耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统和方法

1.本发明涉及壁面热防护技术领域，具体涉及一种耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统和方法。


背景技术：

2.在飞行器热防护技术领域，飞行器的机身以及发动机在飞行过程中受到高温来流的加热作用而产生大量的气动热，壁面在气动加热效应下温度极高，对飞行器内部系统的运行产生严重影响，需要发展高效的壁面冷却技术。
3.此外，长航时、可重复使用成为未来飞行器发展的重要技术方向，这对飞行器的发电能力也提出更高的要求，发展高效的飞行器冷电联供系统成为未来飞行器发展的重要内容之一。
4.目前燃料是飞行器中唯一可用且有限的冷源。燃料作为冷却剂时存在温度上限，即当燃料温度超过约700℃时容易出现结焦积碳的问题，进而堵塞壁面冷却通道，削弱冷却效果。此外，燃料在储罐中为常温存储，存储温度一般为293k，因此，燃料的显热有限，以燃料显热作为飞行器冷电联供系统中的冷源热沉时，随着飞行器壁面温度的升高，冷却壁面所需的燃料流量逐渐增大，甚至超过飞行器推进所需的燃料流量，造成质量惩罚。当飞行器处于高温环境中时，燃料在储罐中的存储温度上升，使得燃料的显热热沉进一步减少，甚至无法使co2冷凝，导致基于热力循环的冷电联供系统存在冷凝困难的问题。
5.co2在近临界区具有密度大、比热容大、导热系数高等特点，采用co2作为冷电联供系统的循环工质，并将co2温度降至临界温度以下，有利于减小系统压缩功和系统体积。
6.公开号为cn 115539216 a的专利说明书公开了一种基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统，采用燃料和二氧化碳作为冷却剂，燃料吸收设备热载荷后与高温二氧化碳换热，升温后的燃料与低温二氧化碳换热。该专利技术采用回热器有助于提高循环热效率，与传统回热器中高低温二氧化碳直接换热相比，采用燃料作为中间介质，减小了回热器内冷热流体温差，避免了回热器内的夹点问题。
7.燃料的气化潜热相比显热更大，考虑到燃料是飞行器冷电联供系统中的唯一可用冷源，且存储温度对co2的冷凝影响较大，利用燃料节流后的潜热作为co2冷电联供系统的冷源，能够降低燃料的初始温度，并获得大量气化潜热，使得燃料能够将co2冷凝至临界温度以下，解决飞行器冷电联供系统冷凝困难的问题，提高系统的热效率和发电能力。


技术实现要素：

8.针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明提供了一种耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统和方法，利用燃料潜热的方式将co2的温度降低至临界温度以下，构建co2变布雷顿冷电联供系统，用以对高超声速飞行器中的高温壁面进行冷却，并利用高温热负荷进行发电，解决飞行器的冷电联供需求，以及有限燃料热沉下co2冷电联供系统冷凝困难的问题。
9.本发明进行主动冷却以及膨胀做功发电。本发明旨在充分利用有限燃料潜热以及co2的物性变化特点，实现变布雷顿循环，提高co2布雷顿系统单位质量工作流体的供冷量和输出功。
10.一种耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统，包括工质泵、预热器、回热器、壁面换热器、膨胀机、发电机、冷却器、冷凝器、压缩机、节流阀、燃料泵、燃料涡轮和燃料储罐；所述冷凝器为一个或串联的两个；所述节流阀设置在连接所述冷凝器的燃料入口和燃料储罐的燃料出口的管路上，用于将来自燃料储罐的燃料节流降压，使燃料达到气液两相状态，所述节流阀的数量与所述冷凝器的数量一致且一一对应；
11.工质泵、预热器、回热器、壁面换热器、膨胀机、回热器、冷却器、所述冷凝器依次连接构成二氧化碳循环回路；
12.燃料储罐、所述节流阀、所述冷凝器、压缩机、壁面换热器依次连接构成第一燃料管路；
