一种吸热型燃料热沉的测试方法与流程

本发明属于热沉测试技术领域，涉及一种吸热型燃料热沉的测试方法。

背景技术：

吸热型燃料作为一种新型高能燃料，燃烧前可在飞行器高温部件表面进行物理和化学吸热，降低发动机等高温部件的表面温度，同时化学反应产生的高能小分子产物又通过在燃烧室里燃烧，释放出来裂解时吸收的热量，这样既解决了飞行器表面高温冷却的问题，又获得了燃烧性能较好的小分子燃料，从而提高能量的利用率。所谓热沉就是指吸热型碳氢燃料在一定的条件下，升温到某一指定温度时，物理吸热量(显热和潜热)和化学吸热量(燃料裂解所吸收热量)的总和。吸热型碳氢燃料裂解产物组分非常复杂，通过数值计算较难准确的获得燃料的热沉，如何准确地测定热沉对研制新型吸热型碳氢燃料及其在冷却结构得到广泛应用具有非常重要意义。

技术实现要素：

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种吸热型燃料热沉的测试方法，实现热沉准确测定，以对新型吸热型碳氢燃料及其在冷却结构的应用提供依据。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种吸热型燃料热沉的测试系统，其包括：实验管，其一端连接至储液罐，另一端连接至废液箱；实验管与储液罐之间的连接管路上设置质量流量计，测量流入实验管的被测燃料的质量流量；实验管外壁上设置有热电偶丝，实验管的两端分别设置加热极板，用于对实验管进行加热；实验管上设置温度传感器，实验管两端的加热极板上分别设置压力传感器，用于测量实验管的温度和实验管进出口处加热极板的电压降；通过实验管加热的加热电流、加热电压、质量流量计测得的质量流量、实验管加热管壁散热与加热极板散热耗散功率计算燃料热沉。

其中，所述储液罐与质量流量计之间的连接管路上设置有恒流泵。

其中，所述实验管至废液箱之间的连接管路上依次设置有孔板、过滤器和换热器，实验管流出的燃料经过孔板增压、过滤器过滤、换热器冷却后，再进入废液箱予以回收。

本发明还提供一种吸热型燃料热沉的测试方法，其包括以下步骤：

s1：获取待测燃料在实验管内被加热时的加热输入功率pin；

s2：获取流入实验管的燃料质量流量qm；

s3：计算燃料加热时的总耗散功率ploss；

s4：计算流体热沉δhs

按照下式进行计算：

所述步骤s1中，加热输入功率pin为：

pin＝uf×if

式中，uf为通燃料后加热电压，if为通燃料后加热电流。

所述步骤s3中，总耗散功率ploss为：

ploss＝ptube+pplate(7)

式中，ptube为加热管壁的总耗散功率，pplate为加热极板的耗散功率。

所述步骤s3中，总耗散功率ploss的计算过程如下：

s31：获取壁温t(x)下实验管单管的耗散功率pt(x)

对单管空管加热，分别测量两个加热极板的电压降，加热管壁温度恒定为t(x)时，单管加热管壁的耗散功率由下式确定：

pt(x)＝(ue-ue-in-ue-out)×ie(4)

式中，ue为电源的输入电压，ue-in为空管加热时进口处加热极板的电压降，ue-out为空管加热时出口处加热极板的电压降，ie为空管加热时电源的输入电流；

s32：获取加热管壁总耗散功率ploss

对单管空管进行加热，在实验单管沿程布置若干热电偶，当达到热平衡时可以得到单位长度的实验管的热耗散，距离入口x处的耗散功率，由下式求得：

式中，x是测试点距实验管入口处的距离，p(x)是距离入口x处的耗散功率，tx是距离入口x处的壁温，a、b为系数；

通过热耗散实验的方法拟合获得式(3)中的待定系数a、b；将式(4)除以△x，可以获得式(3)中的待定系数a、b；

式中，△x是距离实验管x处一小段距离，该段距离等于管长l除以热电偶个数；

加热管壁总耗散功率按下式进行计算：

式中：ploss是加热管壁总耗散功率，x是测试点距实验管入口处的距离。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的吸热型燃料热沉的测试方法，通过该方法快速和准确的获得吸热性碳氢燃料的热沉，将加热管壁耗散功率和加热极板耗散功率分开拟合，提高的吸热性碳氢燃料热沉的测试精度，为冷却结构的设计提供准确的数据支撑，为吸热性碳氢燃料的广泛应用提供足够的保障。

附图说明

图1为本发明实施例中实验系统结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明热沉测试的方法是利用电加热实验管内部流动的流体，根据能量守恒原理，电能转化为流体总焓值增量与系统耗散能量之和。通过对空管加热来标定出各温度下系统在单位时间内耗散能量，即可得到单位时间内管内流体焓值增量，依据流体的流量可以进一步计算得到单位质量该流体的总焓增量△hs，每单位质量流体的总焓增量△hs即为流体的热沉。

