CN103234114A - 一种喷淋式主动冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种喷淋式主动冷却装置，包括仓体以及设置在仓体出口并与仓体相连通的换热器及布置在换热器内的液体泵，在仓体内设置有与换热器相连通的导管，导管的另一端安装有与导管相连通的水平环形分配器及与水平环形分配器相垂直的导引管，上述的水平环形分配器的外沿下表面开设有一环形喷嘴，导引管的下端开设有导引管喷嘴。与传统的喷淋储仓相比，本发明在环形分布器中心连接了一个导引管，可使一部分过冷低温液体进入仓底，达到降低仓底温度的效果，并在储箱壁面形成了良好的贴壁流动，削弱了壁面附近的滞止区，减小了壁面附近高温区域的温度值和面积范围，有效地抑制了低温液体的热分层，实现低温液体的长寿命存储和运输。

Description

一种喷淋式主动冷却装置

技术领域

本发明属于空间低温技术领域，特别涉及一种用于微重力空间下液氢低温存储的喷淋式主动冷却装置。

背景技术

低温推进剂被公认为是未来进入太空及空间轨道转移最经济、效率最高的化学推进剂，也是进行星球探测的首选推进剂。在太空中，影响和制约低温推进剂蒸发与放空的主要因素是微重力空间环境，同时低温推进剂长时间在轨应用的核心是如何解决推进剂蒸发量的控制问题。空间系统上实现长周期、低蒸发损失的低温流体贮存，是关系未来人类空间探索的重大关键技术之一，开展该领域的研究具有重要的学术价值和工程应用意义。而低温推进剂无损存储技术（ZBO）是指借助先进的低温制冷和低温绝热等技术平衡低温推进剂储槽的漏热损失，从而使得储槽内低温推进剂的蒸发率显著降低，甚至降低为零，并保持低温推进剂储槽内部压力恒定的一种储存方法。我国载人航天工程已突破天地往返和出舱活动等技术，载人航天任务由中短期太空飞行转为长期空间驻留，载人空间站工程等后续任务已提上日程。随着我国空间技术的发展，微重力下ZBO储存技术成为亟待突破的重大科学问题，这对于我国空间技术的突破和载人航天技术的安全实施有着重要的意义。

目前针对ZBO技术，科技人员已做了大量的工作，例如美国专利US006073450A“Combined diffuser and recirculation manifold in apropellant tank”提出的ZBO储仓模型结构包括推进剂储箱、歧管、歧管管路、增压气体管路及排气管路。歧管位于推进剂储箱的上部，推进剂储箱中的气体通过歧管排出，在歧管孔口淹没之前停止排气。通过歧管引导储箱中低温液体推进剂的蒸汽再循环，引出储箱，冷却以及引导循环蒸汽返回储箱的过程，从而使储箱中的液体致密。美国专利US005644920A“Liquidpropellant densification”同样提出一种低温推进剂储存系统，该系统通过将低温液体推进剂过冷的方式使其致密化，从而实现在降低蒸汽压力和操作压力的同时，同样的储箱体积能够携带更多的推进剂。美国专利US20080134693A1“Storage tank for a cryogenic liquid and method ofre-filling same”中描述了一种用于储存低温液体的低温储箱，以及一种低温液体重注的方式。HoSon等在国际期刊International journal of hydrogenenergy33(2008)878-888中的“Nozzle injection displacement mixing ina zero boil-off hydrogen storage tank”一文提出的ZBO储仓结构形式包括仓体、换热器、导管、分配器及喷嘴。由于飞行器在空中运行时，热量从壁面导入，壁面的最高温度就是整个流体区域的最高温度。通过模拟及实验可知，仓体中存在着两个高温的死滞区，分别位于贮仓的底部和顶部。如何降低这两处及整体仓体的温度就变得十分重要了，虽然HoSon提出的结构形式能降低仓体顶部的高温及整体仓体温度，但其中仍存在许多问题，如低温流体从中间喷口喷出后要经过很长的距离才能到达壁面上，此时速度已经非常小，不仅起不到很好的冷却效果，而且由于其方向垂直于贮仓底部壁面，还有可能将壁面上的形成的气泡压在壁面上使其更难脱离壁面，或者将已经脱离的气泡带回壁面附近，这对液氢的安全储存非常不利。由于上述专利和现有文献中涉及的低温储箱，没有充分考虑到储箱内部低温流体的流场和热场对于储箱最高温度及漏热量的影响，不能有效地解决仓体底部或者其他位置的高温区，这对飞行器的运行和低温推进剂的消耗都会产生较大影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有低温储仓系统温度分布不均匀的缺点，提供了一种冷却低温储仓壁面温度（尤其是底部壁面温度）的喷淋式主动冷却装置。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：包括仓体以及设置在仓体出口并与仓体相连通的换热器及布置在换热器内的液体泵，在仓体内设置有与换热器相连通的导管，导管的另一端安装有与导管相连通的水平环形分配器及与水平环形分配器相垂直的导引管，所述的水平环形分配器的外沿下表面开设有一环形喷嘴，导引管的下端开设有导引管喷嘴。

