CN107726040B - 一种带有控压装置的低温推进剂储罐 - Google Patents

Abstract

本发明为一种带有控压装置的低温推进剂储罐。该装置包括低温推进剂储罐体、低温循环泵、节流阀、膨胀机、套管式换热器、排气冷却盘管、排气阀。为提高换热器换热效率，本发明采用了逆流式套管换热器，可产生更多冷量。同时经过节流阀后的流体吸热变成饱和或过热气体，在排出箱体后会经过膨胀机膨胀降温，低温气体通过缠绕在箱体外部绝热层中的冷却盘管形成一层冷屏，最大限度的减少外部漏热，实现排气冷量的充分利用。本发明装置结构简单，换热效率较高，实现了冷量的充分利用并有效的控制了箱体压力，为低温推进剂长期储存及箱体压力控制提供了有效保障。

Description

一种带有控压装置的低温推进剂储罐

技术领域

本发明涉及低温推进剂储存以及流体管理领域，具体说是涉及一种低温推进剂储罐体压力控制装置。

背景技术

低温推进剂以其优异的性能，在航空航天领域得到了越来越多的重视与应用。尤其是低温液氢、液氧已被美国NASA认为是未来深空探测的首选推进剂组合。然而，由于低温推进剂储存温度较低，受热很容易升温并带来流体的热分层。热分层将促进低温流体的蒸发相变，进而造成箱体压力的升高，这对运行在空间轨道以及深空探测器上的低温推进剂储罐体是极其危险的，一旦箱体压力超过极限，很容易造成航天器的失事爆炸，因此需采取有效的措施消除箱内流体热分层，实现箱体压力的良好控制。

箱体压力控制方式主要包括直接排气降压、采用喷射混合装置的喷射降压、采用带制冷机的主动制冷降压以及热力学排气控压。直接排气控压虽然操作简便，但会造成排气阀频繁启闭，同时带来较大的排气损失；喷射混合降压仅是实现了热量从气相到液相的转移，并没有从根本上消除外部漏热，不适于低温推进剂的长期储存；采用带制冷机的主动制冷技术可从根本上消除外部漏热并降低箱体压力，然而目前国际国内并不具备制造低温、大制冷量低温制冷机的能力，这也限制了主动制冷技术在低温推进剂箱体压力控制方面的应用。而热力学排气其通过节流一小部分流体，利用这部分流体的气化潜热以及显热来冷却箱内大部分流体，仅以牺牲小部分流体为代价，就可以实现箱内流体热分层的消除以及箱体压力的控制，是目前最具前景的低温推进剂箱体压力控制方式。

现有的热力学排气系统主要包括低温储罐体、循环泵、同心套管换热器、节流阀、排气阀以及其他管路设施。美国NASA所研究热力学排气系统中核心换热部件为顺流式同心套管换热器，其换热效率相对较低；国内申请的相关专利CN105444591A虽然在换热器上做了改进，采用了三套管换热器，同时在内管与中间管之间的夹层设置螺旋缠绕扰动丝，但没有改变两换热流体的流动方向，仍受顺流式换热器换热效率的限制。另外，上述两套系统装置均没有考虑排气的冷能利用。因此，设计一套高效可靠的换热系统、冷却隔热系统，对有效降低箱体漏热，实现箱体压力良好控制以及消除箱内流体热分层具有重要价值及意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术所存的缺陷，提出一种带有控压装置的低温推进剂储罐，将冷热流体高效换热的逆流式换热器与高温气体膨胀降温的冷却屏隔热系统相耦合，有效降低箱体漏热，实现箱体压力良好控制以及消除箱内流体热分层。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种带有控压装置的低温推进剂储罐，包括低温推进剂储罐体1、低温循环泵2、节流阀3、节流制冷回路、膨胀机4、逆流式套管换热器5、排气冷却盘管11、流体喷射棒6以及排气阀7。

所述的低温推进剂储罐体包括内罐以及外罐，内外罐之间填充有绝热材料，所述排气冷却盘管缠绕在内罐外并处于绝热材料中间。所述逆流式套管换热器竖向置于内罐内部，包括外管与内管，外管与内管之间形成内外管环形腔。

