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CN108716870A - 一种消除微重力下低温流体热分层的均温装置 - Google Patents

一种消除微重力下低温流体热分层的均温装置 Download PDF

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CN108716870A
CN108716870A CN201810513828.5A CN201810513828A CN108716870A CN 108716870 A CN108716870 A CN 108716870A CN 201810513828 A CN201810513828 A CN 201810513828A CN 108716870 A CN108716870 A CN 108716870A
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China
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cryogen
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temperature equalization
stratified layer
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CN201810513828.5A
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孙潇
甘智华
李思卓
罗若尹
王亚彬
马欣悦
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Zhejiang University ZJU
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Zhejiang University ZJU
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
    • F28D15/043—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure forming loops, e.g. capillary pumped loops

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Abstract

本发明公开了一种消除微重力下低温流体热分层的均温装置，包括冷端和热端，还包括由毛细管迂回弯折而成的闭合回路，该闭合回路一侧的弯折部均向一中心收拢形成所述的热端，另外一侧的弯折部均沿所述中心四周分散布置形成所述的冷端；所述闭合回路上设有用于抽真空或者工质注入的支管。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1.本发明装置结构简单、紧凑、易于加工。2.本发明装置无须消耗外界能量，质量轻，适合空间应用。3.本发明利用温差驱动的相变传热实现均温，可靠性好。