13.燃料储罐、燃料泵、冷却器、预热器、壁面换热器、燃料涡轮依次连接构成第二燃料管路；
14.发电机与膨胀机连接，将膨胀机的输出功转换为电能。具体的，发电机与膨胀机可根据系统的具体空间布局选择为同轴或不同轴连接。
15.本发明的耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统的工作介质为co2；燃料储罐中的燃料在储罐出口处分流，分别与所述节流阀和燃料泵连接；一部分燃料通过所述节流阀进行节流降压，另一部分燃料通过燃料泵增压；所述节流阀与所述冷凝器相连接，燃料利用潜热在所述冷凝器中吸收co2的冷凝热负荷，随后进入压缩机；燃料泵与冷却器相连接，燃料在冷却器中与co2换热，随后进入预热器中将部分热量重新输入至工质泵出口的co2中，预热器出口的燃料与压缩机出口的燃料作为高温壁面的冷却剂进入壁面换热器中吸收高温壁面的热负荷；co2在工质泵的入口为温度和压力均低于临界点(临界温度304k，临界压力7.38mpa)的状态；工质泵出口与预热器二氧化碳入口连接，用于将高温燃料的热量输入至co2中；预热器二氧化碳出口与回热器高压侧入口连接；回热器高压侧出口与壁面换热器入口连接；co2作为高温壁面的冷却剂，在壁面换热器中吸收高温壁面的热负荷；壁面换热器的出口与膨胀机入口连接，用于将co2进行热功转换；发电机与膨胀机可根据系统的具体空间布局选择为同轴或不同轴连接，将膨胀机的输出功转换为电能；膨胀机出口与回热器低压侧入口相连，用于将膨胀机出口的co2热量输入至回热器高压侧的co2中；回热器低压侧出口与冷却器和所述冷凝器依次连接；所述节流阀与燃料储罐相连，用于将来自燃料储罐的一部分燃料节流降压，使燃料达到气液两相状态；燃料泵用于将来自燃料储罐的另一部分燃料增压至临界点压力以上后排出；所述冷凝器中的co2与所述节流阀出口的燃料进行换热，co2利用燃料气化潜热实现冷凝，并进入工质泵中。所述冷凝器的燃料出口与压缩机相连，燃料通过压缩机将压力提升至超临界状态，但仍低于预热器流出的燃料压力；冷却器中的燃料吸收co2的热负荷后温度升高，进入预热器中将部分热量输入至预热器内的co2中；预热器流出的燃料进入壁面换热器中，吸热升温后进入燃料涡轮中进行热功转换；压缩机流出的燃料进入壁面换热器中，吸热升温后直接进入燃烧室用于燃烧推进。
16.在一优选例中，所述的耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统，所述冷凝器、所述节流阀均为一个。
17.在一优选例中，所述的耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统，所述冷凝器、所述节流阀均为两个，所述第一燃料管路在两个所述节流阀前分流，在两个所述冷凝器的燃料出口汇合。
18.在一优选例中，所述的耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统，来自燃料储罐的燃料通过所述节流阀节流后达到温度低于co2冷凝温度的状态，然后在所述冷凝器中吸热后在所述冷凝器的燃料出口处达到饱和气相状态或过热气状态；压缩机出口处的燃料达到超临界状态；
19.来自燃料储罐的燃料在燃料泵出口处达到超临界状态；燃料泵出口的燃料压力高于压缩机出口的燃料压力，以免压缩机负荷过高。
20.在一优选例中，所述的耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统，壁面换热器的流道包括以压缩机出口的燃料作为冷却剂的流道、以预热器燃料出口的燃料作为冷却剂的流道和以co2作为冷却剂的流道，三种流道固定嵌入在需要进行冷却的高温壁面中，与需要进行冷却的装置壁面形成一体式结构。
21.进一步优选，所述高温壁面为飞行器发动机壁面和/或飞行器头部壁面。所述高温壁面在飞行过程中被高温来流加热并升温，壁面热量被所述流道内的燃料和co2带走，壁面温度降低，达到冷却的目的。