所述的低温循环泵为低温推进剂专用循环泵，其进口连通内罐，其出口从上部接入逆流式套管换热器的内管，逆流式套管换热器的内管下端接所述流体喷射棒，构成大股流体循环回路。流体喷射棒为直立于逆流式套管换热器四周的竖向管路，管路上开设有多个细小的喷射口，被冷却流体经喷射口射入箱体内部。

所述的节流阀串联在节流制冷回路上，节流制冷回路一端连通内罐内部，另一端连通逆流式套管换热器外管下端，构成小股流体的节流制冷回路，主要用于低温流体的节流降压，使单相流体节流后变为气液两相流体。

所述膨胀机进口连接逆流式套管换热器外管上端，出口连接排气冷却盘管上端口，排气冷却盘管下端口连接所述排气阀，构成高温气体排气回路，主要用于排气膨胀降压降温。排气阀用于气体经过冷却盘管后过热气体排气的控制。

所述低温推进剂为液氢、液氧以及液态甲烷。

所述节流阀为低温针阀。

所述循环泵为专用液氢、液氧以及液态甲烷循环泵。

循环泵从箱体底部抽吸的大股流体经管路直接进入逆流式套管换热器内管；而小股流体经节流阀后，变为气液两相流，其进入逆流式套管换热器内管与外管之间的环管。在逆流式套管换热器内，单相流体与两相流体进行换热。

所述喷射棒为直立于箱体内部的对称布置的薄壁不锈钢管。

本发明装置，使用时，工作过程为：低温推进剂在循环泵的抽吸下，从箱体底部经大股流体循环回路，自箱体顶部进入逆流式套管换热器内管，穿过换热器之后经竖直喷射棒喷射入箱体内部气液相空间。当箱内低温推进剂流体具有一定的过冷度时，仅通过循环泵的抽吸喷射过程就可以实现箱体压力的控制，而当箱内低温流体的过冷度被消耗殆尽后，此时需开启节流制冷模式。

低温推进剂在循环泵的抽吸下，从箱体底部经大股流体回路，自箱体顶部进入逆流式套管换热器内管。

同时在箱体压差作用下，小部分流体经节流阀节流降压，经小股流体的节流制冷回路进入逆流式套管换热器内外管环形腔。

逆流式套管换热器内管单相流体与内外管环形腔内的两相流进行逆向流动换热。

两相流体吸收内管以及箱体内部高温流体的热量后升温气化，最终变为饱和气体或过热气体排出箱体。

逆流式套管换热器内管单相流体在两相流体的冷却下，温度降低，并最终汇聚在逆流式套管换热器底端。

汇聚在逆流式套管换热器底端的被冷却流体经竖立的对称布置的喷射棒直接喷射到箱内气液相区，通过将冷量带入气液相，消除气液相区温度分层，实现箱体压力控制。

变为饱和或过热状态的高温排气经膨胀机膨胀后，气体压力及温度均降低，然后进入缠绕在箱体内外罐体间的排气冷却盘管，通过吸收大部分箱体外部漏热后，变为温度更高的气体，最后经排气阀排出冷却盘管，实现了排气冷能的合理利用，同时有效的降低了箱体漏热。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及效果：

