一種液氧氣化器裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于直連式超聲速燃燒地面實驗平臺的氧化劑熱交換氣化裝置，其特征在于，氣化器外形呈長圓筒狀，布置有多根細圓管供液氧輸運使用，殼體內其余內部空間均供空氣流動，出口截面則有多個圓孔供氣態空氣通過；所述氣化器安裝于空氣主管道之后，空氧混合腔與丁烷燃燒加熱器之前，以使需要混合的空氣與液氧進行熱交換并使得后者氣化。此氣化裝置能夠滿足模擬高、中、低不同飛行馬赫數，不同總溫工況的不同比例與壓力流量的氧化劑氣化需求。本發明直接使用需要混合的空氣與液氧進行熱交換并使得后者氣化，不需要任何額外的外部工質或能量輸入進行輔助，簡便易行高效。
【專利說明】一種液氧氣化器裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種液氧氣化器設計裝置，尤其涉及一種用于直連式超聲速燃燒地面實驗平臺丁烷與氧氣燃燒加熱系統的液氧氣化器裝置和方法。
【背景技術】
[0002]為更好地開展超聲速燃燒沖壓發動機研究，需要建立長時間直聯式超聲速燃燒地面試驗平臺。作為此地面試驗平臺的重要組成部分，丁烷與氧氣燃燒加熱系統起到通過在其內部進行劇烈化學反應后所形成的產物高溫混合氣體以實現在地面模擬高空來流空氣的關鍵作用。為了在同一套丁烷燃燒加熱系統中模擬不同飛行工況的來流空氣，需要將純氧與空氣依照一定比例預先進行充分混合后形成富氧空氣，再與丁烷進行點火燃燒。由于液氧與高壓氣氧相比有更大的密度，儲存和運輸更加方便，操作也更加安全，因而使用液氧是一個很好的選擇。然而，液氧與空氣在進行混合前，需要經歷液滴破碎霧化蒸發等一系列復雜過程，霧化噴嘴設計目前還沒有特別成熟的理論，液氧與空氣混合的效果難以準確預測和把握，進而勢必影響到混合后的富氧空氣與丁烷進行燃燒的效果。如果考慮到不同工況的要求，情況將更加復雜，更加難以實現良好的空氧混合效果和后續的丁烷氧氣充分燃
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【發明內容】
[0003]針對目前液氧與空氣進行充分混合面臨的挑戰，本發明的目的在于提供一種用于丁烷與氧氣燃燒加熱系統的液氧氣化器設計方法和裝置，使用這套設計方法和氣化裝置，能夠充分保障液氧在與空氣進行預混前就在輸運管道內由過壓液態變成氣態，從而避免若不使用這套氣化裝置就必須采用的跨臨界霧化噴嘴所帶來的液滴破碎霧化蒸發等一系列復雜過程的不確定性，更有效地實現氧與空氣的充分混合，為富氧空氣與丁烷在燃燒加熱系統內進行高效充分的化學反應提供了堅實基礎。
[0004]具體地，本發明提出了一種用于丁烷與氧氣燃燒加熱系統的液氧氣化器裝置，其特征在于，氣化器外形呈長圓筒狀，布置有多根細圓管供液氧輸運使用，殼體內其余內部空間均供空氣流動，出口截面則有多個圓孔供氣態空氣通過；所述氣化器安裝于空氣主管道之后，空氧混合腔與丁烷燃燒加熱器之前，以使需要混合的空氣與液氧在混合前進行有效熱交換并使得后者完全氣化。
[0005]進一步地,所述氣化器的材料為不銹鋼，外層殼體直徑90mm,厚度為5mm。
[0006]進一步地,所述多根細圓管為84根,外徑4mm,厚度1mm。
[0007]進一步地，所述出口截面的多個圓孔為85個直徑4mm的圓孔。
[0008]本發明直接使用需要混合的空氣與液氧進行熱交換并使得后者氣化，不需要任何額外的外部工質或能量輸入進行輔助，簡便易行高效。本發明中的氣化器有效換熱長度1.2m，該氣化器在外層腔體內均勻放置84根細管，細長管道中通入液氧，腔體中通入空氣，通過對流換熱對液氧進行加熱；能夠將對應不同飛行工況的流量0.5-1.5Kg/s的液氧由-100°c左右迅速氣化，便于氧與空氣充分混合形成富氧空氣后與丁烷充分反應高效燃燒形成高焓氣體供實驗使用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1是氣化器結構示意圖；
[0010]圖2是氣化器安裝位置示意圖。
[0011]圖3是氣化器內不同液氧管道根數時，氣化長度的計算結果。
[0012]圖4是氣化器內不同液氧管道根數時，空氣與氧的溫度分布計算結果。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖對本發明提供的一種用于丁烷與氧氣燃燒加熱系統的液氧氣化器裝置的【具體實施方式】做詳細說明。
