CN105444591B - 一种消除低温推进剂储箱中热分层的换热喷射装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消除低温推进剂储箱中热分层的换热喷射装置，该装置包括三套管式换热器、分液器、安装法兰及喷射器，三套管式换热器包括同心设置的内管、中间管及外管，内管、中间管与外管之间的夹层同时与分液器连通，构成三套管式换热器的一个双程换热通道，内管与中间管之间的夹层为三套管式换热器的另一个换热通道，且该夹层连通入口管与出口管，安装法兰同时与内管、中间管及外管焊接连接，且安装法兰中心开设与内管内部连通的开口，喷射器安装在外管外壁上，并和中间管与外管之间的夹层相通。与现有技术相比，本发明结构简单、换热效率高、喷射效果明显，可有效消除低温推进剂储箱中的热分层，达到辅助控制低温推进剂储箱压力的目的。

Description

一种消除低温推进剂储箱中热分层的换热喷射装置

技术领域

本发明涉及一种低温推进剂储箱热控装置，尤其是涉及一种消除低温推进剂储箱中热分层的换热喷射装置。

背景技术

在不可避免的环境漏热条件下，工业生产和航天科技所用的液氢(LH₂)、液氧(LO₂)、液化天然气(LNG)等低温燃料在绝热储箱中贮存时常常出现明显的热分层。尤其是在空间轨道或者深空探测器上，低温推进剂储箱处于空间微重力和强烈非均匀热辐射的恶劣环境下，其热分层尤为严重。局部低温流体的过热气化直接加快了储箱内压力升高的速度，从而影响到储箱的任务周期和排放压力控制策略。在达到与均匀受热等效的热力学临界排放压力之前，通过低温流体自身的流动和热交换，实现仅仅以显热形式的流体温度均匀化升高，是推迟气体排放、延长总储存周期的有效手段。因此，设计和开发一套简单可靠的、能够消除低温推进剂储箱中的热分层进而辅助于低温推进剂储箱压力控制的装置具有重要价值。任何加入旋转搅拌器等需要消耗外部能量、同时存在机械运动部件的方案，都有可能带来实际运行上安全性和可靠性的挑战，尤其是在这些极端低温条件下的易燃易爆流体中。

经过现有技术的检索发现，Hastings等在文献“Spray Bar Zero-Gravity VentSystem for On-orbit Liquid Hydrogen Storage”(NASA Technical Memorandum-2003-212926)中提到了一种喷射杆混合器装置用于消除低温推进剂储箱中的热分层。它采用两个同心套管作为换热器，换热面积较小，且无强化传热结构，换热效率不高；其喷射杆沿径向喷射，对于低温推进剂储箱中的搅动作用有限。该装置在消除热分层方面具有一定效果，但具有一定局限性。

目前已公开的关于消除热分层影响的论文和专利基本上全都集中在消除冷热流体混合时产生的热分层，如中国专利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将管道冷段及管道热段分别连接热管使得热量从管道热段传递到管道冷段，从而消除热分层的新型管道。再如中国专利CN201383351Y针对核电站波动管中的热分层，提出在波动管上安装加热装置对波动管内的下部流体进行加热以减小管道截面上的温差，消除波动管热分层现象。检索未见如何消除低温推进剂储箱中热分层的相关专利公开。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种将喷射功能与换热功能耦合为一体的消除低温推进剂储箱中热分层的换热喷射装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种消除低温推进剂储箱中热分层的换热喷射装置，该换热喷射装置包括三套管式换热器、分液器、安装法兰及喷射器，所述的三套管式换热器包括同心设置的内管、中间管及外管，所述的内管、所述的中间管与外管之间的夹层同时与所述的分液器连通，构成三套管式换热器的一个双程换热通道，所述的内管与中间管之间的夹层为三套管式换热器的另一个换热通道，且所述的内管与中间管之间的夹层连通入口管与出口管，所述的安装法兰同时与内管、中间管及外管焊接连接，且安装法兰中心开设与内管内部连通的开口，所述的喷射器安装在外管外壁上，并和中间管与外管之间的夹层相通。