所述的导引管位于环形分配器中心处，导引管的中线和环形分配器以及导管的中线重合。

所述的仓体半径为R，导引管出口距离仓体底部的距离为0.1-0.15R，导引管直径取0.005-0.01R；水平环形分配器的半径为0.75-0.85R；环形喷嘴的宽度为0.01-0.03R；导管长度为0.53R，直径为0.01R。

所述的导引管喷嘴张角为0°～20°。

所述的环形喷嘴喷射倾角为-15°～35°。

所述的换热器的换热管与低温制冷机相连通。

本发明在环形分配器上增加了位于中心的导引管，这样可以将中心的低温液体引入仓体底部。经过换热器冷却的低温液体通过导管进入环形分配器，一部分通过周围的喷嘴喷出，以冷却周围液体及壁面温度，另一部分液体则经过导引管进入仓体底部，降低仓体底部的温度，以此降低了整个仓体的温度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的环形分配器和导引管出口处喷嘴不同的张角和倾角示意图；

图3a是本发明的低温流体迹线模拟图，图3b是本发明低温流体流动的温度场图；

图4是本发明与HoSon结构形式储箱的无量纲温度比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括与低温制冷机8相连通的换热器3，换热器3设置在仓体1出口并与仓体1相连通，在仓体1内设置有与换热器3相连通的导管2，导管2的另一端安装有与导管2相连通的水平环形分配器4及与水平环形分配器4垂直的导引管6，导引管6位于环形分配器4中心处，导引管6的中线和环形分配器4以及导管2的中线重合，所述的水平环形分配器4的外沿下表面开设有一周环形喷嘴5，导引管6的下端开设有导引管喷嘴7，仓体1的半径为R，导引管6出口距离仓体1底部的距离为0.1-0.15R；环形分配器4的半径取0.75-0.85R；环形喷嘴5的宽度取0.01-0.03R；导引管6直径取0.005-0.01R；导管2长度取0.53R；导管2直径取0.01R时，冷却效果达到最好。

该系统在一定的工作条件下，开启液体泵，将部分饱和低温液体泵送至低温制冷机8中，将其冷却至过冷状态，然后通过水平分配器和垂直导引管共同作用，将过冷液体喷射至仓内，实现仓内低温液体的温度和压力控制。

换热器3内置有液体泵，泵送饱和低温液体至换热器3，并将低温液体冷却至过冷状态。液体泵可以根据实际漏热情况，进行变频控制，改变液体泵送流量，提高系统能效。

本发明的工作原理：仓体1由于壁面吸收热量，使仓体1内的液体蒸发，蒸发产生的气体通过仓体1顶部的环形空隙进入换热器3放出热量，从而凝结成低温液体。低温液体再经过导管2进入环形分配器4。其中大部分液体经过环形分配器4周围的喷嘴5喷出，另外的一部分则通过导引管6从仓体1底部的喷嘴喷出，这部分液体用于冷却仓体底部的壁面，使底部仓体温度均匀。同时，由于底部液体积聚，将增加对上部液体的挤压作用，这样可以延缓顶部流体于仓体壁面的分离速度，增加换热效果。

本发明所提供的改进喷淋式ZBO低温储仓在整个流体区域有六个较大的循环，绝大部分壁面附近的流体都有较高的切向速度。引入的低温流体对壁面直接进行冷却，冷却效率较高，且减少了由于壁面的温度大于液体的沸点而在壁面形成气泡的可能。同时液体在壁面附近保持了较高的速度，即使产生了气泡后也能够很快的将气泡带走，避免气泡在壁面长时间停留而造成压力的迅速升高和脱离时产生的压力波动，有利于延长储仓的使用寿命。