[0014]如圖1所示，氣化器外形呈長圓筒狀，材料為不銹鋼，外層殼體直徑90mm，厚度為5mm,實際供空氣通過腔體的直徑為80mm。總共布置有84根外徑4mm,厚度Imm的細圓管供液氧輸運使用，殼體內其余內部空間均供空氣流動，提供了足夠大的液氧與空氣的換熱面積以保證熱交換過程順利完成，液氧在出口前完全氣化；出口截面則有85個直徑4mm圓孔供氣態空氣通過，使得此處氧氣和空氣的通過面積比約為1:4。氧和空氣均沿流動方向同向流動進行換熱。能夠進行換熱的有效長度需要1.2m(以滿足大流量工況換熱需求)，并分段支撐。
[0015]如圖2所示，為直接使用需要混合的空氣與液氧進行熱交換并使得后者氣化，氣化器被安裝于空氣主管道①之后，空氧混合腔②與丁烷燃燒加熱器之前；其主要功能在于利用大流量常溫空氣來流對低溫的液氧進行加熱，令液氧在氣化器出口前就能完成氣化。
[0016]液氧的氣化過程主要受溫度和壓力的影響。上游液氧儲存罐內的液氧溫度為_90°C，經過輸運管道后進入氣化器入口時溫度上升到約_100°C。難以確定的是液氧管道內的工作壓力，它會隨著不同工況發生相應的變化，其變化范圍低于上游液氧泵的實際工作壓力，高于下游丁烷燃燒加熱系統的工作壓力，且主要受下游壓力影響。高馬赫數，高總溫(2100K)工況時，下游丁烷加熱系統的總壓能達到2.8MPa ;中馬赫數，中總溫(1650K)工況時，加熱系統總壓能達到1.0MPa ;低馬赫數，低總溫(1200K)工況時，加熱器系統總壓僅有0.68MPa。因此相應地，在高馬赫數時換熱器液氧入口壓力以4.0MPa,中馬赫數時換熱器液氧入口壓力以2.5MPa，低馬赫數時換熱器液氧入口壓力以2.0MPa來設計應該是比較合適的。這些壓力下分別對應液氧的安全氣化溫度是150K，138K和133K。若能夠用同一尺寸的氣化器同時滿足這三種工況下的工作需求，對氣化要求最高的顯然是4.0MPa, 150Κ的高馬赫數工況。因此需要針對這個工況開展具體參數化設計。
[0017]由于參數種類眾多，這里先根據管材常見尺寸暫時確定幾個參數范圍:細長換熱管尺寸可選范圍:Φ4-1，Φ5-1(對應內徑Dp分別為2、3mm)，數目60-120 ;氣化器外徑尺寸Φ80-Φ100。需要保證一定數目一定尺寸的細長冷卻管道能夠在一定外徑尺寸的安裝盤上均勻布置并且留有足夠空間給空氣通過、走氣以及安裝。圖例中0.5、1.0、1.5表示液氧流量，單位Kg/s。
[0018]從圖3和圖4分別可以發現，氣化長度隨液氧流量的減小而變短，氣化器出口的氧氣溫度隨液氧流量的減小而升高，當有效外徑80mm時,使用多于75根外徑4mm厚度Imm液氧通道的氣化器，能夠使得在所有工況下氣化長度都小于1.lm，因而將氣化器長度定為
1.2m(稍大于1.1m作為工程余量)是合適的。與此同時，氣化器出口的氧氣溫度能保證高于160K (滿足高于150K的設計要求)。綜合來看，使用長度1.2m,有效外徑80mm，具有多于75根外徑4mm厚度Imm液氧通道的氣化器設計可以滿足各工況要求。基于這一基本要求，最終給出如圖1的氣化器裝置具體設計。
[0019]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，在上述說明書的描述中提到的數值及數值范圍并不用于限制本發明，只是為本發明提供優選的實施方式，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種用于丁烷與氧氣燃燒加熱系統的液氧氣化器裝置，其特征在于，氣化器外形呈長圓筒狀，布置有多根細圓管供液氧輸運使用，殼體內其余內部空間均供空氣流動，出口截面則有多個圓孔供氣態空氣通過；所述氣化器安裝于空氣主管道之后，空氧混合腔與丁烷燃燒加熱器之前，以使需要混合的空氣與液氧在混合前進行有效熱交換并使得后者完全氣化。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述氣化器的材料為不銹鋼，外層殼體直徑90mm，厚度為5mm。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述多根細圓管為84根，外徑4_，厚度Imm0
4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述出口截面的多個圓孔為85個直徑4mm的圓孔。
【文檔編號】F17C9/02GK104197189SQ201410347497
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月21日 優先權日:2014年7月21日
【發明者】陸陽, 姚衛, 孟令瑾, 袁濤, 范學軍 申請人:中國科學院力學研究所