所述的内管与中间管之间的夹层沿轴向螺旋缠绕扰动丝，且该扰动丝紧贴内管外壁。所述的扰动丝为紫铜丝。通过设置扰动丝，增强流体扰动，提高了换热器效率。

所述的分液器为由顶面与底面组成的腔体结构，所述的分液器的底面同时与内管、中间管及外管连接，所述的分液器的底面中间开设有与内管相通的圆孔，在圆孔的周围开设有四个扇形开孔，所述的扇形开孔和中间管与外管之间的夹层相通。

所述的分液器的顶面为外凸的曲面形状，曲面形状减少了流体经由所述分液器进入所述三套管式换热器外管与中间管之间的夹层时产生的能量损失。

所述的喷射器共有若干组，每组喷射器位于外管外壁的一个平面上，不同组喷射器之间平行设置，每组喷射器共有4个，沿外管外壁成四分圆周切向分布。

所述的喷射器为光滑过渡的L形喷射管，入口端垂直连通在外管侧壁上，出口端平行于外管圆周切向方向。所述的喷射器在外管圆周方向相隔90度沿切向喷射流体，喷射器实现了低温推进剂在储箱内的扰动，增强了消除热分层的效果。

所述的喷射器的出口端内侧开设有螺纹，可以通过在喷射器的出口端是否拧入螺纹堵头来实现按需的非均匀喷射，以适应实际在轨低温推进剂储箱太阳向背时非均匀热流密度的情况。同理，也可以在喷射器的出口端外侧开设螺纹，拧入封闭的螺帽来堵住喷射器。

本发明的换热喷射装置设置使用时，工作过程为：

将本发明的换热喷射装置设置在低温推进剂储箱内部，且通过安装法兰安装在低温推进剂储箱底部预留的与推进剂流道相连的法兰上，所述的推进剂流道与低温推进剂储箱内部连接为循环回路，所述的入口管直接位于低温推进剂储箱内，或直接连接到位于低温推进剂储箱外部，所述的出口管位于低温推进剂储箱内，或直接连接到位于低温推进剂储箱外部。

低温推进剂储箱中的部分推进剂在内外压差的作用下，通过安装法兰中心开口进入三套管式换热器的内管内，与此同时，用于与该部分推进剂换热的由储箱抽取的另一股经过降温的推进剂由入口管进入三套管式换热器的内管与中间管之间的夹层；

三套管换热器中间管与内管夹层内流动的工质在换热完成后由出口管流出，而内管内部流动的推进剂进入分液器；

进入分液器的推进剂通过分液器底部的四个扇形开孔进入三套管式换热器外管与中间管之间的夹层；

进入三套管式换热器外管与中间管夹层的推进剂继续和中间管与内管夹层内的推进剂进行换热，同时每经过一级喷射器时部分推进剂沿喷射器的周向四个喷头喷射进入储箱。通过上述步骤，完成换热与喷射功能的耦合，实现了低温推进剂储箱中的热交换，消除低温推进剂储箱中热分层。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明装置将两股流体换热与其中一股返回储箱的流体喷射双重功能耦合为一体。

2、本发明装置为独立的装置，采用法兰连接，方便安装、拆卸和更换。

3、本发明装置所用换热器为三套管式换热器，通过增加换热面积提高了换热效率。通过储箱内留存流体与排出流体之间的间壁式换热，实现留存流体的温度均匀化。

4、本发明装置换热器中流道螺旋布有扰动丝，使得结构简单、紧凑、换热效率高。

5、本发明装置采用四分圆周切向分布的若干组喷射器进行喷射，搅动效果明显，还可容易地改变喷射头的有效数量和分布，来实现按需的非均匀喷射，以适应实际在轨低温推进剂储箱太阳向背时非均匀热流密度的情况。