22.在一优选例中，所述的耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统，co2在冷却器二氧化碳出口处的温度高于临界温度(304k)，在所述冷凝器中被燃料冷凝至临界温度以下，在所述冷凝器的二氧化碳出口处为饱和或过冷的液态。
23.在一优选例中，冷却器中的燃料吸收二氧化碳的热负荷后温度升高，随后在预热器中将部分热量输入至预热器内的二氧化碳中，降低燃料进入壁面换热器的温度，提高co2的做功能力和循环热效率。本发明研究发现，预热器的设置以及预热器中燃料和二氧化碳换热的进行，虽对总热量影响不大，但能显著提高系统整体做功，二氧化碳温度更高，系统输出功率会更高。
24.在一优选例中，所述的耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统，膨胀机为容积式膨胀机，选自活塞膨胀机或涡旋膨胀机。
25.本发明还提供了一种耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供方法，采用所述的耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统，所述冷凝器、所述节流阀均为一个；
26.所述耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供方法包括：
27.燃料储罐流出的燃料一部分通过节流阀进行节流后，利用燃料潜热作为co2变布雷顿系统中冷凝过程的低温冷源，燃料在冷凝器吸收co2的冷凝热负荷后形成饱和气，通过压缩机增压至超临界状态；压缩机出口的燃料作为高温壁面的冷却剂进入壁面换热器中吸收高温壁面的热负荷，随后进入燃烧室中用于燃烧推进；
28.燃料储罐流出的另一部分燃料通过燃料泵增压至超临界状态后作为co2冷却过程的冷源，在冷却器中与co2换热，随后进入预热器中将部分热量重新输入至工质泵流出的co2中；预热器燃料出口的燃料作为高温壁面的冷却剂进入壁面换热器中吸收高温壁面的热负荷，随后这部分燃料进入燃料涡轮中进行膨胀和热功转换，从而利用高温燃料进行发电；
29.co2通过工质泵增压后在预热器、回热器和壁面换热器中吸热升温，随后进入膨胀机中进行热功转换输出电能，膨胀机出口的co2经过回热器、冷却器和冷凝器，被冷凝后进
入工质泵中，完成一次工作循环。
30.本发明又提供了一种耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供方法，采用所述的耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统，所述冷凝器、所述节流阀均为两个，所述第一燃料管路在两个所述节流阀前分流，在两个所述冷凝器的燃料出口汇合；
31.所述耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供方法包括：
32.燃料储罐流出的燃料分为三部分，一部分燃料通过第一节流阀进行节流后温度降低至低于二氧化碳冷凝温度的状态，并进入第一冷凝器中将二氧化碳冷凝至饱和液状态，一部分燃料通过第二节流阀进行节流后温度降低至低于第二冷凝器的二氧化碳出口温度，并进入第二冷凝器中将第一冷凝器二氧化碳出口的饱和液相二氧化碳进一步降温至过冷液相状态，另一部分燃料通过燃料泵增压至超临界状态后进入冷却器；
33.燃料在第一冷凝器、第二冷凝器中吸热后均达到饱和液相状态，第一冷凝器、第二冷凝器流出的燃料混合后进入压缩机增压至超临界压力，随后进入壁面换热器中，作为壁面冷却剂吸收热负荷，最后在壁面换热器的燃料出口流出后直接进入燃烧室中用于燃烧推进；
34.冷却器流出的燃料在吸热后温度较高，进入预热器中将部分热量输入至预热器内的co2中；预热器的燃料出口与壁面换热器连接，预热器流出的燃料在壁面换热器中吸热升温后进入燃料涡轮中进行热功转换输出电能；
35.co2通过工质泵增压后在预热器、回热器和壁面换热器中吸热升温，随后进入膨胀机中进行热功转换输出电能，膨胀机出口的co2经过回热器、冷却器、第一冷凝器和第二冷凝器，被冷凝后进入工质泵中，完成一次工作循环。
