极热环境下有限流量水循环冷却系统及冷却方法

本发明涉及飞行器极热环境下主动冷却热防护，特别地，涉及一种极热环境下有限流量水循环冷却系统。此外，本发明还涉及一种包括上述极热环境下有限流量水循环冷却系统的极热环境下有限流量水循环冷却方法。

背景技术：

1、主动冷却热防护技术发展较为成熟，应用的领域也较为广泛。例如：主动冷却热防护技术应用于航空航天飞行器的应用技术；参见清华大学能动系姜培学等完成并获2020年度国家技术发明奖二等奖的“航天飞行器极端条件下主动热防护关键技术及应用”项目，以及“航天器高温主动冷却热防护理论与技术”，姜培学，科学出版社，2023年8月第1版。主动冷却形式多种多样，从冷却机理上，主动冷却可分为对流冷却、发汗（发散）冷却、膜冷却、喷雾冷却等。根据应用的冷却工质类型，主动冷却可分为水冷、油冷、co2冷却、液氮冷却等。相对于被动防隔热方式而言，主动冷却热防护具有冷却速率大、降温效果好、换热效率高、热防护时间长等优点。但由于使用冷却工质，主动冷却也有不可忽视的缺点，如冷却工质消耗量大、冷却供应系统复杂、结构笨重等问题，尤其是对于水冷结构，由于水具有沸点附近相变发生物态变化，产生的水蒸气气泡易在结构表面形成一气态薄层，导致液态水与结构热面之间换热速度急剧降低，即局部冷却效果急剧恶化，最终会导致结构局部超温烧毁。而为了避免产生这种现象，水冷结构在实际应用过程中往往采用大流量冷却措施，即通过增大流量与流速，确保整个冷却流道内不发生沸腾、不产生大量气泡，但这也带来了冷却工质质量大、整个系统运行成本高、降低系统性能的问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种极热环境下有限流量水循环冷却系统及冷却方法，在冷却水总量受限的情况下，能够解决现有冷却系统中耗水量大、易产生局部烧穿的技术问题，并能以有限的水量实现流道内液态水高速流动换热，将极大释放水冷工质的冷却效能，对于解决极热环境下的主动冷却问题具有较大的实际应用价值。

2、根据本发明的一个方面，提供一种极热环境下有限流量水循环冷却系统，极热环境是飞行器以高速在大气中飞行时与空气的摩擦产生大量的热量以及飞行器前方的空气受到猛烈压缩而导致空气温度急剧升高形成的环境，包括循环管路、冷却结构、水罐、换热器和高压泵，冷却结构、水罐、换热器和高压泵依次布设于循环管路上；冷却结构，用于布设在极热环境下以承受外界极热荷载并对目标进行冷却；水罐，用于提供高温高压环境并进行整流和储存；换热器，用于提供常压环境并实现高温高压水与常压水之间的掺混换热，同时还进行气液分离；高压泵，用于进一步的实现气液分离并将常压水增压并向冷却结构输送；冷却系统中的冷却介质采用预定量的水；在高压泵、冷却结构和水罐组合形成的主动冷却区域，通过高压泵和水罐的协同配合，以确保冷却结构内的水呈液态水，且以定向的、预定高压和预定高速的流动；在水罐、换热器组合形成的换热区域，通过换热器对水罐输出的高温高压高速液态水进行掺混换热降温，并将产生的水蒸气从液态水中分离后排出，以确保从换热器输出至高压泵的水呈液态、常温、常压状态。

3、进一步地，冷却结构为受热恶劣的结构件，受热面热流密度大于。

4、进一步地，水罐采用耐压材料制成（例如：碳钢、不锈钢或耐压合金钢），循环管路的高压泵至水罐的管段内压力为1mpa～10mpa，水罐内的压力为1mpa～10mpa。

5、进一步地，水罐的内腔中设有挡板、格栅或多孔板中的至少一个，以实现整流。

6、进一步地，换热器上设有安全阀、单相阀和流量计；安全阀，用于防止换热器内蒸汽压力升高而导致结构损坏；单相阀，用于排除水蒸气和截留液态水；流量计，用于实时监测经由流量计排出系统外的水蒸气质量流量，并将监测到的数据传输给控制器，控制器计算冷却水损耗量。

