CN105035363B - 贮箱排气装置及贮箱排气装置的选型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种贮箱排气装置及贮箱排气装置的选型方法，贮箱排气装置用于将贮箱内的气体排出，贮箱排气装置为多孔介质材料制备的圆柱体，圆柱体的顶端与贮箱的排气孔相联；多孔介质材料的外表面涂覆有不浸润涂层；多孔介质材料中孔的孔径沿贮箱排气装置的径向方向逐渐增大，从而在贮箱内气液两相流进入贮箱排气装置的情况下使得其中的液体流在表面张力的作用下沿贮箱排气装置的径向方向排出，进而对气液两相流实现气液分离，解决了现有贮箱排气装置没有考虑气液分离导致对推进剂管理装置依赖性大的技术问题，降低了现有贮箱在排气时必须依赖推进剂管理装置形成大气泡来实现气液分离的依赖性。
Description
技术领域
本发明涉及卫星设备领域，特别地，涉及一种贮箱排气装置。此外，本发明还涉及一种贮箱排气装置的选型方法。
背景技术
在卫星运行时，常常需要将贮箱内的气体排出来控制贮箱内压力，而贮箱排气的前提是贮箱内的推进剂管理装置能够实现贮箱内的气液分离，推进剂管路装置主要是通过在排气时形成大气泡来实现气液分离，这就给贮箱推进剂管理装置的设计提出了很高的要求。此外，为了安全起见，在排气孔出口处还需要设置液体收集装置，从而保证气路的洁净，给贮箱管路系统增加了复杂性。
目前，在贮箱排气孔的设计中尚无考虑气液分离功能，只是通过排气孔位置安排与排气管长短设计来降低排气过程中推进剂排出的可能性。1973年，美国人M.W.Dowdy[1]在《Selection of a Surface-Tension Propellant Management System for the Viking75 Orbiter》一文中详细阐述了Viking 75号卫星中的板式表面张力贮箱内的排气孔设计，其设计方案主要有三种形式：分别为扩展式排气管、内缩式排气管、一体式排气管。对于扩展式排气管，其优点是排气时只有少量的推进剂排出，但影响贮箱内气泡的稳定性；对于内缩式排气管的安排是排气时，有较少推进剂排出，并且有利于气泡定位；一体式的排气管安装在中心导流板中，几乎没有推进剂排出。目前大部分卫星以及在轨加注实验贮箱，仍然采用以上三种形式的排气装置，而以上三种排气装置，设计都比较简单，未考虑气液分离功能，对贮箱内推进剂管理装置依赖较大。所以亟需提供一种能实现气液分离，从而降低贮箱对推进剂管理装置的依赖性的贮箱排气装置。
发明内容
本发明提供了一种贮箱排气装置和贮箱排气装置的选型方法，以解决现有贮箱排气装置没有考虑气液分离导致对推进剂管理装置依赖性大的技术问题。
根据本发明的一方面，提供了一种贮箱排气装置，用于将贮箱内的气体排出，
贮箱排气装置为多孔介质材料制备的圆柱体，圆柱体的顶端与贮箱的排气孔相联；
多孔介质材料的外表面涂覆有不浸润涂层；
多孔介质材料中孔的孔径沿贮箱排气装置的径向方向逐渐增大，用于将进入贮箱排气装置中的气液两相流中的液体流沿贮箱排气装置的径向方向排出。
进一步地，多孔介质材料为泡沫金属。
进一步地，贮箱排气装置由一层泡沫金属构成，该层泡沫金属中孔的孔径沿贮箱排气装置的径向方向逐渐增大。
进一步地，贮箱排气装置包括至少二层沿贮箱排气装置的径向布置的多层泡沫金属，每层泡沫金属中孔的孔径相同，不同层泡沫金属中孔的孔径沿贮箱排气装置的径向方向逐渐增大。
进一步地，贮箱排气装置由三层泡沫金属构成，中间层泡沫金属为泡沫铝。
进一步地，贮箱排气装置的侧壁边缘开有与贮箱的导流板连通的导流孔。
根据本发明的另一方面，还提供了一种贮箱排气装置的选型方法，包括：
选择不溶于推进剂的多孔介质材料，以及选择使推进剂与多孔介质材料的接触角大于90度的不浸润涂层；