36.本发明与现有技术相比，有益效果有：
37.1、本发明提出了一种耦合燃料潜热的co2变布雷顿冷电联供系统和方法，利用燃料节流后的潜热实现co2的冷凝，构建了co2变布雷顿循环冷电联供系统，解决了在有限燃料热沉背景下飞行器冷电联供系统中目前存在的冷凝困难问题。
38.2、本发明所提出的一种耦合燃料潜热的co2变布雷顿冷电联供系统和方法，采用燃料分流的方式，提高了燃料与co2的换热匹配性，从而减少了co2冷却和冷凝过程所需的燃料流量。相比利用燃料显热的co2变布雷顿循环，本发明所提出的一种耦合燃料潜热的co2变布雷顿冷电联供系统，可将系统中co2与燃料的流量比由0.15提高至1.14，冷却过程的平均换热温差降低106k，燃料热沉的高效利用可减少飞行器冷却燃料携带过多造成的质量惩罚问题，符合高超声速飞行器的轻量紧凑化发展。
39.流量比定义如下：
[0040][0041]
其中，为co2的质量流量，单位为kg/s；q
m,f
为燃料的质量流量，单位为kg/s。
[0042]
3、本发明所提出的一种耦合燃料潜热的co2变布雷顿冷电联供系统和方法，在有限燃料热沉背景下实现了co2的冷凝，减少了co2的压缩功；增加了燃料与co2在预热器中的进一步耦合，使得co2在膨胀机中的做功能力提高。在燃料存储温度为318k的条件下，高温壁面温度在950～1600k的范围内，相比于传统co2回热布雷顿循环，耦合燃料潜热的co2变布雷顿冷电联供系统的单位质量工作流体发电量提高了1.6％～12.0％，同时降低了燃料进
入壁面换热器的温度，提高了燃料的冷却能力。
[0043]
4、本发明所提出的一种耦合燃料潜热的co2变布雷顿冷电联供系统和方法，将燃料在冷凝器入口进一步分流，燃料节流降温后分别在第一冷凝器和第二冷凝器中吸收co2热负荷，提高了co2在工质泵入口的过冷度，并优化了co2与燃料的换热匹配性；改善了co2过冷度较大时，在单一冷凝器中消耗燃料流量较大以及与co2换热不匹配的问题；增加了燃料与co2在预热器中的进一步耦合，使得co2在膨胀机中的做功能力提高。在燃料存储温度为318k的条件下，高温壁面温度在950～1600k的范围内，相比于传统co2回热布雷顿循环，耦合燃料潜热的co2变布雷顿冷电联供系统的单位质量工作流体发电量提高了5.6％～21.5％，同时降低了燃料进入壁面换热器的温度，提高了燃料的冷却能力。
附图说明
[0044]
图1为实施例1的耦合燃料潜热的co2变布雷顿冷电联供系统及其工作流程示意图；
[0045]
图2为实施例1的co2变布雷顿冷电联供系统的冷凝器与冷却器内流量比变化图；
[0046]
图3为实施例1的co2变布雷顿冷电联供系统单位质量工作流体发电量的对比图；
[0047]
图4为实施例1的co2变布雷顿冷电联供系统热效率在不同燃油存储温度下的变化图；
[0048]
图5为实施例2的耦合燃料潜热的co2变布雷顿冷电联供系统及其工作流程示意图；
[0049]
图6为实施例2的co2变布雷顿冷电联供系统单位质量工作流体发电量的对比图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
[0051]
实施例1
[0052]
co2的临界温度约为304k，临界压力约为7.38mpa。co2临界点以下的密度和比热容较高，降低co2在循环中的最低温度能够减少压缩过程耗功，并提高co2在高压侧的冷却能力。利用燃料显热对co2进行冷凝的co2变布雷顿系统，其冷凝过程所消耗的燃料流量较大，并且对燃料的存储温度要求较高，当燃料存储温度高于co2冷凝温度时，燃料无法满足co2变布雷顿冷电联供系统的冷凝要求，即存在冷凝困难的问题。
[0053]
本实施例采用如图1所示的燃料分流方式，由于燃料吸热生成裂解气所含组分较多，其流动和热力学特性的计算复杂，一般采用正癸烷代替，因此本实施例中以正癸烷代替燃料进行分析。利用燃料潜热对co2进行冷凝，利用燃料显热对co2进行冷却。当co2在冷却器7中温度降低后，进入冷凝器8中将热负荷传递至两相状态的燃料中，实现变布雷顿循环。