Description

一种消除微重力下低温流体热分层的均温装置
技术领域
本发明属于低温贮箱热管理领域，特别涉及一种消除微重力下低温流体热分层的均温装置。
背景技术
液氢、液氧和液甲烷等低温推进剂，具有比冲高、无毒无污染等优点，是未来深空探测的优选推进剂。但是低温推进剂沸点低，容易受热蒸发。在存在漏热的情况下，贮箱内部容易出现热分层，即气体温度较高，液体温度较低且内部存在温度梯度。热分层的存在加快了贮箱内部压力的升高，为了控制压力，不得不排出一定量的气体，这极大地影响了低温推进剂的贮存周期。而在空间微重力环境下，辐射漏热不均匀，贮箱内部自然对流显著减弱，这使得热分层更加明显。若能消除热分层，使得低温推进剂的温度均匀，则可以推迟气体排放，延长贮存周期。
在重力作用下，低温流体内部气液上下分层且界面为水平面；而空间轨道上的低温流体处于微重力环境，表面张力的作用使得水平气液界面变成球面，且气体被液体包裹在中间。微重力下贮箱内的热分层表现为中心气体温度最高，液体温度沿径向降低，壁面处液体温度最低。针对这种特殊的热分层，需要设计一种结构简单，性能高效的装置使温度均匀，消除热分层。
目前公开的消除低温流体热分层的方法主要为搅拌法，即通过使用外力强制混合冷热流体来实现温度均匀。Plachta提出在液氮贮箱底部安装一个低温泵来消除热分层(Results Of An Advanced Development Zero Boil-Off Cryogenic PropellantStorage Test.David Plachta.40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint PropulsionConference and Exhibit.(2004))，该泵需要消耗10W的输入功，运行的时候会给低温流体带来额外的漏热。
Flachbart等人设计了一个热力学排气系统来消除热分层(Testing of a Spray-Bar Thermodynamic Vent System in Liquid Nitrogen.R.H.Flachbart,L.J.Hastings,A.Hedayat,S.L.Nelson,and S.P.Tucker.AIP Conference Proceedings 823,240(2006))，通过泵从贮箱内抽取一部分液体加压，经J-T节流后成为两相流，温度降低，两相流在一个同轴喷雾棒中吸收热量并喷回贮箱内部。该装置消除热分层的效果显著，但结构复杂，质量较重，且泵和J-T阀的存在增加了维护风险。
Zakar和Baldauff提出使用环路热管(LHP)取代泵来混合冷热流体(Zero-Boil-Off Cryogen Storage Cryogenic Loop Heat Pipefor use in Unmanned AirVehicles.Deborah R.Zakar and Robert W.Baldauff.15th International EnergyConversion Engineering Conference.(2017))，但是该环路热管需要制冷机和电加热器的辅助，需要消耗较多的外部能量。
除了搅拌法，高效的传热装置，如热管，也能消除热分层。其原理在于将热量从温度较高的气体中传递到温度较低的液体中。这种方法无须消耗外界能量。中国专利CN202972227U针对核电站系统内冷热流体在混合后会产生热分层现象，提出一种消除热分层管道，将管道冷段及管道热段分别连接热管使得热量从热段传递到冷段。但是大部分热管受重力的影响较大，微重力环境下不一定能发挥作用。
发明内容
本发明的目的是为了消除微重力下低温流体热分层，提供一种不需要消耗外界能量的均温装置。
一种消除微重力下低温流体热分层的均温装置，包括冷端和热端，还包括由毛细管迂回弯折而成的闭合回路，该闭合回路一侧的弯折部均向一中心收拢形成所述的热端，另外一侧的弯折部均沿所述中心四周分散布置形成所述的冷端；所述闭合回路上设有用于抽真空或者工质注入的支管。
采用本发明的技术方案，所述热端位于中心，所述冷端位于四周。当将本发明的均温装置安装于微重力下的低温液体贮箱后，贮箱中心部位为被液体包裹的气体，温度较高，所述热端刚好与这部分气体接触；液体温度沿径向降低，壁面处液体温度最低，所述冷端刚好与该部分液体接触。在毛细力的作用下，工质以气液塞的形式随机分布在闭合回路中，实现热的传导。
作为优选，所述冷端沿所述中心四周均匀布置，且距离中心的距离相等。进一步保证体系温度的均匀性。
作为优选，所述闭合回路呈扇形布置。
作为优选，所述闭合回路呈半圆形布置。
由于微重力环境中的低温液体贮箱一般为球形或者圆柱形与球形的结合体，采用扇形或者半圆形，可以在低温液体贮箱内布置多个均温装置，便于实现更加均匀的换热，保证体系温度的均匀性。
作为优选，所述热端由收拢于所述中心的若干V型弯折组成，所述冷端由分散布置于所述中心四周的若干U型弯折组成，所述若干V型弯折和所述若干U型弯折交替依次连接，形成所述的闭合回路。
作为优选，连接于V型弯折和U型弯折之间的连接段毛细管沿所述中心的径向布置，且相邻两个连接段毛细管之间的夹角相同。
本发明的均温装置可由毛细管直接弯折而成，制作步骤简单，成本低，技术成熟。
作为优选，所述若干V型弯折形状相同，所述若干U型弯折形状相同。
作为优选，还包括呈弧形布置，且将所述闭合回路包围，并与所述闭合回路相互固定的定位部。实际安装时，直接利用电焊将定位部于贮箱内壁固定。
作为优选，所述定位部为毛细管，并与所述闭合回路首尾连接形成完整的循环回路。采用该技术方案，方便了整个装置的一次加工成型。
作为优选，所述闭合回路内充注所述工质时，所述工质的体积占闭合回路体积的40％～70％，以便在闭合回路内形成较为合适的气液塞分布。
作为更为优选的方案，本发明的消除微重力下低温流体热分层的均温装置，为一个蛇形弯折的闭合回路，包括冷端，热端，抽真空/充液管(即所述的支管)和工质；所述闭合回路由金属毛细管弯折闭合而成，内部充注一定量的工质；所述冷端包括n个U型弯折和一个半圆形弯折；所述热端包括n+1个V型弯折；所述抽真空/充液管用于抽真空和充液，并在充液完成后被封死；所述工质与低温贮箱内容物一致。
所述金属毛细管可以是不锈钢管或者铜管；内径根据Bo≤2(Bo为邦德数，Bondnumber)计算所得，这样的内径保证了管壁对工质的毛细力足够大，使得工质以气液塞的形式分布于管内。金属毛细管的壁厚根据所需承受的压力根据强度理论计算所得。
所述弯折数量n为4～10。
所述闭合回路的外形为扇形，以适应微重力下的热分层。通过在半圆形弯折上点焊的方式固定于贮箱内表面。
