快速稳定加热煤油换热通道试验件3中的煤油；

所述煤油换热通道试验件3是加热煤油的通道；

所述加热煤油处理系统4用于对煤油加热前管路、加热过程中的产物的处理，以及煤油加热后进一步处理和分析；

所述数据采集和控制终端5用于采集实验数据、控制煤油加热试验过程。

所述冷态煤油供应系统1包括煤油储罐11、增压气管路12、煤油供应管路13、吹除氮气管路14、结焦氧化空气管路15；

所述煤油储罐11分别与增压气管路12、煤油供应管路连13接；所述吹除氮气管路14和结焦氧化空气管路15分别与煤油供应管路13连接；

所述煤油供应管路13上设有第一阀门131，吹除氮气管路14上设有第二阀门141，结焦氧化空气管路15上设有第三阀门151，所述煤油供应管路 13上还设有流量计6，用于检测煤油的流速及流量。

所述熔盐浴池系统2包括可调功率电源加热系统21和盐浴池22；

所述可调功率电源加热系统21包括多个电加热器211，所述电加热器均匀设置在盐浴池22内，用于对盐浴池22加热。

所述盐浴池22上设有端盖，所述端盖上连接有挥发性废气风道221。

所述盐浴池22上设有熔池搅拌器24，用于保持盐浴池22内的温度分布均匀，提高盐浴池22向煤油换热通道试验件3的换热速率。

所述盐浴池22内设有多个温度传感器Ⅰ222，用于监测盐浴池22内不同区域的温度。

所述盐浴池22内设有多个绝热挡板23，用于形成多个分支盐浴池，进行不同温度区域设置。

所述煤油换热通道试验件3包括但不限于圆形换热管；煤油换热通道试验件3沿程设置有温度传感器Ⅱ31和压力传感器32，用于采集温度和压力数据。

所述加热煤油处理系统4包括真空泵组41、喷注燃烧器42、废液处理器43、冷凝与气液分离器44和成分分析仪45；

所述真空泵组41、喷注燃烧器42、废液处理器43和冷凝与气液分离器44分别与煤油换热通道试验件3管道连接，所述冷凝与气液分离器44另一端连接成分分析仪45；

所述真空泵组41用于试验开始时将管路中的残留空气排空、防止空气与煤油的接触发生意外；

所述喷注燃烧器42用于对加热后的煤油进行进一步的试验；

所述废液处理器43用于将试验过程产生的废弃煤油及其产物进行无害处理；

所述成分分析仪45用于对经过冷凝与气液分离器44冷凝和分离处理后的煤油及其裂解产物进行化学成分分析。

所述真空泵组41的管路上设有第四阀门411，喷注燃烧器42的管路上设有第五阀门421，废液处理器43的管路上设有第六阀门431，冷凝与气液分离器44的管路上设有第七阀门441。

所述数据采集和控制终端5分别与流量计6、可调功率电源加热系统21 和温度压力采集板卡51无线连接，通过流量计6和温度压力采集板卡51采集流量、温度与压力数据，并控制可调功率电源加热系统21对盐浴池22加热。

试验开始时，首先将第四阀门411打开，开启真空泵组41将煤油管路中的残余空气排空。空气排空后，利用数据采集和控制终端5打开可调功率电源加热系统21，对盐浴池22内的熔盐进行预热熔化；待盐浴池22内的温度稳定后，方可开始煤油的供给程序，首先将打开第一阀门131，煤油在增压气管路12中增压气体的压力作用下向煤油换热通道试验件3中进行填充，煤油保持继续注入煤油换热通道试验件3内；待煤油换热通道试验件3内的煤油稳定流动后，煤油换热通道试验件3内形成了一个高温流动反应器，煤油在煤油换热通道试验件3内进行换热、裂解反应等过程，此过程中，可以通过控制增压气体的压力大小、第一阀门131开启程度和更换不同长度的煤油换热通道试验件3来精确控制煤油在煤油换热通道试验件3中的换热时间和加热裂解过程；随后，打开第七阀门441和第五阀门421且保持开启状态；在此过程中采集煤油换热通道试验件3沿程不同位置的温度和压力数据；其中，不同分支盐浴池中可以放入不同配比的熔盐，进行不同温度区域设置，实现煤油多温区的分段加热模拟。

试验完成后，首先关闭可调功率电源加热系统21和第一阀门131，并打开第二阀门141和第六阀门431，利用从吹除氮气管路14流入的氮气将管路中的残余煤油及其裂解产物吹入到废液处理器43进行处理，完毕后，打开第三阀门151，通入的空气能够将残留在煤油换热通道试验件3通道壁面上的碳结焦在高温下进行氧化并吹除；之后，再次打开第二阀门141，将管路中的残余空气完全吹出，并用氮气保护煤油换热通道试验件3内壁面，防止空气氧化；最后关闭第二阀门141和第六阀门431，待熔盐冷却后完成了煤油加热与裂解模拟试验的清理。

本实用新型中的熔盐采用中性盐浴用盐，主要包括氯化盐和硝酸盐两大类。氯化盐常用的有氯化钠、氯化钾，主要用于中温；氯化钡主要用于高温；硝酸盐常用的有硝酸甲、硝酸钠和亚硝酸钠，主要用于低温加热。

高、中温盐浴用盐的组成

低温盐浴用盐的成分和组成

以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于此。在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本实用新型所公开的内容，均属于本实用新型的保护范围。