吸热型碳氢燃料再生冷却性能评估方法

刘朝晖,宋晨阳,陈 强,封 凡,赵书军,胡申林,毕勤成

(1.西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室,陕西 西安 710049; 2.中国航天科工集团三十一研究所 高超声速冲压发动机技术重点实验室,北京 100074)

0 引言

近年来,超燃冲压发动机技术[1-4]在国内外得到大力发展。吸气式高超声速飞行器的热防护及热管理问题,是制约其发展的瓶颈问题[5-7]。“吸热型碳氢燃料”的概念是1971年提出[8],用来描述通过高温裂解吸收热量,对发动机表面或者燃烧室壁面进行再生冷却的碳氢燃料。再生冷却过程中,吸热型碳氢燃料流经发动机壁面小槽道,温度升高或发生吸热裂解反应,带走发动机的多余热量,实现发动机的热防护[9]。对于6Ma以上的超声速燃烧冲压发动机,近壁层的燃气温度可高达2 727 ℃以上[10-11]。再生冷却过程,燃料作为冷却剂被加热,可能经历(拟)液态、(拟)气态以及高温裂解,最高温度可达约750 ℃[12]。在不发生高温裂解的条件下,作为冷却剂的碳氢燃料JP-900最高工作温度约482 ℃[13],远低于高超声速飞行器再生冷却通道的出口燃料温度。

热沉和抗结焦性能是吸热型碳氢燃料的2个关键指标。8Ma的高超声速飞行器,要求燃料热沉达到3.5 MJ/kg。此时燃料温度达到约750 ℃。碳氢燃料高温裂解产生大量化学热沉,但同时伴随着结焦的发生[14-17]。结焦在微小冷却通道内产生,严重影响飞行器的安全：一方面,结焦减小流道流通面积,增加流阻,甚至堵塞流道使系统失效;另一方面,结焦相当于一层热阻,弱化甚至恶化燃料与冷却通道之间的流动换热。因为结焦的存在以及碳氢燃料在并联通道中的流量分配不均等问题[18],使得碳氢燃料的热沉利用受到限制。为充分利用碳氢燃料的热沉[19],优化再生冷却通道结构设计,近年来吸热型碳氢燃料的流动换热特性[20-22]、结焦特性[14-17]和高温高压热物性[23-25]得到广泛研究,但几乎不涉及针对燃料的热沉、结焦和换热性能进行的吸热型碳氢燃料再生冷却性能综合评估和筛选方法研究。

在碳氢燃料研制过程中,燃料的抗结焦性能是否满足要求，燃料在再生冷却结构内是否产生了大量结焦，结焦何时产生以及结焦量的多少,是评估结焦特性的主要参数。如何评估燃料的抗结焦性能、燃料的冷却能力以及流动换热特性是吸热型碳氢燃料再生冷却性能评估要解决的问题。本文在总结碳氢燃料流动换热与结焦特性的基础上,建立了吸热型碳氢燃料热沉、结焦和传热性能的综合评价体系,为研制吸热型碳氢燃料提供筛选方法和途径。

1 实验系统

吸热型碳氢燃料的再生冷却性能评价实验系统如图1所示。详细的实验系统介绍请参考文献[14-15]。试验段采用高温合金管,内径1.0 mm或2.0 mm,壁厚0.5 mm。通道长度可根据测试热流密度大小以及电加热阻抗匹配而定。试验段均采用低电压大电流交流电加热,热流沿通道轴向和周向均匀分布。试验段内表面热流密度范围：0.5～5.0 MW/m2。

燃料供给采用小流量计量泵。燃料进入试验段之前,流经科里奥利力质量流量计进行流量测量,流量大小直接通过计量泵控制。在试验段进出口,采用铠装热电偶测量燃料的流体温度。在试验段壁面点焊热电偶测量通道沿程壁面温度。通道的出口压力及通道压差采用压力压差表测量。出口燃料经冷却后,进入背压阀调节压力,之后排出试验系统。所有测试数据经IMP数据采集系统进入工控机。

图1 吸热型碳氢燃料再生冷却性能评估实验系统Fig.1 The experimental system for regenerative cooling performance evaluation of endothermic fuels

2 评估方法

2.1 热沉测量原理

热沉采用热平衡法测量。根据热力学第一定律能量守恒原理,达到热平衡时,燃料吸收的热量等于加热量减去散热损失。燃料的热沉计算式为

(1)

式中：Qm为燃料某温度下的质量热沉, kJ/kg;QUI为焦耳加热功率,W;Qloss为散热损失, W;m为质量流量, g/s。加热功率和质量流量为测量值,散热损失在热沉测量前标定得到。散热损失的标定精度对燃料热沉测量的不确定度影响很大。散热损失的标定,同样采取热平衡法。散热损失分为管道热损失和电加热极板热损失两部分。通过干烧法测量加装保温层的管道散热损失,将散热损失拟合成管道壁面温度与环境温度之差的多项式函数。干烧法,即在不通燃料的情况下,对试验段进行加热,达到热平衡时,加热功率等于散热损失。通过热补偿法测量电加热极板热损失,在试验段后增加保温绝热段(具有一定散热损失),给绝热段加一定功率,使绝热段进口流体温度和出口流体温度相等。绝热段的极板热损失等于加热功率减去管道热损失,管道热损失采用干烧法得到的散热损失函数关系式计算得到。将极板热损失拟合成流体温度的函数。