本发明的工作原理为：将装置点焊固定于贮箱内表面后，冷端将处于低温贮箱的液体内部(低温区)，热端将处于气体内部(高温区)，在毛细力的作用下，工质以气液塞的形式随机分布在闭合回路中。热端的工质受热蒸发导致压力升高，而冷端温度低压力低，在压差的作用下，工质倾向于从压力高的热端向压力低的冷端运动，蒸发的工质在冷端冷凝，实现了从热端向冷端的相变传热。由于多个弯折的存在，使得压力互相影响。相邻的V型弯头由于气液塞分布不均匀，导致压力不均匀，压力较大的管中工质从热端向冷端运动时，会推动相邻管中工质从冷端向热端运动。只要热端和冷端存在温差，工质就会在温差的作用下产生往复运动，实现热端和冷端之间的高效传热。如果热端和冷端没有温差，工质失去动力，保持静止。因此该装置无须外力作用，就能实现冷热端温度均匀。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1.本发明装置结构简单、紧凑、易于加工。2.本发明装置无须消耗外界能量，质量轻，适合空间应用。3.本发明利用温差驱动的相变传热实现均温，可靠性好。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为两个本发明装置设置在球形低温贮箱内的结构示意图；
图3为图2中A-A面剖视结构示意图；
图4为四个本发明装置设置在球形低温贮箱内的结构示意图；
图5为八个本发明装置设置在圆柱形低温贮箱内的结构示意图。
图中标号：1为冷端，2为热端，3为抽真空或充液的支管，4为工质，5为闭合回路，6为U型弯折，7为半圆形弯折，8为V型弯折，9为贮箱，10为液体，11为气体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种消除微重力下低温流体热分层的均温装置，该装置为一个蛇形弯折的闭合回路5，包括冷端1，热端2，抽真空或充液管的支管3，闭合回路5中充注有工质4；
所述闭合回路5的外形为扇形，由金属毛细管迂回弯折闭合而成，金属毛细管可以是不锈钢管或者铜管；弯折后，一侧的弯折部向一中心收拢，形成上述的冷端，相应的另一侧的弯折部饶所述中心四周均匀分布，形成上述的热端，最终，冷端位于中心位置，热端位于以上述中心为圆形的圆周上，内外弯折部通过中间的连接段形成完整的闭合结构。
毛细管内径根据Bo≤2计算所得，壁厚根据所需承受的压力，根据强度理论计算所得；闭合回路5内部充注一定量的工质4；所述工质4与低温贮箱内容物一致；所述工质的液体体积占闭合回路体积的40％～70％；所述冷端1包括n个U型弯折6和一个半圆形弯折7；所述热端2包括n+1个V型弯折8；U型弯折和V型弯折逐一交替设置，相邻两个U型弯折和V型弯折通过连接段毛细管连接形成完整的闭合结构。n个U型弯折距离中心距离相同，即沿上述中心为原点的一个圆周均匀布置，连接段的毛细管为直管，且沿该原点径向布置。半圆形弯折7同时兼做整个装置的定位部，用于实现对整个装置的固定。
所述弯折数量n为4～10；所述抽真空或充液管的支管3用于抽真空或充液，并在充液完成后被封死；所述闭合回路5在半圆形弯折7上点焊固定于贮箱内表面。
实施例1
如图1、图2和图3所示，两个均温装置对称布置于一个直径为2m的球形液氢贮箱9内，液氢的体积充注率为93.6％，即中间气体的直径为0.8m。均温装置的闭合回路5的外形为扇形，由304SS毛细管弯折闭合而成；内径根据Bo≤2计算取为1mm，壁厚根据所需承受的压力根据强度理论计算取为1mm。闭合回路5内部工质4为液氢，体积充注率为50％。冷端1包括5个U型弯折6和一个半圆形弯折7，半圆形弯折7的直径为2m，冷端1的径向长度为0.6m。热端2包括6个V型弯折8且每个V型弯折8的夹角均为15°；热端2的径向长度为0.2m。使得冷端1置于液氢贮箱9的液体10内部，热端2置于气体11内部。
首先利用抽真空或充液管的支管3对闭合回路5抽真空，除去不凝性气体杂质，用氢气置换闭合回路5三次后，通过支管3向闭合回路5充注液氢工质4，充液完成后封死支管3；闭合回路5在半圆形弯折7上点焊固定于贮箱内表面。
实施例2
同实施例1，所不同的是，如图4所示，四个均温装置均匀布置于球形液氢贮箱9内。
实施例3
同实施例1和实施例2，所不同的是，如图5所示，八个均温装置均匀布置于圆柱形液氢贮箱9内。液氢贮箱9两端为半球形封头，直径为2m，中间圆柱段直径为2m，长度为3m。液氢的体积充注率为93.6％，即中间气体的半球形直径为0.8m，圆柱段直径0.8m，长度1.2m。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种消除微重力下低温流体热分层的均温装置，包括冷端和热端，其特征在于，还包括由毛细管迂回弯折而成的闭合回路，该闭合回路一侧的弯折部均向一中心收拢形成所述的热端，另外一侧的弯折部均沿所述中心四周分散布置形成所述的冷端；所述闭合回路上设有用于抽真空或者工质注入的支管。
2.根据权利要求1所述的消除微重力下低温流体热分层的均温装置，其特征在于，所述冷端沿所述中心四周均匀布置，且距离中心的距离相等。
3.根据权利要求1所述的消除微重力下低温流体热分层的均温装置，其特征在于，所述闭合回路呈扇形布置。
4.根据权利要求1所述的消除微重力下低温流体热分层的均温装置，其特征在于，所述闭合回路呈半圆形布置。
5.根据权利要求1所述的消除微重力下低温流体热分层的均温装置，其特征在于，所述热端由收拢于所述中心的若干V型弯折组成，所述冷端由分散布置于所述中心四周的若干U型弯折组成，所述若干V型弯折和所述若干U型弯折交替依次连接，形成所述的闭合回路。
6.根据权利要求5所述的消除微重力下低温流体热分层的均温装置，其特征在于，连接于V型弯折和U型弯折之间的连接段毛细管沿所述中心的径向布置，且相邻两个连接段毛细管之间的夹角相同。
7.根据权利要求5或6所述的消除微重力下低温流体热分层的均温装置，其特征在于，所述若干V型弯折形状相同，所述若干U型弯折形状相同。
8.根据权利要求1所述的消除微重力下低温流体热分层的均温装置，其特征在于，还包括呈弧形布置，且将所述闭合回路包围，并与所述闭合回路相互固定的定位部。
9.根据权利要求8所述的消除微重力下低温流体热分层的均温装置，其特征在于，所述定位部为毛细管，并与所述闭合回路首尾连接形成完整的循环回路。
10.根据权利要求1所述的消除微重力下低温流体热分层的均温装置，其特征在于，所述闭合回路内充注所述工质时，所述工质的体积占闭合回路体积的40％～70％。
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