[0054]
一种耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统，如图1所示，包括工质泵1、预热器2、回热器3、壁面换热器4、膨胀机5、发电机6、冷却器7、冷凝器8、压缩机12、节流阀10、燃料泵11、燃料涡轮13和燃料储罐9。
[0055]
节流阀10设置在连接冷凝器8的燃料入口和燃料储罐9的燃料出口的管路上，用于将来自燃料储罐9的燃料节流降压，使燃料达到气液两相状态。
[0056]
工质泵1、预热器2、回热器3、壁面换热器4、膨胀机5、回热器3、冷却器7、冷凝器8依次连接构成二氧化碳循环回路。
[0057]
燃料储罐9、节流阀10、冷凝器8、压缩机12、壁面换热器4依次连接构成第一燃料管路。
[0058]
燃料储罐9、燃料泵11、冷却器7、预热器2、壁面换热器4、燃料涡轮11依次连接构成第二燃料管路。
[0059]
发电机6与膨胀机5可根据系统的具体空间布局选择为同轴或不同轴连接，将膨胀机5的输出功转换为电能。
[0060]
来自燃料储罐9的燃料通过节流阀10节流后达到温度低于co2冷凝温度的状态，然后在冷凝器8中吸热后在冷凝器8的燃料出口处达到饱和气相状态或过热气状态。压缩机12出口处的燃料达到超临界状态。
[0061]
来自燃料储罐9的燃料在燃料泵11出口处达到超临界状态。
[0062]
燃料泵11出口的燃料压力高于压缩机12出口的燃料压力。
[0063]
壁面换热器4的流道包括以压缩机12出口的燃料作为冷却剂的流道、以预热器2燃料出口的燃料作为冷却剂的流道和以co2作为冷却剂的流道，三种流道固定嵌入在需要进行冷却的高温壁面中，与需要进行冷却的装置壁面形成一体式结构。
[0064]
所述高温壁面可为飞行器发动机壁面和/或飞行器头部壁面。所述高温壁面在飞行过程中被高温来流加热并升温，壁面热量被所述流道内的燃料和co2带走，壁面温度降低，达到冷却的目的。
[0065]
co2在冷却器7二氧化碳出口处的温度高于临界温度，在冷凝器8中被燃料冷凝至临界温度以下，在冷凝器8的二氧化碳出口处为饱和或过冷的液态。
[0066]
膨胀机5可为容积式膨胀机，具体可选自活塞膨胀机或涡旋膨胀机。
[0067]
采用上述耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统进行耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供方法，包括：
[0068]
燃料储罐9流出的燃料一部分通过节流阀10进行节流后，利用燃料潜热作为co2变布雷顿系统中冷凝过程的低温冷源，燃料在冷凝器8吸收co2的冷凝热负荷后形成饱和气，通过压缩机12增压至超临界状态；压缩机12出口的燃料作为高温壁面的冷却剂进入壁面换热器4中吸收高温壁面的热负荷，随后进入燃烧室中用于燃烧推进；
[0069]
燃料储罐9流出的另一部分燃料通过燃料泵11增压至超临界状态后作为co2冷却过程的冷源，在冷却器7中与co2换热，随后进入预热器2中将部分热量重新输入至工质泵1流出的co2中；预热器2燃料出口的燃料作为高温壁面的冷却剂进入壁面换热器4中吸收高温壁面的热负荷，随后这部分燃料进入燃料涡轮13中进行膨胀和热功转换，从而利用高温燃料进行发电；
[0070]
co2通过工质泵1增压后在预热器2、回热器3和壁面换热器4中吸热升温，随后进入膨胀机5中进行热功转换输出电能，膨胀机5出口的co2经过回热器3、冷却器7和冷凝器8，被冷凝后进入工质泵1中，完成一次工作循环。
[0071]
如图2所示，当燃料在储罐中的存储温度升高时，冷却co2所需的燃料流量增加，冷却器7和冷凝器8中的流量比降低。相比于利用燃料显热的co2变布雷顿冷电联供系统，本实施例所提出的耦合燃料潜热的co2变布雷顿冷电联供系统，在燃料存储温度由293k升高至
