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CN112377916A - 基于碳氢燃料深度裂解反应流的再生冷却系统与方法 - Google Patents

基于碳氢燃料深度裂解反应流的再生冷却系统与方法 Download PDF

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CN112377916A
CN112377916A CN202011250211.2A CN202011250211A CN112377916A CN 112377916 A CN112377916 A CN 112377916A CN 202011250211 A CN202011250211 A CN 202011250211A CN 112377916 A CN112377916 A CN 112377916A
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刘小勇
张枭雄
任鑫
李煜
胡申林
郭金鑫
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Beijing Power Machinery Institute
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Beijing Power Machinery Institute
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Abstract

本发明涉及一种基于碳氢燃料深度裂解反应流的再生冷却系统与方法,属于再生冷却技术领域。本发明能够最大限度利用碳氢燃料化学热沉热沉,有限实现极端热流条件下的壁面冷却过程;有效抑制碳氢燃料结焦沉积且可将焦炭颗粒排出系统之外,维护了系统可靠性,完全祛除了焦炭堵塞燃油管道的风险;该系统适应性强,可适用于任何采用碳氢燃料作为主动冷却介质的对象,可靠性高。

Description

基于碳氢燃料深度裂解反应流的再生冷却系统与方法
技术领域
本发明属于再生冷却技术领域,具体涉及一种基于碳氢燃料深度裂解反应流的再生冷却系统与方法。
背景技术
碳氢燃料的一种吸热反应—“深度裂解反应”是有望解决燃烧室壁面过热问题的有效手段,这种技术能在不增加额外设备的情况下实现对高热壁面的冷却,是一项极有前景的再生冷却技术。公开号为CN 106322436 A的中国专利公开了一种微通道再生冷却的微型燃烧室,通过在燃烧室热壁面上敷设燃油微型通道,实现了对燃烧室壁面的有效降温,同时受热后的燃料因发生热裂解反应生成了小分子可燃气体,有效改善了点火性能。
公开号为CN 106322436 A的中国专利中的不足之处在于:未声明燃油在高温裂解过程中的结焦沉积如何处理,文献[航空动力学报,2013,28(4):832-837]和[Journal ofEngineering for Gas Turbines and Power,2001,123:741-746]中均提到碳氢燃料(燃油)在高温下极易产生结焦,而结焦会堵塞微型通道,因此需要对燃油的高温结焦沉积进行处理,以保障再生冷却系统正常工作。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是:如何克服现有再生冷却技术中的缺陷,提供一种可稳定工作的再生冷却系统与系统,一方面可让碳氢燃料工作在较高温度下,充分发挥碳氢燃料的化学热沉优势;另一方面有效防止焦炭沉积,保持冷却流道工作正常,同时保证后续系统的工作稳定。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种基于碳氢燃料深度裂解反应流的再生冷却系统,包括燃料箱、燃料供给泵、入口集液腔、换热面板、出口集液腔、旋风分离器、积碳罐、高温燃气涡轮、燃气喷嘴;
所述燃料箱用于燃料储存设备;
所述燃料供给泵用于抽取燃料箱中储存的燃料;
燃料供给泵抽出的燃料注入所述入口集液腔中,所述入口集液腔内含有扰流装置用于燃料的均匀分配;
燃料经入口集液腔均匀分配后,流入所述换热面板中,并在换热面板中与其通道壁面间发生热交换过程,实现对通道壁面的冷却;
所述换热面板流道中部设有二次回流槽;燃料在换热面板中吸收热量后流入出口集液腔中;
从出口集液腔流出的高温燃油蒸汽流入旋风分离器6中,旋风分离器可将燃油蒸气中的焦炭颗粒分离出来;
所述积碳罐,用于收集从旋风分离器中分离出来的焦炭颗粒;
所述高温燃气涡轮,依靠燃油蒸气驱动,用于带动燃料供给泵及燃气喷嘴工作;
所述燃气喷嘴,其上面设置多组喷孔,用于实现燃油蒸气的喷射。
优选地,所述换热面板的流道中距离出口处1/3~1/5处涂覆惰性涂层。