根据贮箱排气时的内外压差，推进剂表面张力确定贮箱排气装置的最内层等效孔径，并根据工程实际情况选择贮箱排气装置的最外层等效孔径；
根据内外压差、最内层等效孔径确定排气装置长度；
根据排气装置长度、最内层等效孔径、最外层等效孔径确定贮箱排气装置的最大宽度。
进一步地，根据贮箱排气时的内外压差，确定贮箱排气装置的最内层等效孔径具体为：
其中，rmin为贮箱排气装置的最内层等效孔径，ΔP为贮箱排气时内外压差，σ为推进剂表面张力，θ为推进剂与多孔介质材料的接触角。
进一步地，根据内外压差、最内层等效孔径确定排气装置长度具体为：
其中，L为贮箱排气装置的长度、Kmin为贮箱排气装置最内层渗透率，φ为多孔介质的孔隙率，n为安全系数，μg为气体粘度，Q为排气体积流速，A为贮箱出口排气通道截面积。
进一步地，根据排气装置长度、最内层等效孔径、最外层等效孔径确定贮箱排气装置的最大宽度具体为：
其中，Kmax为贮箱排气装置最外层渗透率、rmax为贮箱排气装置的最外层等效孔径、φmax为多孔介质孔隙率的最大值、φmin为多孔介质孔隙率的最小值、Ul为液体流通过贮箱排气装置长度时的速度、W为贮箱排气装置的最大宽度，Kaver为贮箱排气装置径向平均渗透率，t为液体流通过贮箱排气装置的时间，ΔPc为表面张力，μl为液体动力粘度。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的贮箱排气装置，用于将贮箱内的气体排出，贮箱排气装置为多孔介质材料制备的圆柱体，圆柱体的顶端与贮箱的排气孔相联；多孔介质材料的外表面涂覆有不浸润涂层；多孔介质材料中孔的孔径沿贮箱排气装置的径向方向逐渐增大，从而在贮箱内气液两相流进入贮箱排气装置的情况下使得其中的液体流在表面张力的作用下沿贮箱排气装置的径向方向排出，进而对气液两相流实现气液分离，解决了现有贮箱排气装置没有考虑气液分离导致对推进剂管理装置依赖性大的技术问题，降低了现有贮箱在排气时必须依赖推进剂管理装置形成大气泡来实现气液分离的依赖性。
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。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的贮箱排气装置示意图；
图2是本发明优选实施例的贮箱排气装置的安装示意图；
图3是本发明优选实施例的贮箱排气装置实现气液分离的原理示意图；
图4是本发明优选实施例的贮箱排气装置采用三层泡沫金属层的截面示意图；
图5是本发明优选实施例的贮箱排气装置的选型方法流程示意图。
附图标记：
1、贮箱排气装置；2、贮箱；3、排气孔；4、导流板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参照图1和图2，本发明的优选实施例提供了一种贮箱排气装置1，用于将贮箱2内的气体排出，贮箱排气装置1为多孔介质材料制备的圆柱体，圆柱体的顶端与贮箱2的排气孔3相联；
多孔介质材料的外表面涂覆有不浸润涂层；
多孔介质材料中孔的孔径沿贮箱排气装置1的径向方向逐渐增大，从而实现将进入贮箱排气装置1中的气液两相流中的液体流沿贮箱排气装置1的径向方向排出。
本发明的贮箱排气装置1，用于将贮箱2内的气体排出，贮箱排气装置1为多孔介质材料制备的圆柱体，圆柱体的顶端与贮箱2的排气孔3相联；多孔介质材料的外表面涂覆有不浸润涂层；多孔介质材料中孔的孔径沿贮箱排气装置1的径向方向逐渐增大，从而在贮箱2内气液两相流进入贮箱排气装置1的情况下使得其中的液体流在表面张力的作用下沿贮箱排气装置1的径向方向排出，进而对气液两相流实现气液分离，解决了现有贮箱排气装置1没有考虑气液分离导致对推进剂管理装置依赖性大的技术问题，降低了现有贮箱2在排气时必须依赖推进剂管理装置形成大气泡来实现气液分离的依赖性。