在空间中，由于储箱的姿态以及外来辐射的变化，储箱表面接受的来自外界的热量也会随着外界环境的变化而产生变化，因此可以在换热效果最优的前提下，在导引管出口配置不同张角的喷嘴，且在环形分配器上配置不同倾角的喷嘴，以有效地降低局部热量造成的储箱局部区域的高温，有效抑制热分层，如图2所示，导引管喷嘴的张角范围为0°到20°，图中所示为张角为10°和张角为20°的情况。环形分布器喷嘴的倾角范围为-15°到35°，图中所示分别为倾角为-15°和倾角为35°的情况。由于在不同时刻，储箱表面接受的来自外界的热量大小也会不相同，因此换热器中配置的液体泵需要根据热量随时间的周期变化曲线进行变频控制，改变循环流体的流量，从而将储箱内的低温流体维持在一个恒定的较低的温度下，从而避免冷量的浪费，进而提高系统能效。

采用本发明降低了仓体底部壁面的最高温度（0.1K），也降低了整个仓体的平均温度。

图3为改进后的仓体结构中低温流体流动的迹线模拟图和温度场图，从图左中可看出整个流体区域有三个较大的循环，绝大部分壁面附近的流体都有较高的切向速度。从图右可以看到，在贮仓顶部和底部有两个高温区域，其中顶部高温区域的形成是由于流体在出口低压牵引作用下做贴壁向上流动过程中，流体与壁面进行换热，当流体到达顶部时与壁面发生了分离，此时此处流体的温度已经较高，冷却作用下降，因此此处壁面的温度较高；而底部高温区形成的原因是与壁面进行换热的两股高温流体在此处相遇，并形成滞止区，由于这里的热量很难被流体带走，从而使温度升高。

图4所示为Hoson提出的结构形式和本发明结构的储箱壁面最高无量纲温度的对比。图中可以看到，本发明结构壁面的最高温度相较于HoSon中的最高温度有较大幅度的下降，第一个峰值（底部高温区）的最大无量纲温度值从0.045下降到0.038，降低幅度为15.6﹪，第二个峰值的最大无量纲温度值从0.044下降到0.034，降低幅度为22.7﹪。因此，本发明所提出的新结构形式较HoSon结构对壁面的冷却效果要好很多，从而可以更大程度上减小、液氢因过热而蒸发的可能性，有利于液氢的安全储存。

与传统的喷淋储仓相比，本发明在所述的环形分配器中心连接一个导引管，这样可使一部分低温液体进入仓底，降低仓底的温度，在储箱壁面形成了良好的贴壁流动，削弱了壁面附近的滞止区，减小了壁面附近的高温区域的温度和面积，因此在同样的漏热情况下，可使仓体外壳的温度更趋于均匀，有效抑制热分层。本发明解决了常规低温液体主动储运系统的效率低下问题，对于深冷低温液体（液氢、液氧、液氮、液氦）的长寿命无损储运具有重要的现实意义，尤其适用于低温液体的空间储存，从而可有效地解决空间能源匮乏问题，提高系统性能，并延长低温存储系统的有效工作周期。

Claims (6)

1.一种喷淋式主动冷却装置，其特征在于：包括仓体（1）以及设置在仓体（1）出口并与仓体（1）相连通的换热器（3）及布置在换热器（3）内的液体泵，在仓体（1）内设置有与换热器（3）相连通的导管（2），导管（2）的另一端安装有与导管（2）相连通的水平环形分配器（4）及与水平环形分配器（4）相垂直的导引管（6），所述的水平环形分配器（4）的外沿下表面开设有一环形喷嘴（5），导引管（6）的下端开设有导引管喷嘴（7）。

2.根据权利要求1所述的喷淋式主动冷却装置，其特征在于：所述的导引管（6）位于环形分配器（4）中心处，导引管（6）的中线和环形分配器（4）以及导管（2）的中线重合。

3.根据权利要求1所述的喷淋式主动冷却装置，其特征在于：所述的仓体（1）半径为R，导引管（6）出口距离仓体（1）底部的距离为0.1-0.15R，导引管（6）直径取0.005-0.01R；水平环形分配器（4）的半径为0.75-0.85R；环形喷嘴（5）的宽度为0.01-0.03R；导管（2）长度为0.53R，直径为0.01R。

4.根据权利要求1所述的喷淋式主动冷却装置，其特征在于：所述的导引管喷嘴（7）张角为0°～20°。

5.根据权利要求1所述的喷淋式主动冷却装置，其特征在于：所述的环形喷嘴（5）喷射倾角为-15°～35°。

6.根据权利要求1所述的喷淋式主动冷却装置，其特征在于：所述的换热器（3）的换热管与低温制冷机（8）相连通。

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