298k时，冷凝器中二氧化碳与燃料的流量比由0.15提高至1.96；随着燃料存储温度逐渐升高，利用燃料显热的co2变布雷顿冷电联供系统已无法实现co2的冷凝，但本发明所提出的耦合燃料潜热的co2变布雷顿冷电联供系统能够适应更高的燃料存储温度，在293～333k的燃料存储温度范围内能够实现co2的冷凝，冷凝器中的流量比由0.15升高至1.96后降低至1.52，相比于利用燃料显热的co2变布雷顿冷电联供系统，在减少燃料流量消耗方面仍然具有优势。
[0072]
如图3所示，实施例1的耦合燃料潜热的co2变布雷顿冷电联供系统相比于传统布雷顿系统的压缩功显著减少，通过增加燃料与co2在预热器中的耦合过程，co2在膨胀机中的做功能力得到提高。在燃料存储温度为293～318k的范围内，本实施例所提出的耦合燃料潜热的co2变布雷顿冷电联供系统的发电能力具有优势。在燃料存储温度为318k的条件下，高温壁面温度在950～1600k的范围内，本实施例的系统单位质量工作流体发电量相比传统回热布雷顿系统提高了1.6％～12.0％。
[0073]
如图4所示，在燃料存储温度为293～318k之间，实施例1的耦合燃料潜热的co2变布雷顿冷电联供系统的热效率相比传统回热布雷顿系统提高了0.05％～14.62％。当燃料存储温度从293k增加至298k，燃料额外增加的压缩功使得变布雷顿系统的热效率从32.8％降低到19.2％，但相比于回热布雷顿系统仍然具有优势。
[0074]
实施例2
[0075]
提高co2在工质泵1入口的过冷度能够进一步减小co2的压缩功，但对燃料的温度要求也随之提高。当co2的过冷度较大时，燃料节流后所需的温度进一步降低，两相态的燃料直接与过冷液态的co2的换热则燃料的流量消耗增大，换热匹配性变差。
[0076]
针对co2的过冷度较大的情况，本发明提出实施例2的耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统，与实施例1类似，如图4所示，区别在于冷凝器、节流阀均为两个，第一燃料管路在两个节流阀前分流，在两个冷凝器的燃料出口汇合。
[0077]
其工作过程大致与实施例1类似，具体的：
[0078]
燃料储罐9流出的燃料分为三部分，一部分燃料通过第一节流阀10进行节流后温度降低至比二氧化碳冷凝温度低1℃以上，并进入第一冷凝器8中将二氧化碳冷凝至饱和液状态，一部分燃料通过第二节流阀14进行节流后温度降低至低于第二冷凝器15的二氧化碳出口温度，并进入第二冷凝器15中将第一冷凝器8二氧化碳出口的饱和液相二氧化碳进一步降温至过冷液相状态，另一部分燃料通过燃料泵11增压至超临界状态后进入冷却器7；
[0079]
燃料在第一冷凝器8、第二冷凝器15中吸热后均达到饱和液相状态，第一冷凝器8、第二冷凝器15流出的燃料混合后进入压缩机12增压至超临界压力，随后进入壁面换热器4中，作为壁面冷却剂吸收热负荷，最后在壁面换热器4的燃料出口流出后直接进入燃烧室中用于燃烧推进；
[0080]
冷却器7流出的燃料在吸热后温度较高，进入预热器2中将部分热量输入至预热器2内的co2中；预热器2的燃料出口与壁面换热器4连接，预热器2流出的燃料在壁面换热器4中吸热升温后进入燃料涡轮13中进行热功转换输出电能；
[0081]
co2通过工质泵1增压后在预热器2、回热器3和壁面换热器4中吸热升温，随后进入膨胀机5中进行热功转换输出电能，膨胀机5出口的co2经过回热器3、冷却器7、第一冷凝器8和第二冷凝器15，被冷凝后进入工质泵1中，完成一次工作循环。
[0082]
如图5所示，实施例2的耦合燃料潜热的co2变布雷顿冷电联供系统，为了进一步降低co2压缩功而提高了co2在工质泵入口的过冷度，为了同时保证co2与燃料的换热匹配性，实施例2增加了第二冷凝器15并将燃料再次分流。分流后一部分燃料在第一冷凝器8中将co2冷凝至饱和液态，一部分燃料进入第二冷凝器15将co2由饱和液态降温至过冷液态。
[0083]
如图6所示，进一步降低了co2的压缩功后，本实施例所提出的耦合燃料潜热的co2变布雷顿冷电联供系统，通过燃料在冷凝器入口进一步的分流，在提高co2过冷度的同时优化了co2与燃料的换热匹配，进一步提高系统的发电能力。在燃料存储温度为318k的条件下，高温壁面温度在950～1600k的范围内，实施例2的单位质量工作流体发电量相比传统回热布雷顿系统提高了5.6％～21.5％。