1.本发明装置采用了逆流式套管换热器，高温单相流体与低温两相流体进行逆向流动换热，大大提高了换热效率。

2.本发明装置设置了膨胀机，高温排气进行膨胀后，处于低温低压状态。

3.本发明装置设置了缠绕在箱体的冷却盘管，经过膨胀机膨胀降温降压的排气直接引入冷却盘管，实现了排气冷能的高效利用，同时有效降低了箱体漏热。

4.本发明装置通过设置缠绕在箱体壁面的冷却盘管，有效降低了箱体壁面高温及低温温区的差别，降低了箱体的热应力强度，有效延长了箱体的使用寿命。

5.本发明装置通过设置竖向的对称布置的喷射棒，流体自下而上喷入箱内气液相区，增加了喷射流体与箱内气液相间的扰动，提高了换热效率，有利于实现箱体压力的快速降低。

6.本发明装置结构简单，喷射强度大，换热效率好，可有效的消除箱内气液相的温度分层，实现箱体压力的良好控制，对低温推进剂的长期贮存具有较好的应用价值及推广前景。

附图说明

图1为本发明带有控压装置的低温推进剂储罐结构示意图；

图2为冷却盘管缠绕示意图。

图中标号：1为低温推进剂储罐体，2为低温循环泵，3为节流阀，4为膨胀机，5为逆流式套管换热器，6为流体喷射棒，7为排气阀，8为大股流体循环回路，9为高温气体排气回路，10为小股流体的节流制冷回路，11为排气冷却盘管，12为低温推进剂储罐体内罐，13为低温推进剂储罐体外罐，14为逆流式套管换热器外管，15位逆流式套管换热器内管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步说明本发明的技术方案。

参照图1，本发明提出的带有控压装置的低温推进剂储罐，低温推进剂储罐体1、低温循环泵2、节流阀3、膨胀机4、逆流式套管换热器5、排气冷却盘管11、流体喷射棒6以及排气阀7、大股流体循环回路8、高温气体排气回路9、节流制冷回路10。

所述的低温推进剂储罐体1，包括内罐12以及外罐13，箱内流体为低温推进剂，分别由气相与液相组成，可以是液氢、液氧或液态甲烷。内外罐体之间填充有绝热材料，同时排气冷却盘管11缠绕在内罐外壁上（见图2），处在绝热材料中间。

所述的低温循环泵2为低温推进剂专用循环泵，其进口连通内罐12底部，其出口从上部接入逆流式套管换热器的内管15，逆流式套管换热器5的内管15下端接所述流体喷射棒6，构成大股流体循环回路8。

所述的节流阀3是整个系统冷量产生的关键部件，串联在节流制冷回路10上，节流制冷回路10一端连通内罐12内部，另一端连通逆流式套管换热器5外管14下端，构成小股流体的节流制冷回路，主要用于低温流体的节流降压，使单相流体节流后变为气液两相流体。

所述膨胀机4主要用于高温排气膨胀降压降温，其与排气管路9构成高温气体排气回路，

所述膨胀机4进口连接逆流式套管换热器15外管上端，出口连接排气冷却盘管11上端口，排气冷却盘管11下端口连接所述排气阀7，构成高温气体排气回路9。主要用于排气膨胀降压降温，膨胀机4是降低排气温度，合理利用排气冷能的关键部件。排气阀7用于气体经过冷却盘管后过热气体排气的控制。

所述逆流式套管换热器5包括外管与内管15，内管与大股流体所经过的管路8相连，构成换热器内流通道；外管与内管之间的内外管环形腔14与节流制冷回路10相连，节流后的两相流体经节流制冷回路10后直接进入内外管环形腔14，构成换热器外流通道。

所述排气冷却盘管11按照一定的要求直接缠绕在箱体外部，并处在箱体内外罐体间的绝热层内。

所述流体喷射棒6为直立于套管换热器5四周的对称布置的竖向管路，管路上开设有多个细小的喷射口，被冷却流体经喷射口射入箱体内部。

所述节流阀3采用低温针阀，排气阀7采用安全排气阀。所述循环泵2为专用液氢、液氧以及液态甲烷循环泵。

循环泵从箱体底部抽吸的大股流体经大股流体循环回路8直接进入换热器内管15。而小股流体经节流阀3后，变为气液两相流，其进入逆流式套管换热器内管15与外管之间的内外管环形腔14。在换热器内，单相流体与两相流体进行换热。

本发明的工作原理为：

外部环境漏热的入侵将造成低温流体的温度升高，并产生严重的热分层现象；热分层将进一步促进低温流体的相变蒸发，进而造成箱体压力的升高。为实现合理降压，需采取有效的控压措施。对于本发明装置，当箱体内部低温流体具有一定的过冷度时，仅开启循环泵就可以实现箱体压力的降低。