首先，本发明提供一种吸热型燃料热沉的测试系统，包括：实验管，其一端连接至储液罐，另一端连接至废液箱；实验管与储液罐之间的连接管路上设置质量流量计，测量流入实验管的被测燃料的质量流量；实验管外壁上设置有热电偶丝，实验管的两端分别设置加热极板，用于对实验管进行加热；实验管上设置温度传感器，实验管两端的加热极板上分别设置压力传感器，用于测量实验管的温度和实验管进出口处加热极板的电压降；通过实验管加热的加热电流、加热电压、质量流量计测得的质量流量、实验管加热管壁散热与加热极板散热耗散功率计算燃料热沉。

流体的热沉δhs可由下式给出

式中，pin是输入功率，ploss是总耗散功率，qm是质量流量。

从式(1)中可以看出，若获得热沉须知道总耗散功率ploss和输入功率pin，输入功率可由通燃料后实测的加热电压、电流计算得出，按下式计算：

pin＝uf×if(2)

式中，uf是通燃料后加热电压，if是通燃料后加热电流。

总耗散功率ploss则要通过实验得出的散热规律来进行计算。根据实际的实验条件可知，加热热损失是加热段向周围环境散发热量引起的。热损失量实际上由两部分组成，就是加热极板散热和加热管壁散热。由于加热管壁和加热极板在温度一定的情况下，向周围环境的散热条件比较固定，热损失量与加热管壁温度、加热极板温度有关。要通过实验的方法得出单位长度的加热管表面的热损失量和加热管壁温度的关系。

加热管壁散热规律的确定采用对空管进行加热，在实验单管沿程布置若干热电偶，当达到热平衡时可以得到单位长度的实验管的热耗散，距离入口x处的耗散功率，可由下式求得：

式中，x是测试点距实验管入口处的距离，p(x)是距离入口x处的耗散功率，tx是距离入口x处的壁温，a、b为系数。

为了获得式(3)中的待定系数a、b，需要通过热耗散实验的方法进行拟合。热耗散实验采用干烧法进行，采用低电压大电流加热等直圆管，可认为是全周均匀加热。在实验单管未注入流体的情况下加热空管，待外壁面热电偶的读数稳定后即可认为达到热平衡。实验发现高温合金钢管的轴向导热并不明显，除靠近加热极板处的热电偶读数较低外其余热电偶读数相差不大，进行结果处理时先除去两端热电偶，中间的热电偶则取平均值，这样在一个外壁温下就有一个对应的加热功率，即为该温度下的加热管壁耗散功率。采用这样处理的方式并未单独考虑加热极板的散热，而是将其并入实验单管的散热当中。高温时实验单管的散热主要通过对流换热和热辐射进行，这两种类型的换热均与表面积有较大关系，与单管相比，加热极板的表面积不能忽略，实验中靠近加热极板的热电偶读数较小也说明加热极板的散热与圆管有较大区别，将其并入圆管散热中可能会产生误差。

为使结果更加精确，对单管空管加热，分别测量了两个加热极板的电压降，将加热管壁散热与加热极板散热分开拟合。加热管壁温度恒定为t(x)时，单管的热耗散由下式确定：

pt(x)＝(ue-ue-in-ue-out)×ie(4)

式中，ue为空管加热时电源的输入电压，ue-in为空管加热时进口处加热极板的电压降，ue-out为空管加热时出口处加热极板的电压降，ie为空管加热时电源的输入电流。

将式(4)除以△x，可以获得式(3)中的待定系数a、b。

式中，△x是距离实验管x处一小段距离(等于管长l除以热电偶个数)。

加热管壁总耗散功率按下式进行计算：

式中，ptube是加热管壁总耗散功率，x是测试点距实验管入口处的距离，△x是距离实验管x处一小段距离(等于管长l除以热电偶个数)。处理实验结果时，由于在通流体后加热管壁温度分布很不均匀，使用温度测点的温度代表其附近一小段距离的加热管壁平均温度进行耗散功率计算。

总耗散功率ploss由两部分组成：

ploss＝ptube+pplate(7)

式中，pplate为加热极板的耗散功率，由下式给出：

pplate＝(uf-in+uf-out)×if(8)

式中，uf-in为通燃料后进口处加热极板的电压降，uf-out为通燃料后出口处加热极板的电压降，if为通燃料后电源的输入电流。

根据式(3)可以求得不同管壁温度下的热耗散，根据式(6)可以求得加热管壁总耗散功率，根据式(8)可以求得加热极板总耗散功率，根据式(7)可以求得总耗散功率，根据式(2)可以求得输入功率，再由式(1)求得燃料的热沉。

本实验所用实验系统如图1所示，燃料从储液罐流出后，经过恒流泵加压由质量流量计测量流量后进入实验段，实验段进出口装有铠装热电偶和压力与压差传感器，t用来测量温度，p用来测量压力，dp用来测量压差，从实验段流出的燃料经过孔板增压，然后经过过滤器过滤多余物，然后经换热器冷却后，再进入废液箱予以回收。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。