不同冷却结构中以及不同试验工况下(尤其是不同质量流量,不同加热功率),散热损失占总加热功率的比重不同,约5%～20%。在不同冷却结构热沉测试实验中,需针对特定冷却结构和试验工况进行具体的散热损失标定,以提高测量精度。

2.2 结焦评价的流动阻力法

碳氢燃料在小通道内的结焦考核主要采用流动阻力法[14]。流动阻力法是根据结焦前后测试通道的流动阻力变化,定量求取结焦测量通道内结焦层当量厚度的一种方法。流动阻力法的基本假设：结焦试验后,结焦层沿测试通道轴向和径向均匀分布。该假设带来一定误差,但是通过不同燃料的比较,能基本反映出结焦的严重程度[15]。

结焦实验前后,测试常温常压下不同质量流速,即不同雷诺数Re数下的流动阻力。在相对粗糙度Δ/D<0.05范围内,管内层流压降与粗糙度无关。应用定常不可压缩流体在水平均直管内的充分发展流动阻力公式,可以得到管道的达西摩擦阻力特性曲线,即莫迪图(摩擦系数与Re的关系图)，计算式为：

(2)

结焦前后,层流条件下,结焦导致管径变化,流通面积发生变化,使得流动阻力发生变化。如果试验后管径减小为原来的1/2,压降为试验前的16倍。通过测量试验前后压差的变化,可以得到结焦试验前后试验通道内径的变化,从而得到结焦层的当量厚度。

2.3 单通道内的流动换热

在试验段壁面沿着试验段长度方向布置热电偶,测量外壁温。在流体温度相同的条件下,外壁温越高,传热性能越差。且根据实际工程应用条件,流体温度750 ℃时,管道外壁温应控制在1 000 ℃以内,如果管道外壁温大量超过1 000 ℃,其换热性能将不能满足要求。在进行单管换热试验时,要求燃料在整个实验过程中能稳定运行,若存在幅度较大的试验参数(流体温度,壁面温度,系统压力,试验段压差等)波动,燃料的性能将不利于在实际工程中的应用,燃料的有效热沉将受到影响。

3 实验结果与讨论

3.1 燃料的热沉曲线

2种碳氢化合物(环己烷、正己烷)和2种吸热型碳氢燃料(EHF1、EHF2)在内径2 mm通道内的热沉测试结果如图2所示。测试压力为5 MPa,质量流量为1.0 g/s。4种燃料出口温度在600 ℃时 的热沉值约2.0 MJ/kg,出口温度为750 ℃时的热沉值约3.5 MJ/kg。燃料在600～750 ℃温度区间发生剧烈化学反应,化学热沉急剧增加,总热沉也迅速上升。

图2 4种燃料的单位质量热沉随温度变化趋势 Fig.2 The heat sink results with the increasing fueltemperature for four different fuels

3.2 结焦的流阻效应分析方法

在常温常压下,对结焦实验前后的冷却通道在不同流量下进行流阻测试,并绘制流阻曲线,如图3所示。其中横坐标H的计算方法如公式(2)所示,因为结焦试验前后流阻测试过程中,除了流体流量发生变化外,温度变化将导致流体的密度尤其是黏度发生较大变化,因此将质量流量、密度和黏度3个变量纳入1个参数H中,使得压差是H的比例函数,且多次测量拟合压差p(kPa)与参数H(kPa·mm4)直线的斜率slop[p-H]可直接用来计算结焦前后的管道内径

(3)

结焦前管道内径为1.830 mm,结焦后管道内径为1.663 mm,可推算结焦层厚度83.5m。

3.3 碳氢燃料流动换热结果的对比

图4为8种不同碳氢燃料(代号A-H)的壁温分布趋势,试验段内径1 mm,加热长度410 mm,出口压力3 MPa,燃料冷态流速约2 m/s。燃料G在550 ℃发生爆管,故无出口流体温度750 ℃的壁温数据。从图中可以看出,不同燃料的换热性能存在显著差异。出口流体温度300 ℃,不同燃料对应的壁面温度在入口附近的差异最大,达到约300 ℃。在入口附近,流体温度较低,沿着轴向壁温很快上升到整个试验段的壁温最大值,在此位置,最小换热温差约200 ℃,而最大换热温差达到约500 ℃。出口流体温度750 ℃,不同燃料在进口第一个热电偶处的差别达到250 ℃。在出口附近,个别燃料的壁面温度超过1 000 ℃,换热温差达到300 ℃,而换热好的燃料的壁面不到900 ℃,换热温差不到150 ℃,换热能力相差一倍。

4 结论

建立了吸热型碳氢燃料的再生冷却性能评价体系,对其热沉、结焦、和流动传热综合性能进行评估,并得到如下结论：

1)吸热型碳氢燃料热沉评估采用热平衡法。作为参考：流体温度600 ℃,燃料热沉约2.0 MJ/kg;流体温度750 ℃,燃料热沉约3.5 MJ/kg。

2)结焦对碳氢燃料在小通道内的流阻产生明显影响,层流条件下的流阻法可方便快捷地应用于碳氢燃料结焦严重程度的评估。

3)相同出口流体温度下的试验段壁温能很好地反映出不同燃料的换热性能差异。作为参考：燃料出口温度750 ℃,壁温不超过1 000 ℃。