一种开式CO2半布雷顿冷却及发电系统

摘要

本发明公开了一种开式CO2半布雷顿冷却及发电系统，该系统包括CO2储罐、微通道换热器、膨胀机和电力供给模块。通过CO2储罐向所述系统提供高压低温的亚临界区CO2；通过热耦合到高温壁面的微通道换热器将气动热转移至CO2实现冷却；通过膨胀机使所述超临界CO2进行膨胀，以产生输出功；通过电力供给模块将膨胀机的输出功转换为电能进行供给。所述CO2从所述高温壁面中吸收热量，用于膨胀做功，从而实现了热防护并向飞行器提供电能供应。本发明用于冷却高超声速飞行器上由气动热效应造成的高温壁面，并利用气动热进行发电，解决飞行器热防护不足和电能供给问题。

权利要求

1.一种开式CO2半布雷顿冷却及发电系统，其特征在于：包括CO2储罐、微通道换热器、膨胀机、减压阀、排气通道和发电机；所述CO2储罐存储处于亚临界状态的CO2，其温度低于CO2的临界温度，压力高于CO2的临界压力，所述膨胀机的工作介质为超临界CO2；所述CO2储罐与微通道换热器入口连接；用于带走微通道换热器的热量，所述微通道换热器固定嵌入在需要进行冷却的装置壁面中，与需要进行冷却的装置壁面形成一体式结构；在微通道换热器中亚临界状态的CO2被加热至超临界状态，所述微通道换热器出口与膨胀机入口连接，用于超临界CO2的膨胀做功；所述发电机与膨胀机同轴连接，将所述膨胀机的输出功转换为电能，输出至蓄电池；所述膨胀机出口与减压阀连接，超临界状态的CO2在减压阀中完成降压降温过程，所述减压阀与排气通道连接，排出降压降温后的CO2。

2.根据权利要求1所述的一种开式CO2半布雷顿冷却及发电系统，其特征在于：所述需要进行冷却的装置壁面包括飞行器头部表面或飞行器发动机进气通道壁面；装置壁面在飞行器飞行过程中被气流加热，产生气动加热效应；壁面的热量被微通道换热器的换热过程带走，壁面温度降低，达到冷却的目的。

3.根据权利要求1所述的一种开式CO2半布雷顿冷却及发电系统，其特征在于：所述膨胀机采用容积式膨胀机，包括活塞膨胀机和涡旋膨胀机。

4.根据权利要求1所述的一种开式CO2半布雷顿冷却及发电系统，其特征在于：所述CO2储罐的出口处安装节流阀，当CO2储罐内的温度不满足低于CO2的临界温度时，需要增大CO2储罐内压力，CO2储罐所排出的CO2通过所述节流阀进行降温降压，达到半布雷顿过程需求的温度和压力条件。

说明书

一种开式CO2半布雷顿冷却及发电系统

技术领域

[0001] 本发明涉及壁面热防护技术领域，尤其涉及一种开式CO2半布雷顿冷却及发电系统。

背景技术

[0002] 在热防护技术领域，由于强烈压缩和摩擦的作用，壁面处会产生严峻的气动加热效应，壁面的高温会对系统的运行产生严重影响。在壁面的热防护技术中，闭式布雷顿循环系统是目前主要的主动式冷却技术之一。闭式布雷顿循环包括等熵压缩过程、等压吸热过程、等熵膨胀过程和等压放热过程四个过程，且在四个过程中工作流体均处于超临界区，这对系统的设计和能量耦合提出了较高的要求，其冷却能力也有待进一步提高。同时，闭式布雷顿系统的运行部件多，管路复杂，因此其系统体积比较大。此外，闭式布雷顿系统的等压放热过程需要环境额外提供冷源来对系统的循环工质持续进行冷却。在循环工质中，CO2具有在近临界区物性变化十分剧烈的特点，从主动式冷却的目的出发，要考虑利用CO2跨临界过程的物性特点来设计新的布雷顿系统运行工况，提高冷却能力，同时简化系统的流程，减小系统的体积。