[0084]
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。

技术特征：
1.一种耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统，其特征在于，包括工质泵(1)、预热器(2)、回热器(3)、壁面换热器(4)、膨胀机(5)、发电机(6)、冷却器(7)、冷凝器、压缩机(12)、节流阀、燃料泵(11)、燃料涡轮(13)和燃料储罐(9)；所述冷凝器为一个或串联的两个；所述节流阀设置在连接所述冷凝器的燃料入口和燃料储罐(9)的燃料出口的管路上，用于将来自燃料储罐(9)的燃料节流降压，使燃料达到气液两相状态，所述节流阀的数量与所述冷凝器的数量一致且一一对应；工质泵(1)、预热器(2)、回热器(3)、壁面换热器(4)、膨胀机(5)、回热器(3)、冷却器(7)、所述冷凝器依次连接构成二氧化碳循环回路；燃料储罐(9)、所述节流阀、所述冷凝器、压缩机(12)、壁面换热器(4)依次连接构成第一燃料管路；燃料储罐(9)、燃料泵(11)、冷却器(7)、预热器(2)、壁面换热器(4)、燃料涡轮(11)依次连接构成第二燃料管路；发电机(6)与膨胀机(5)连接，将膨胀机(5)的输出功转换为电能。2.根据权利要求1所述的耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统，其特征在于，所述冷凝器、所述节流阀均为一个。3.根据权利要求1所述的耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统，其特征在于，所述冷凝器、所述节流阀均为两个，所述第一燃料管路在两个所述节流阀前分流，在两个所述冷凝器的燃料出口汇合。4.根据权利要求1所述的耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统，其特征在于，来自燃料储罐(9)的燃料通过所述节流阀节流后达到温度低于co2冷凝温度的状态，然后在所述冷凝器中吸热后在所述冷凝器的燃料出口处达到饱和气相状态或过热气状态；压缩机(12)出口处的燃料达到超临界状态；来自燃料储罐(9)的燃料在燃料泵(11)出口处达到超临界状态；燃料泵(11)出口的燃料压力高于压缩机(12)出口的燃料压力。5.根据权利要求1所述的耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统，其特征在于，壁面换热器(4)的流道包括以压缩机(12)出口的燃料作为冷却剂的流道、以预热器(2)燃料出口的燃料作为冷却剂的流道和以co2作为冷却剂的流道，三种流道固定嵌入在需要进行冷却的高温壁面中，与需要进行冷却的装置壁面形成一体式结构。6.根据权利要求5所述的耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统，其特征在于，所述高温壁面为飞行器发动机壁面和/或飞行器头部壁面。7.根据权利要求1所述的耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统，其特征在于，co2在冷却器(7)二氧化碳出口处的温度高于临界温度，在所述冷凝器中被燃料冷凝至临界温度以下，在所述冷凝器的二氧化碳出口处为饱和或过冷的液态。8.根据权利要求1所述的耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统，其特征在于，冷却器(7)中的燃料吸收二氧化碳的热负荷后温度升高，随后在预热器(2)中将部分热量输入至预热器(2)内的二氧化碳中。9.一种耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供方法，其特征在于，采用权利要求2所述的耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统；所述耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供方法包括：