优选地,所述二次回流槽的槽道的长度与流道的总长比例为1:50~1:100。
优选地,所述出口集液腔的截面面积与换热面板出口总面积按10:1~50:1进行设计。
优选地,所述旋风分离器的入口流速范围为5~20m/s。
优选地,所述积碳罐与旋风分离器的体积比为5:1~20:1。
优选地,所述高温燃气涡轮的入口流速为50~200m/s。
优选地,所述燃气喷嘴的喷孔总面积与喷嘴腔体最大处横截面的面积比为1:50~1:200。
优选地,所述换热面板的通道壁面为金属壁面。
本发明还提供了一种基于所述的系统实现的再生冷却方法,包括以下步骤:
所述燃料供给泵在高温燃气涡轮的驱动下,抽取燃料箱中储存的燃料;
燃料供给泵抽出的燃料注入所述入口集液腔中,所述入口集液腔内含的扰流装置实现燃料的均匀分配;
燃料经入口集液腔均匀分配后,流入所述换热面板中,并在换热面板中与其通道壁面间发生热交换过程,实现对通道壁面的冷却;
燃料在换热面板中吸收热量后流入出口集液腔中;
从出口集液腔流出的高温燃油蒸汽流入旋风分离器中,旋风分离器将燃油蒸气中的焦炭颗粒分离出来;同时所述积碳罐收集从旋风分离器中分离出来的焦炭颗粒;
所述燃气喷嘴实现燃油蒸气的喷射。
(三)有益效果
本发明能够最大限度利用碳氢燃料化学热沉热沉,有限实现极端热流条件下的壁面冷却过程;有效抑制碳氢燃料结焦沉积且可将焦炭颗粒排出系统之外,维护了系统可靠性,完全祛除了焦炭堵塞燃油管道的风险;该系统适应性强,可适用于任何采用碳氢燃料作为主动冷却介质的对象,可靠性高。
附图说明
图1为本发明的碳氢燃料深度裂解再生冷却系统组成图。
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。
本发明提供一种碳氢燃料深度裂解再生冷却系统及方法,一方面可让碳氢燃料工作在较高温度下,充分发挥碳氢燃料的化学热沉优势;另一方面有效防止焦炭沉积,保持冷却流道工作正常,同时,在冷却通道出口处设置旋风分离器,将高温燃气中的焦炭颗粒分离出来,保证后续系统的工作稳定。
图1给出了系统组成,该基于碳氢燃料深度裂解反应流的再生冷却系统由燃料箱1、燃料供给泵2、入口集液腔3、换热面板4、出口集液腔5、旋风分离器6、积碳罐7、高温燃气涡轮8、燃气喷嘴9九个部分组成,各部分的功能及连接顺序如下:
所述燃料箱1,用于燃料储存设备;
所述燃料供给泵2,用于抽取燃料箱1中储存的燃料,燃料供给泵2的动力来源于高温燃油蒸气驱动的涡轮;
燃料供给泵2抽出的燃料注入所述入口集液腔3中,所述入口集液腔3内含有扰流装置用于燃料的均匀分配;
燃料经入口集液腔3均匀分配后,流入所述换热面板4中,并在换热面板4中与其金属壁面间发生热交换过程,实现对通道壁面的冷却;换热面板4流道中距离出口处1/3~1/5处涂覆惰性涂层,以抑制高温结焦;
所述换热面板4流道中部设有二次回流槽,槽道的长度与流道的总长比例为1:50~1:100,有效保证第二段流量分配均匀;燃料在换热面板4中吸收热量后流入出口集液腔5中,其截面面积与换热面板4出口总面积按10:1~50:1进行设计;
从出口集液腔5流出的高温燃油蒸汽流入旋风分离器6中,旋风分离器6可将高温燃油蒸气中的焦炭颗粒分离出来,旋风分离入口流速范围5~20m/s;
所述积碳罐7,用于收集从旋风分离器6中分离出来的焦炭颗粒,该积碳罐7与旋风分离器6的体积比为5:1~20:1;
所述高温燃气涡轮8,依靠高温燃油蒸气驱动,用于带动燃料供给泵2工作,该涡轮入口流速为50~200m/s;
所述燃气喷嘴9,用于高温燃油蒸气的高速喷射,其上面设置多组喷孔,喷孔总面积与喷嘴腔体最大处横截面的面积比为1:50~1:200。
本发明中,燃料供给泵由高温燃气涡轮带动,高温燃气涡轮由高温燃油蒸汽进行,有效将燃油蒸汽的热能转变为了动能,提高了全系统能量利用效率;燃料入口集液腔内配置了扰流装置,该干扰源可有效保证各通道流量的均匀分配;换热面板流道中部设计了二次回流槽,该槽道长度与流道总长比例为1:50~1:100,有效保证第二段流量分配均匀;换热面板流道中距离出口处1/3~1/5处涂覆惰性涂层,可有效抑制碳氢燃料的高温结焦沉积,使得焦炭颗粒随高温燃气主流流出换热面板外;出口集液腔截面面积与换热面板出口总面积按10:1~50:1进行设计,可有效保证焦炭颗粒顺利从换热面板出口处流出;旋风分离器可将焦炭颗粒从高温燃油蒸汽中分离,其中,焦炭颗粒在离心力作用下向下沉积入积碳罐,高温气体旋流至高温燃气涡轮,驱动涡轮进行做功。
因此,本发明的系统能够最大限度利用碳氢燃料化学热沉热沉,有限实现极端热流条件下的壁面冷却过程;有效抑制碳氢燃料结焦沉积且可将焦炭颗粒排出系统之外,维护了系统可靠性,完全祛除了焦炭堵塞燃油管道的风险;该系统适应性强,可适用于任何采用碳氢燃料作为主动冷却介质的对象,可靠性高。
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。