[0003] 飞行器在飞行过程中，由于强烈压缩和摩擦的作用，会产生严峻的气动加热效应，来流总温迅速提高，使得飞行器的多处壁面将处于恶劣的高温环境中。随着飞行器飞行马赫数提高，例如，当马赫数为5时，飞行器头部的来流温度将达到1000K以上，而发动机进气道和燃烧室的温度更是超过了3000K以上。现有的被动式热防护难以满足目前高超声速飞行器的热防护需求，需要开发更高效的主动冷却技术。同时，高超声速飞行器内部空间有限，对主动冷却系统的体积也存在严格的限制。另一方面，随着高超声速飞行器的发展，其机载设备的电力需求迅速增长。为了满足大型飞行器长航时飞行时的电力需求，提升飞行器的电力供给能力势在必行。

发明内容

[0004] 本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种开式CO2半布雷顿冷却及发电系统，进行主动冷却以及膨胀做功发电。本发明旨在充分利用CO2的物性变化特点，实现跨临界工况的等压吸热过程，提高其冷却能力，并且系统流程为开式流程，因此本发明系统流程称为半布雷顿过程，摒弃闭式布雷顿系统的等压放热和等熵压缩过程，简化系统的能量耦合问题和系统复杂度，减小系统体积。

[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种开式CO2半布雷顿冷却及发电系统，包括CO2储罐、微通道换热器、膨胀机、减压阀、排气通道和发电机；所述CO2储罐存储处于亚临界状态的CO2，其温度低于CO2的临界温度，压力高于CO2的临界压力，所述膨胀机的工作介质为超临界CO2；所述CO2储罐与微通道换热器入口连接；用于带走微通道换热器的热量，所述微通道换热器固定嵌入在需要进行冷却的装置壁面中，与需要进行冷却的装置壁面形成一体式结构；在换热器中亚临界状态的CO2被加热至超临界状态，所述微通道换热器出口与膨胀机入口连接，用于超临界CO2的膨胀做功；所述发电机与膨胀机同轴连接，将所述膨胀机的输出功转换为电能，输出至蓄电池；所述膨胀机出口与减压阀连接，超临界状态的CO2在减压阀中完成降压降温过程，所述减压阀与排气通道连接，排出降压降温后的CO2。

[0006] 进一步地，所述需要进行冷却的装置壁面包括飞行器头部表面或飞行器发动机进气通道壁面；装置壁面在飞行器飞行过程中被气流加热，产生气动加热效应；壁面的热量被微通道换热器的换热过程带走，壁面温度降低，达到冷却的目的。

[0007] 进一步地，所述膨胀机采用容积式膨胀机，包括活塞膨胀机和涡旋膨胀机。

[0008] 进一步地，所述CO2储罐的出口处安装节流阀，当CO2储罐内的温度不满足低于CO2的临界温度时，需要增大CO2储罐内压力，CO2储罐所排出的CO2通过所述节流阀进行降温降压，达到半布雷顿过程需求的温度和压力条件。

[0009] 本发明的有益效果：

[0010] 1、本发明提出了一种开式CO2半布雷顿冷却及发电系统，采用CO2半布雷顿过程对需要进行冷却的高温壁面进行主动式冷却，解决现有被动式热防护技术无法满足更高热负荷的问题。

[0011] 2、本发明所提出的半布雷顿过程的等压吸热过程采用CO2的跨临界工况，相比闭式布雷顿循环的冷却效率和冷却能力均有提升。相比于传统闭式布雷顿循环，本发明所提出的半布雷顿过程的冷却效率提升22％以上，单位质量CO2的冷却能力提高40.9％，单位体积CO2的冷却能力提高15.7％。

[0012] 3、本发明所提出的一种开式CO2半布雷顿冷却及发电系统，相比闭式布雷顿系统，其膨胀机入口工质的压力更高，提高了膨胀机的输出功，同时也能够提高系统的发电效率。

[0013] 4、本发明所提出的开式CO2半布雷顿系统不需要压缩机、冷却器和冷源环境，简化系统的能量耦合问题，减小系统体积，提高系统运行可靠性。

附图说明

[0014] 为了更清楚地说明本发明的具体实施方式，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。

[0015] 图1为本发明中CO2在近临界区的导热系数变化图；

[0016] 图2为本发明中CO2在近临界区的比定压热容变化图；

[0017] 图3为本发明中CO2半布雷顿开式过程的温熵示意图；其中(1)‑(2)为等压吸热过程；(2)‑(3) 为等熵膨胀过程；(3)‑(4)为节流降温降压过程；(0)‑(1)为等焓节流过程。(1’)‑(2’)为等压吸热过程；(2’)‑(3’)为等熵膨胀过程；(3’)‑(4’)为等压放热过程；(4’)‑(1’)为等熵压缩过程。