本实施例采用多孔介质材料构成的贮箱排气装置1实现气液分离的原理如下：
参考图3，一个液滴夹在锥形管中，R＞r，液滴与管壁接触角为θ，θ＞90°，其中，P为液滴内部压强，P1为液滴左侧受到压力，P2为液滴左侧受到压力，σ为推进剂表面张力，由Young-Laplace方程可得，为了保持液滴的平衡，则：
当θ＞90°时，
又由于R＞r，所以当P1＞P2时，液滴处于平衡状态，而当P1＝P2时，液滴则会向左运动，即向孔径大的方向运动。在贮箱排气装置1中，类似锥形的管道中，若有液滴，液滴两侧的压强是相等的，因此液滴会向贮箱排气装置1中孔径大的方向运动，即沿贮箱排气装置1的径向方向排出，从而实现了气液分离。
可选地，多孔介质材料为泡沫金属。本实施例用于制备贮箱排气装置1的多孔介质材料不限于泡沫金属，常见的多孔介质材料还包括：砂岩、透水石、多孔陶瓷、多孔塑料、针孔塑料等材料。
可选地，贮箱排气装置1由一层泡沫金属构成，该层泡沫金属中孔的孔径沿贮箱排气装置1的径向方向逐渐增大。
可选地，贮箱排气装置1包括至少二层沿贮箱排气装置1的径向布置的多层泡沫金属，每层泡沫金属中孔的孔径相同，不同层泡沫金属中孔的孔径沿贮箱排气装置1的径向方向逐渐增大。一般来说，多孔介质材料在实际加工中，很难实现绝对的线性梯度变化，因此需要根据排气装置宽度以及工程加工能力选择等差孔径的分布，即设置若干层，层与层之间的等效孔径可选为等差分布。通过采用多层泡沫金属材料制成贮箱排气装置1，降低了泡沫金属材料的加工难度和加工成本。
可选地，贮箱排气装置1由三层泡沫金属构成，中间层泡沫金属为泡沫铝。按照现有实验经验，三层不同孔径的多孔介质材料已经能够满足工程要求。如图4所示，本实施例提供了一种采用三层泡沫金属材料制成的贮箱排气装置1，贮箱排气装置1中间层选取孔径为0.5mm的泡沫铝，最内层直径为8mm，中间层为14mm，最外层为20mm。
可选地，贮箱排气装置1的侧壁边缘开有与贮箱2的导流板4连通的导流孔。本实施例将导流孔设置在贮箱排气装置1的侧壁顶端边缘，从而实现当进入贮箱2的气液两相流中的液体流在表面张力的作用下向孔隙更大的装置边缘运动时，可以直至贮箱2导流板4，从而在贮箱2排气口处无需设计液体收集装置，进一步降低了现有贮箱排气装置1在排气孔3出口处设置液体收集装置而给贮箱2管路系统增加的复杂度。
根据本发明的另一方面，还提供了一种贮箱排气装置1的选型方法，包括：
步骤S101，选择不溶于推进剂的多孔介质材料，以及选择使推进剂与多孔介质材料的接触角大于90°的不浸润涂层；
步骤S103，根据贮箱2排气时的内外压差，推进剂表面张力确定贮箱排气装置1的最内层等效孔径，并根据工程实际情况选择贮箱排气装置1的最外层等效孔径；
步骤S105，根据内外压差、最内层等效孔径确定排气装置长度；
步骤S107，根据排气装置长度、最内层等效孔径、最外层等效孔径确定贮箱排气装置1的最大宽度。
可选地，根据贮箱2排气时的内外压差，确定贮箱排气装置1的最内层等效孔径具体为：
其中，rmin为贮箱排气装置1的最内层等效孔径，ΔP为贮箱2排气时内外压差，σ为推进剂表面张力，θ为所述推进剂与所述多孔介质材料的接触角。
可选地，根据内外压差、最内层等效孔径确定排气装置长度包括具体为：
其中，L为贮箱排气装置1的长度、Kmin为贮箱排气装置1最内层渗透率，φ为多孔介质的孔隙率，n为安全系数，μg为气体粘度，Q为排气体积流速，A为贮箱2出口排气通道截面积。
可选地，根据排气装置长度、最内层等效孔径、最外层等效孔径确定贮箱排气装置1的最大宽度具体为：