此时，低温推进剂在循环泵的抽吸下，从箱体底部经大股流体循环管路，自箱体顶部进入逆流式套管换热器内管，穿过换热器之后经竖直喷射棒喷入箱体内部气液相空间。在过冷低温流体的冷却下，气相温度降低，以致于箱体压力也降低。一旦箱体压力降低到所设置压力下限时，循环泵停止工作。在外部漏热下，箱体压力将再次升高，一旦升高到所设置箱体压力上限，此时循环泵再次开启，在喷射流体的冷却下，箱体压力再次降低，因此在该阶段，箱体压力将经历在控压上下限间的波动变化。

然而，随着时间的持续，侵入箱体的外部漏热总量越来越多，尽管单纯的喷射混合可以达到降低箱体压力的目的，但箱内低温流体的温度是逐渐升高的。当箱内流体温度升高的一定限度时（箱体控压下限对应的饱和温度），此时仅通过单独的喷射流体到气液相区不仅不能起到良好的控压效果，还会造成箱体压力的迅速增加。因此，此时需开启节流制冷模式进行箱体压力控制。

低温推进剂在循环泵的抽吸下，从箱体底部经大股流体管路，自箱体顶部进入套管换热器内管；同时在箱体内外压差作用下，小部分流体经节流阀节流降压，经小股流体管路进入换热器内管与外管间的环形腔；换热器内管单相流体与内外管环形腔内的两相流进行逆向流动换热；两相流体吸收内管以及箱体内部高温流体的热量而升温气化，最终变为饱和气体或高温气体排出箱体；换热器内管单相流体在两相流体的冷却下，温度降低，并最终汇聚在换热器底端；汇聚在换热器底端的被冷却流体经竖立的对称布置的喷射棒直接喷射到箱内气液相区，通过将冷量带入气液相，消除气液相区温度分层，实现箱体压力控制。

变为饱和或过热状态的高温排气经膨胀机降压降温，进入缠绕在箱体内外罐体间的冷却盘管，通过吸收大部分箱体外部漏热变为高温气体，经排气阀排出冷却盘管，有效的降低箱体漏热。

以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种带有控压装置的低温推进剂储罐，包括低温推进剂储罐体（1）、低温循环泵（2）、节流阀（3）、膨胀机（4）、逆流式套管换热器（5）、流体喷射棒（6）、排气阀（7）、排气冷却盘管（11）以及节流制冷回路（10）；其特征是：

所述的低温推进剂储罐体（1）包括内罐（12）以及外罐（13），内外罐之间填充有绝热材料，所述排气冷却盘管（11）绕在内罐外并处于绝热材料中间；所述逆流式套管换热器（5）竖向置于低温推进剂储罐体（1）内部，逆流式套管换热器（5）包括外管与内管（15），外管与内管之间形成内外管环形腔（14）；

所述的低温循环泵（2），其进口连通内罐（12），其出口从上部接入逆流式套管换热器（5）的内管（15），逆流式套管换热器（5）的内管（15）下端接所述流体喷射棒（6），构成大股流体循环回路；流体喷射棒（6）为直立于逆流式套管换热器四周的竖向管路，管路上开设有若干个细小的喷射口；

所述的节流阀（3）串联在节流制冷回路（10）上，节流制冷回路（10）一端连通内罐（12）内部，另一端连通逆流式套管换热器（5）外管下端；

所述膨胀机（4）进口连接逆流式套管换热器（5）外管上端，出口连接排气冷却盘管（11）上端口，排气冷却盘管（11）下端口连接所述排气阀（7），构成高温气体排气回路。

2.根据权利要求1所述一种带有控压装置的低温推进剂储罐，其特征是：所述低温推进剂为液氢、液氧以及液态甲烷。

3.根据权利要求1所述一种带有控压装置的低温推进剂储罐，其特征是：所述节流阀（3）为低温针阀。

4.根据权利要求1所述一种带有控压装置的低温推进剂储罐，其特征是：所述流体喷射棒（6）为直立于箱体内部的对称布置的薄壁不锈钢管。