[0018] 图4为本发明中系统的流程示意图；

[0019] 图中，1‑CO2储罐、2‑微通道换热器、3‑高温壁面、4‑膨胀机、5‑减压阀、6‑排气通道、 7‑电力供给模块、8‑发电机、9‑蓄电池、10‑升压电路、11‑节流阀。

具体实施方式

[0020] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

[0021] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0022] 此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

[0023] CO2的临界温度约为304K，临界压力约为7.38MPa。CO2在近临界区的导热系数变化如图1所示，其变化特点为，在临界温度以下CO2的导热系数极高，在临界温度附近，导热系数迅速下降，而高温段的导热系数较低。同时，CO2的导热系数随着压力的升高而增大。导热系数越高，换热过程中的换热效率越高。CO2在微通道换热器2的等压吸热过程中，导热系数高代表其冷却高温壁面3时的冷却效率越高。传统闭式布雷顿循环中等压吸热过程的起点温度高于临界温度，平均导热系数较低，因此，降低等压吸热过程中CO2的温度，提高CO2的压力，能够提高主动式冷却过程的导热系数，即提高冷却效率。

[0024] CO2在近临界区的比定压热容变化如图2所示，其变化特点为，临界温度以下的比定压热容极大，而在高温段比定压热容有明显下降。压力越高，比定压热容变化的幅度越小。此外，在低温段，压力越高，比定压热容越小；而在高温段，压力越高，比定压热容越高。在低温段，由于CO2的比定压热容大，与高温来流的换热能保持较大的换热温差，能够提高冷却效率，因此降低等压吸热过程中CO2的温度能够提高主动式冷却过程的换热温差，即提高冷却效率。另一方面，压力较低时，比定压热容波动较大，不利于微通道换热器2内的温度匹配过程，并且在高温段CO2的比定压热容整体较低，综合来看，降低CO2在等压吸热过程中的温度，提高CO2的压力，有利于增大换热温差，即提高冷却效率。

[0025] 如图4所示，本发明提供的一种开式CO2半布雷顿冷却及发电系统，包括CO2储罐1、微通道换热器2、膨胀机4、减压阀5、排气通道6、发电机8；所述CO2储罐1存储处于亚临界状态的CO2，其温度低于CO2的临界温度，压力高于CO2的临界压力，所述膨胀机4的工作介质为超临界CO2；所述CO2储罐1与微通道换热器2入口连接；用于带走微通道换热器的热量，在换热器中亚临界状态的CO2被加热至超临界状态，所述微通道换热器2出口与膨胀机入口连接，用于超临界CO2的膨胀做功；所述发电机8与膨胀机4同轴连接，将所述膨胀机4的输出功转换为电能，输出至蓄电池9，蓄电池9可为飞行器等装置中某些部件进行电能供给；所述膨胀机出口与减压阀5连接，超临界状态的CO2在减压阀5中完成降压降温过程，所述减压阀5与排气通道6连接，排出降压降温后的CO2。相比于闭式布雷顿循环系统，本发明整体流程为开式流程，并且CO2状态产生了跨临界变化，因此本发明系统流程称为半布雷顿过程。

[0026] 所述微通道换热器2固定嵌入在高超声速飞行器头部表面或飞行器发动机进气通道的壁面上，与壁面形成一体式结构；所述壁面在飞行过程中被气流加热，产生气动加热效应；壁面的热量被微通道换热器2的换热过程带走，壁面温度降低，达到冷却的目的。采用膨胀机 4和发电机8以及蓄电池9的组合对飞行器的电力供给，能够在提高高超声速飞行器主动冷却系统的冷却效率的同时，提高飞行器的电力供给能力。

