[0001] 本发明涉及壁面热防护技术领域，具体涉及一种基于燃料冷源的二氧化碳复合冷电联供系统和方法。

[0002] 在高超声速飞行器的热防护技术领域，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。

[0003] 此外，长航时、可重复使用成为未来高超声速飞行器发展的重要技术方向，这对机载供电系统的发电能力也提出更高的要求，发展高效的冷电联供系统成为未来高超声速飞行器发展的重要内容之一。

[0004] 燃料是高超声速飞行器中唯一可用的冷源，且飞行器能够携带的燃料有限，需要引入额外的冷却系统以解决飞行器携带燃料冷却能力不足的问题。在当前的高超声速飞行器冷电联供系统中，传统CO2冷电联供系统是主要技术，其中燃料作为工质CO2循环过程中的冷源从而实现该系统的有效运行。

[0005] 然而，若利用燃料直接作为CO2冷电联供系统的冷源，当采用燃料显热冷凝CO2时，由于燃料显热较小且存储温度高，冷凝所需的燃料流量极大，在高壁温下存在质量惩罚问题，即冷却所需的燃料流量高于发动机推进所需的燃料流量；利用燃料潜热冷凝CO2时，燃料冷凝CO2后为气相状态，将气相燃料重新压缩至超临界压力并用于膨胀做功所消耗的压缩功同样较大。当燃料膨胀做功所需的压力提高时，容易导致燃料压缩额外消耗的压缩功高于将CO2冷凝所减少的压缩功。

[0006] 因此，利用燃料直接作为CO2冷电联供系统的冷却剂存在较多技术挑战。

[0007] 引入第三种流体构建制冷循环，能够利用第三流体的蒸发潜热较大的优势，将CO2的冷凝器作为第三流体的蒸发器，利用第三流体的潜热对CO2进行冷凝。

[0008] 同时，第三流体的压缩耗功相比燃料较低，冷凝过程对冷源温度的要求较低。

[0009] 因此本发明提出引入第三种流体构建制冷循环，CO2作为第三流体蒸发过程的热源，燃料作为第三流体冷凝过程的冷源，以CO2和第三流体作为循环工质的一种基于燃料冷源的CO2复合冷电联供系统，解决以燃料作为CO2冷电联供系统冷源所存在的冷凝困难问题，提高系统的发电能力，缓解高超声速飞行器的有限冷源问题。

[0010] 经检索，在高超声速飞行器的热防护技术领域中，尚未发现有上述本发明构思的基于燃料冷源的二氧化碳复合冷电联供系统和方法相关的现有技术。

[0040] 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。

[0041] 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。利用燃料对CO2进行冷凝的CO2冷电联供系统，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。

[0042] 本发明具体实施方式采用如图1所示的引入第三流体并构建制冷循环的基于燃料冷源的二氧化碳复合冷电联供系统，利用第三流体的气化潜热对CO2进行冷凝，而将燃料泵出口的燃料首先对第三流体进行冷却，随后对CO2进行冷却。由于制冷循环的效率较高，对燃料的存储温度要求较低，因此能够在有限燃料热沉下对CO2进行冷凝。

[0043] 一种基于燃料冷源的二氧化碳复合冷电联供系统，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、第一冷凝器8、第二冷凝器11、压缩机13、节流阀14、燃料泵10、燃料涡轮12和燃料储罐9。

[0044] 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、第一冷凝器8依次连接构成二氧化碳循环回路。

[0045] 燃料储罐9、燃料泵10、第二冷凝器11、冷却器7、预热器2、壁面换热器4、燃料涡轮12依次连接构成燃料管路。

[0046] 压缩机13、第二冷凝器11、节流阀14、第一冷凝器8依次连接构成第三流体循环回路。

[0047] 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。

[0048] CO2在工质泵1入口的温度和压力均低于临界点；第三流体在第一冷凝器8的第三流体出口为饱和气相状态或过热气状态；燃料在燃料泵10出口为超临界状态。

[0049] 壁面换热器4的流道包括以燃料作为冷却剂的流道和以CO2作为冷却剂的流道，两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。

[0050] 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。

[0051] CO2在冷却器7出口的温度高于临界温度，在第一冷凝器8中被第三流体冷凝至临界温度以下，在第一冷凝器8出口为饱和或过冷的液态。

[0052] 膨胀机5可采用容积式膨胀机，具体可选自活塞膨胀机或涡旋膨胀机。

[0053] 所述第三流体可以为R134a、R32、R1234yf、R449、R448、R290、R600、R1234yf或R1234ze，本实施例中选用R134a。

[0054] 采用上述基于燃料冷源的二氧化碳复合冷电联供系统进行基于燃料冷源的二氧化碳复合冷电联供方法，包括：

[0055] 循环工质采用CO2，引入第三流体构建制冷循环与CO2循环进行耦合；CO2在第一冷凝器8中被第三流体冷凝，随后进入工质泵1中增压至临界压力以上，工质泵1出口的CO2依次在预热器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和第一冷凝器8中被冷凝，随后进入工质泵1中，完成一次工作循环；

[0056] 第三流体在第一冷凝器8中吸收CO2的冷凝热负荷后气化，随后进入压缩机13中增压，并在第二冷凝器11中将热负荷传递至低温燃料中，降温后的第三流体进入节流阀14，经过节流过程温度降低后进入第一冷凝器8中，完成一次工作循环；

[0057] 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。来自燃料储罐9的燃料经燃料泵10加压至临界压力(2.11MPa)以上后排出，首先进入第二冷凝器11中吸收第三流体的冷凝热，随后进入冷却器7中与CO2进行换热，冷却器7燃料出口的燃料进入预热器2中将部分热量重新输入至CO2中，预热器2流出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12中进行膨胀和热功转换，从而利用高温燃料进行发电。

[0058] 如图2所示，在膨胀机的入口温度由673.15K变化到873.15K的过程中，CO2变布雷顿循环的热效率从21.9％增加至24.1％，CO2回热布雷顿循环的热效率从16.3％增加至18.2％，而CO2简单布雷顿循环的热效率仅从11.9％增加至12.5％。变布雷顿系统热效率的显著提高主要有两个原因，首先是通过与R134a在第一冷凝器进行能量耦合，实现了CO2的完全冷凝，降低了其在工质泵中的压缩耗功；其次是通过与燃料在预热器进行能量耦合，实现了循环中部分热量的回收再利用，提升了循环中整体的能量利用效率。随着膨胀机入口温度的升高，燃料在冷却器中回收的热量增多，通过预热过程向CO2传递的热量随之增加，因此循环热效率随着膨胀机入口温度的增加而增大，相比简单布雷顿循环提高了83.7％～
93.2％，相比回热布雷顿循环提高了31.6％～36.2％。

[0059] 如图3所示，由于第三流体压缩功相比于燃料压缩功减少，以及CO2与燃料在预热器中耦合后做功能力的提高，相比于传统回热布雷顿系统，CO2变布雷顿循环CO2的单位质量工作流体发电量相对提高了7.2～31.3％。

[0060] 如图4所示，由于CO2变布雷顿循环通过与R134a在第一冷凝器进行能量耦合，实现了CO2的完全冷凝，提高了单位质量CO2的供冷能力，因此，相比回热布雷顿系统，CO2变布雷顿循环的单位质量工作流体供冷量相对提高了12.4％～35.8％。

[0061] 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申请所附权利要求书所限定的范围。