燃料储罐(9)流出的燃料一部分通过节流阀(10)进行节流后，利用燃料潜热作为co2变布雷顿系统中冷凝过程的低温冷源，燃料在冷凝器(8)吸收co2的冷凝热负荷后形成饱和气，通过压缩机(12)增压至超临界状态；压缩机(12)出口的燃料作为高温壁面的冷却剂进入壁面换热器(4)中吸收高温壁面的热负荷，随后进入燃烧室中用于燃烧推进；燃料储罐(9)流出的另一部分燃料通过燃料泵(11)增压至超临界状态后作为co2冷却过程的冷源，在冷却器(7)中与co2换热，随后进入预热器(2)中将部分热量重新输入至工质泵(1)流出的co2中；预热器(2)燃料出口的燃料作为高温壁面的冷却剂进入壁面换热器(4)中吸收高温壁面的热负荷，随后这部分燃料进入燃料涡轮(13)中进行膨胀和热功转换，从而利用高温燃料进行发电；co2通过工质泵(1)增压后在预热器(2)、回热器(3)和壁面换热器(4)中吸热升温，随后进入膨胀机(5)中进行热功转换输出电能，膨胀机(5)出口的co2经过回热器(3)、冷却器(7)和冷凝器(8)，被冷凝后进入工质泵(1)中，完成一次工作循环。10.一种耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供方法，其特征在于，采用权利要求3所述的耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统；所述耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供方法包括：燃料储罐(9)流出的燃料分为三部分，一部分燃料通过第一节流阀(10)进行节流后温度降低至低于二氧化碳冷凝温度的状态，并进入第一冷凝器(8)中将二氧化碳冷凝至饱和液状态，一部分燃料通过第二节流阀(14)进行节流后温度降低至低于第二冷凝器(15)的二氧化碳出口温度，并进入第二冷凝器(15)中将第一冷凝器(8)二氧化碳出口的饱和液相二氧化碳进一步降温至过冷液相状态，另一部分燃料通过燃料泵(11)增压至超临界状态后进入冷却器(7)；燃料在第一冷凝器(8)、第二冷凝器(15)中吸热后均达到饱和液相状态，第一冷凝器(8)、第二冷凝器(15)流出的燃料混合后进入压缩机(12)增压至超临界压力，随后进入壁面换热器(4)中，作为壁面冷却剂吸收热负荷，最后在壁面换热器(4)的燃料出口流出后直接进入燃烧室中用于燃烧推进；冷却器(7)流出的燃料在吸热后温度较高，进入预热器(2)中将部分热量输入至预热器(2)内的co2中；预热器(2)的燃料出口与壁面换热器(4)连接，预热器(2)流出的燃料在壁面换热器(4)中吸热升温后进入燃料涡轮(13)中进行热功转换输出电能；co2通过工质泵(1)增压后在预热器(2)、回热器(3)和壁面换热器(4)中吸热升温，随后进入膨胀机(5)中进行热功转换输出电能，膨胀机(5)出口的co2经过回热器(3)、冷却器(7)、第一冷凝器(8)和第二冷凝器(15)，被冷凝后进入工质泵(1)中，完成一次工作循环。

技术总结
本发明公开了一种耦合燃料潜热的二氧化碳变布雷顿冷电联供系统和方法，包括工质泵、预热器、回热器、壁面换热器、膨胀机、发电机、冷却器、冷凝器、压缩机、节流阀、燃料泵、燃料涡轮和燃料储罐；冷凝器为一个或串联的两个；节流阀设置在连接冷凝器的燃料入口和燃料储罐的燃料出口的管路上，用于将来自燃料储罐的燃料节流降压，使燃料达到气液两相状态，节流阀的数量与冷凝器的数量一致且一一对应。本发明利用燃料潜热的方式将CO2的温度降低至临界温度以下，构建CO2变布雷顿冷电联供系统，用以对高超声速飞行器中的高温壁面进行冷却，并利用高温热负荷进行发电。温热负荷进行发电。温热负荷进行发电。


技术研发人员：何一坚 陈齐飞 王立松 陈伟芳 邱云龙
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/9/12