7、进一步地，安全阀设计压力为1atm～3atm。

8、进一步地，冷却水损耗量的计算公式为：

9、；

10、其中：为耗水量百分比，为经由流量计排出系统外的水蒸气质量流量，为系统运行时间，为充填如系统内的冷却水总质量。

11、进一步地，当达到设定的数值时冷却系统停止运行，设定的数值为70%～80%。

12、进一步地，安全阀的气体排出端连有冷凝装置，冷凝装置的输出端连接至换热器，用于将安全阀排除的水蒸气冷凝成水并回流至换热器中。

13、根据本发明的另一方面，还提供了一种极热环境下有限流量水循环冷却方法，其采用上述极热环境下有限流量水循环冷却系统，s100、冷却系统安装，连接各部件管路形成循环管路，并安装安全阀、单相阀；s200、在冷却系统流道内充填常温常压液态冷却水；s300、接通高压泵的电源，起动高压泵，冷却系统冷态运行；s400、冷却结构承受极热载荷；s500、水罐、换热器开始运行；s600、安全阀、单相阀、流量计运行，少量高温水蒸气排出冷却系统；s700、冷却水消耗量达到设置值后冷却系统停止运行。

14、进一步地，初始状态下，将常温、常压液态水封装于换热器中，通过安全阀与外界大气相连，并且整个冷却系统内预填充常温、常压液态水；在冷却结构承受外界极热载荷后，起动高压泵，促使循环管路内的水高速流动、进行高效换热；从冷却结构吸收大量热量后，冷却水温度升高，但在高压下水仍保持为液态；高压液态冷却水经冷却结构后，在高压水罐内整流、储存，并经由水冷管路排至换热器；换热器为常压状态，在换热器内一部分高温高压液态水迅速汽化并吸收大量热量，并与其余的液态水充分掺混，最终换热器内水的状态为：温度在沸点附近、压力为常压附近；换热器安装有安全阀，以保证换热器始终处于适宜的压力，安全阀设计压力为1atm～3atm之间；同时换热器安装有单相阀、流量计，单相阀作用为将产生的水蒸气排出，截留水汽混合物中的液态水以继续循环利用；流量计用于实时监测经由流量计排出系统外的水蒸气质量流量，并计算冷却水损耗量，计算公式为：

15、；

16、其中：为耗水量百分比，为经由流量计排出系统外的水蒸气质量流量，为系统运行时间，为充填如系统内的冷却水总质量；当达到设定的数值时冷却系统应停止运行，设定的数值为70%～80%。

17、本发明具有以下有益效果：

18、本发明极热环境下有限流量水循环冷却系统，基于介质水流量限制条件下，为极热环境下的目标进行主动冷却换热；具体地，将常温、常压液态水封装于换热器中，换热器输出的常温、常压液态水通过高压泵增压并泵送至冷却结构的流道内部，促使液态水在冷却结构内高压高速地通过，与目标实现高速、高效的对流换热，液态水吸热升温后形成高温高压液态水，进而进入高温高压的水罐，然后经由管路输送至常压换热器，部分液态水吸热沸腾变成水蒸气后经由安全阀排出；其余大量的常压液态水继续经由高压泵继续输送至冷却结构内进行冷却换热，如此往复循环；水罐为高温高压状态，根据使用环境要求，水罐内压力可设置为1mpa～10mpa之间，温度大于100℃，其功能为在高压下确保冷却流道内的水为液态，避免冷却结构表面因水沸腾产生气泡导致局部冷却失效的现象发生。换热器为近100℃、常压状态，其内为水汽混合物，其作用为实现高温高压水与常压水之间的掺混换热，其中高温高压水来自于高压水罐，常压水为循环系统内原有的液态水。本发明冷却系统，在冷却水总量受限的情况下，能够解决现有冷却系统中耗水量大、易产生局部烧穿的技术问题，并能以有限的水量实现流道内液态水高速流动换热，将极大释放水冷工质的冷却效能，对于解决极热环境下的主动冷却问题具有较大的实际应用价值。

19、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。