Claims (10)

1.一种基于碳氢燃料深度裂解反应流的再生冷却系统,其特征在于,包括燃料箱、燃料供给泵、入口集液腔、换热面板、出口集液腔、旋风分离器、积碳罐、高温燃气涡轮、燃气喷嘴;
所述燃料箱用于燃料储存设备;
所述燃料供给泵用于抽取燃料箱中储存的燃料;
燃料供给泵抽出的燃料注入所述入口集液腔中,所述入口集液腔内含有扰流装置用于燃料的均匀分配;
燃料经入口集液腔均匀分配后,流入所述换热面板中,并在换热面板中与其通道壁面间发生热交换过程,实现对通道壁面的冷却;
所述换热面板流道中部设有二次回流槽;燃料在换热面板中吸收热量后流入出口集液腔中;
从出口集液腔流出的高温燃油蒸汽流入旋风分离器6中,旋风分离器可将燃油蒸气中的焦炭颗粒分离出来;
所述积碳罐,用于收集从旋风分离器中分离出来的焦炭颗粒;
所述高温燃气涡轮,依靠燃油蒸气驱动,用于带动燃料供给泵及燃气喷嘴工作;
所述燃气喷嘴,其上面设置多组喷孔,用于实现燃油蒸气的喷射。
2.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述换热面板的流道中距离出口处1/3~1/5处涂覆惰性涂层。
3.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述二次回流槽的槽道的长度与流道的总长比例为1:50~1:100。
4.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述出口集液腔的截面面积与换热面板出口总面积按10:1~50:1进行设计。
5.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述旋风分离器的入口流速范围为5~20m/s。
6.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述积碳罐与旋风分离器的体积比为5:1~20:1。
7.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述高温燃气涡轮的入口流速为50~200m/s。
8.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述燃气喷嘴的喷孔总面积与喷嘴腔体最大处横截面的面积比为1:50~1:200。
9.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述换热面板的通道壁面为金属壁面。
10.一种基于权利要求1至9中任一项所述的系统实现的再生冷却方法,其特征在于,包括以下步骤:
所述燃料供给泵在高温燃气涡轮的驱动下,抽取燃料箱中储存的燃料;
燃料供给泵抽出的燃料注入所述入口集液腔中,所述入口集液腔内含的扰流装置实现燃料的均匀分配;
燃料经入口集液腔均匀分配后,流入所述换热面板中,并在换热面板中与其通道壁面间发生热交换过程,实现对通道壁面的冷却;
燃料在换热面板中吸收热量后流入出口集液腔中;
从出口集液腔流出的高温燃油蒸汽流入旋风分离器中,旋风分离器将燃油蒸气中的焦炭颗粒分离出来;同时所述积碳罐收集从旋风分离器中分离出来的焦炭颗粒;
所述燃气喷嘴实现燃油蒸气的喷射。
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