其中，Kmax为贮箱排气装置1最外层渗透率、rmax为贮箱排气装置1的最外层等效孔径、Ul为液体流通过贮箱排气装置1长度时的速度、W为贮箱排气装置1的最大宽度，Kaver为贮箱排气装置1径向平均渗透率，ΔPc为表面张力，φmax为多孔介质孔隙率的最大值，φmin为多孔介质孔隙率的最小值，μl为液体动力粘度，t为液体流通过贮箱排气装置1的时间，一般来讲，贮箱2内的气液两相流是沿贮箱排气装置1的底端进入，并沿装置孔径大的方向排出，如参考图1中液体流的流向箭头方向，但本实施例贮箱2内的气液两相流也不限于只从底端进入，例如还能从贮箱排气装置1的侧面进入，本实施例能将进入贮箱排气装置1的气液两相流中的液体流沿装置的径向方向排出。由于在排气装置尺寸的设计过程中希望该装置有较大的长度，较小的宽度，以保证液滴在沿贮箱排气装置1的轴向运动过程中，有足够的时间被排挤出装置，因此本实施例确定的W为贮箱排气装置1设计选型时的最大宽度。
本实施例选择由三层泡沫金属材料制成的，要求贮箱2内空气在10000Pa内外压差的情况下，以0.5m/s的速度排出的用于分离水和空气的贮箱排气装置1设计为例，进一步对贮箱排气装置1的选型方法进行说明：
步骤S101，选择不溶于推进剂的多孔介质材料，以及选择使推进剂与多孔介质材料的接触角大于90°的不浸润涂层；
本实施例选择泡沫金属作为多孔介质材料，由于水与特氟龙的接触角为θ＝150°，因此选择特氟龙乳液作为泡沫金属的不浸润涂层。
步骤S103，根据贮箱2排气时的内外压差，推进剂表面张力确定贮箱排气装置1的最内层等效孔径，并根据工程实际情况选择贮箱排气装置1的最外层等效孔径；
根据公式(1)，在已知贮箱2排气时的内外压差、水的表面张力σ＝0.072N/m情况下，可确定贮箱排气装置1的最内层等效孔径约为10μm，最内层多孔介质可以选择市场上比较常见的烧结不锈钢滤芯，其等效孔径一般为0.5μm～100μm，孔隙率一般为25％～50％，这里选择10μm等效孔径，孔隙率为30％的烧结不锈钢作为贮箱排气装置1的最内层。而对于最外层的多孔介质，一般选择具有较大孔径的多孔介质，目前市场上，泡沫铝的等效孔径在0.2mm～2mm之间，孔隙率在70％～90％，因此，本实施例选择最外层等效孔径为1mm，孔隙率为90％的泡沫铝作为排气装置的最外层泡沫金属。
步骤S105，根据内外压差、最内层等效孔径确定排气装置长度；
根据公式(2)，在已知安全系数n为20、内外压差为10000Pa、最内层等效孔径为10μm的情况下，可得到贮箱排气装置1的长度为2cm；
步骤S107，根据排气装置长度、最内层等效孔径、最外层等效孔径确定贮箱排气装置1的最大宽度。
根据公式(3)，可得到液体通过最内层多孔介质平均速度为0.0019m/s，通过时间为10.5秒，平均渗透率为5.62×10-8m2，同时根据步骤103中选择的等效孔径为1mm，孔隙率为90％的泡沫铝作为排气装置的最外层泡沫金属，可确定贮箱排气装置1最内层与最外层的表面张力压差ΔPc约为12000Pa；最终得到贮箱排气装置1的最大宽度为5m，由于贮箱排气装置1的长度安全系数选取较大，使得排气装置宽度有很大设计范围，贮箱排气装置1实际宽度只要小于该值即可，本实施例选择贮箱排气装置1宽度为2cm。本实施例中，贮箱排气装置1中间层选取孔径为0.5mm的泡沫铝，最内层直径为8mm，中间层外径为14mm，最外层为20mm。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种贮箱排气装置，用于将贮箱(2)内的气体排出，其特征在于，