[0027] 实施例1：

[0028] 本发明所提出的一种开式CO2半布雷顿冷却及发电系统，用于高超声速飞行器头部表面或飞行器发动机进气通道的冷却；其温熵示意图如图3中红线(1)至(4)过程所示：CO2等压吸热过程的起点为(1)，处于亚临界区；CO2吸收高温壁面的气动热后到达(2)点，(2) 点处于CO2超临界区；随后CO2进行由(2)点到(3)点的等熵膨胀过程，对外输出膨胀功的同时，CO2的温度和压力下降；最后，CO2进行由(3)到(4)的等焓节流过程，温度和压力进一步下降，并排出至排气通道6中，完成一次工作过程。图3中蓝线所示为传统闭式布雷顿系统的温熵示意图，其主要区别为：等压吸热过程的(1’)点温度高于(1)点，且高于临界温度；等压吸热过程(1’)至(2’)的工作压力低于半布雷顿过程的(1)至(2)过程的工作压力；CO2膨胀做功到(3’)点状态后，闭式布雷顿系统的CO2需进入冷却器中完成由(3’)至(4’)的等压冷却过程，最后进入压缩机完成由(4’)至(1’)的等熵压缩过程，进而完成一次工作过程。

[0029] 本发明所提出的一种开式CO2半布雷顿冷却及发电系统，其系统流程图如图4所示：CO2储罐1内的CO2对应图3中的(1)点，所述CO2储罐1处于飞行器舱内的低温环境中，低温环境能够将所述CO2储罐内的温度冷却至低于CO2临界温度，所述CO2储罐1内的压力高于CO2临界压力。所述CO2储罐1与微通道换热器2相连接，所述微通道换热器2与高温壁面3耦合，用于带走高温来流的气动热。CO2在所述微通道换热器2中等压吸热经历跨临界过程，达到高温高压的状态，对应图3中的(2)点。所述微通道换热器2的出口与膨胀机 4相连接，高温高压的CO2进入所述膨胀机4中膨胀做功。4膨胀机与减压阀5相连，膨胀做功后的CO2，对应图3中(3)点，由所述膨胀机4出口排出后进入减压阀5中完成等焓节流过程，降温降压后的CO2，即图3中的(4)点，排出至排气通道6中，完成一次工作过程。所述膨胀机4与发电供给模块7相连。所述电力供给模块7包括发电机8、蓄电池9和升压电路10，所述发电机8与膨胀机4同轴连接，将所述膨胀机4的输出功转换为电能。由于高温来流气动热的间断性和不稳定性，所产生的电能会相应存在功率波动或间断性输出的问题，因此所述发电机8与蓄电池9相连，所述蓄电池9用于存储发电机8所产生的电能。所述蓄电池9与升压电路10相连接，当高超声速飞行器存在供电补给需求时，所述升压电路10用于将蓄电池中存储的电能根据供电需求进行升压供给。优选的，所述膨胀机采用容积式膨胀机，如活塞膨胀机、涡旋膨胀机。

[0030] 实施例2：

[0031] 当飞行器舱内无法提供低温环境，不能满足CO2储罐1内的存储温度低于临界温度时， CO2的存储温度受环境所限而高于半布雷顿过程中等压吸热过程的起点温度，在本实施例中设定存储温度为35℃。为了满足本发明中半布雷顿过程所要求的低温工况，在本实施例中，一种开式CO2半布雷顿冷却及发电系统增加了节流过程，节流过程能够通过降低一部分压力来得到更低的温度。本发明所提出的一种开式CO2半布雷顿冷却及发电系统，其温熵示意图如图3中红线(0)至(4)过程所示：CO2的起始状态点为(0)点，其对应的温度高于临界温度，对应的压力高于临界压力，并且高于(1)点压力，CO2处于超临界区；通过等焓节流过程，CO2的压力与温度迅速降低，温度能够降低到点(1)所对应的温度，即由(0)点等焓节流至(1)点，CO2处于亚临界区；节流后的CO2吸收高温壁面的气动热，完成等压吸热过程并到达(2)点，CO2处于超临界区；后续流程同实施例1。

[0032] 本发明所提出的一种开式CO2半布雷顿冷却及发电系统其系统流程图如图4所示：当飞行器舱内环境不存在低温环境，CO2储罐1内状态无法达到图3中(1)点所要求的状态时，采用提高CO2储罐1内部压力的方法，此时所述CO2储罐1内的状态对应图3中的(0)点，即所述CO2储罐1内温度高于CO2临界温度，压力高于CO2临界压力并且高于(1)点对应压力。所述CO2储罐1与微通道换热器2连接的管道上安装节流阀11，CO2储罐1所排出的 CO2通过所述节流阀11后温度和压力下降，使CO2的温度达到图3中(1)点对应的温度后排出进入微通道换热器2，后续流程同实施例1。

[0033] 上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。