所述贮箱排气装置(1)为多孔介质材料制备的圆柱体，所述圆柱体的顶端与所述贮箱(2)的排气孔(3)相联；
所述多孔介质材料的外表面涂覆有不浸润涂层；
所述多孔介质材料中孔的孔径沿所述贮箱排气装置(1)的径向方向逐渐增大，用于将进入所述贮箱排气装置(1)中的气液两相流中的液体流沿所述贮箱排气装置(1)的径向方向排出。
2.根据权利要求1所述的贮箱排气装置，其特征在于，
所述多孔介质材料为泡沫金属。
3.根据权利要求2所述的贮箱排气装置，其特征在于，
所述贮箱排气装置(1)由一层泡沫金属构成，该层所述泡沫金属中孔的孔径沿所述贮箱排气装置(1)的径向方向逐渐增大。
4.根据权利要求2所述的贮箱排气装置，其特征在于，
所述贮箱排气装置(1)包括至少二层沿所述贮箱排气装置(1)的径向布置的多层泡沫金属，每层所述泡沫金属中孔的孔径相同，不同层所述泡沫金属中孔的孔径沿所述贮箱排气装置(1)的径向方向逐渐增大。
5.根据权利要求4所述的贮箱排气装置，其特征在于，
所述贮箱排气装置(1)由三层泡沫金属构成，中间层所述泡沫金属为泡沫铝。
6.根据权利要求5所述的贮箱排气装置，其特征在于，
所述贮箱排气装置(1)的侧壁边缘开有与所述贮箱(2)的导流板(4)连通的导流孔。
7.一种如权利要求1至6中任一项所述的贮箱排气装置的选型方法，其特征在于，包括：
选择不溶于推进剂的多孔介质材料，以及选择使所述推进剂与所述多孔介质材料的接触角大于90°的不浸润涂层；
根据所述贮箱(2)排气时的内外压差，所述推进剂表面张力确定所述贮箱排气装置(1)的最内层等效孔径，并根据工程实际情况选择所述贮箱排气装置(1)的最外层等效孔径；
根据所述内外压差、所述最内层等效孔径确定排气装置长度；
根据所述排气装置长度、所述最内层等效孔径、所述最外层等效孔径确定所述贮箱排气装置(1)的最大宽度。
8.根据权利要求7所述的贮箱排气装置的选型方法，其特征在于，根据贮箱(2)排气时的内外压差，确定贮箱排气装置(1)的最内层等效孔径具体为：
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其中，rmin为所述贮箱排气装置(1)的最内层等效孔径，ΔP为贮箱(2)排气时内外压差，σ为推进剂表面张力，θ为所述推进剂与所述多孔介质材料的接触角。
9.根据权利要求8所述的贮箱排气装置的选型方法，其特征在于，根据所述内外压差、所述最内层等效孔径确定排气装置长度具体为：
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其中，L为所述贮箱排气装置(1)的长度、Kmin为所述贮箱排气装置(1)最内层渗透率，φ为所述多孔介质材料的孔隙率，n为安全系数，μg为气体粘度，Q为排气体积流速，A为所述贮箱(2)出口排气通道截面积。
10.根据权利要求9所述的贮箱排气装置的选型方法，其特征在于，根据所述排气装置长度、所述最内层等效孔径、所述最外层等效孔径确定所述贮箱排气装置(1)的最大宽度具体为：
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其中，Kmax为所述贮箱排气装置(1)最外层渗透率、rmax为所述贮箱排气装置(1)的最外层等效孔径、φmax为所述多孔介质孔隙率的最大值、φmin为所述多孔介质孔隙率的最小值、Ul为液体流通过所述贮箱排气装置(1)长度时的速度、W为所述贮箱排气装置(1)的最大宽度，Kaver为所述贮箱排气装置(1)径向平均渗透率，t为所述液体流通过贮箱排气装置(1)的时间，ΔPc为表面张力，μl为液体动力粘度。
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