6、本发明装置结构简单、换热效率高、喷射效果明显，可有效消除低温推进剂储箱中的热分层，达到辅助控制低温推进剂储箱压力的目的，有助于实现低温推进剂的长期存储。

附图说明

图1为本发明装置的立体结构示意图；

图2为本发明装置的剖视结构示意图；

图3为图1中A-A面剖视结构示意图；

图4为图1中B-B面剖视结构示意图；

图5为图2中C处放大结构示意图；

图6为换热喷射装置设置在低温推进剂储箱内的结构示意图。

图中标号：1为安装法兰，2为三套管式换热器，3为分液器，4为喷射器，5为扇形开孔，6为内管，7为中间管，8为外管，9为出口管，10为缠绕丝，11为入口管，12为低温推进剂储箱，13为换热喷射装置，14为推进剂储箱安装法兰，15为推进剂流道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种消除低温推进剂储箱中热分层的换热喷射装置，如图1～图5所示，该换热喷射装置包括三套管式换热器2、分液器3、安装法兰1及喷射器4，三套管式换热器2包括同心设置的内管6、中间管7及外管8，内管6、中间管7与外管8之间的夹层同时与分液器3连通，构成三套管式换热器2的一个双程换热通道，内管6与中间管7之间的夹层为三套管式换热器2的另一个换热通道，且内管6与中间管7之间的夹层连通入口管11与出口管9，安装法兰1同时与内管6、中间管7及外管8焊接连接，且安装法兰1中心开设与内管6内部连通的开口，喷射器4安装在外管8外壁上，并和中间管7与外管8之间的夹层相通。

参考图2、图4、图5，内管6与中间管7之间的夹层沿轴向螺旋缠绕扰动丝10，且该扰动丝10紧贴内管6外壁。扰动丝10为紫铜丝。通过设置扰动丝10，增强流体扰动，提高了换热器效率。

本实施例中，内管6、中间管7、外管8外径分别为φ14mm、φ19mm和φ24mm的不锈钢管，壁厚均为0.5mm，螺旋缠绕的扰动丝10直径为1.5mm。

参考图1、图2、图3，分液器3为由顶面与底面组成的腔体结构，分液器3的底面同时与内管6、中间管7及外管8连接，分液器3的底面中间开设有与内管6相通的圆孔，在圆孔的周围开设有四个扇形开孔5，扇形开孔5和中间管7与外管8之间的夹层相通。分液器3的顶面为外凸的曲面形状，曲面形状减少了流体经由所述分液器进入所述三套管式换热器外管8与中间管7之间的夹层时产生的能量损失。

参考图1、图2、图4，喷射器4共有若干组，每组喷射器4位于外管8外壁的一个平面上，不同组喷射器4之间平行设置，每组喷射器4共有4个，沿外管8外壁成四分圆周切向分布。喷射器4为光滑过渡的L形喷射管，入口端垂直连通在外管8侧壁上，出口端平行于外管8圆周切向方向。喷射器4在外管8圆周方向相隔90度沿切向喷射流体，喷射器实现了低温推进剂在储箱内的扰动，增强了消除热分层的效果。喷射器4的出口端内侧开设有螺纹，可以通过在喷射器4的出口端是否拧入螺纹堵头来实现按需的非均匀喷射，以适应实际在轨低温推进剂储箱太阳向背时非均匀热流密度的情况。同理，也可以在喷射器4的出口端外侧开设螺纹，拧入封闭的螺帽来堵住喷射器4。

本实施例中，不同组喷射器之间的轴向距离为24mm，喷射器4出口端的喷射头内径为2mm。

本换热喷射装置设置使用时，工作过程为：

如图6所示，将本换热喷射装置13设置在低温推进剂储箱12内部，且通过安装法兰1安装在低温推进剂储箱12底部预留的与推进剂流道15相连的推进剂储箱安装法兰14上，推进剂流道15与低温推进剂储箱12内部连接为循环回路，入口管11直接伸出到低温推进剂储箱12外部，出口管9连接到低温推进剂储箱12外部。

低温推进剂储箱中的部分推进剂在内外压差的作用下，通过安装法兰1中心开口进入三套管式换热器的内管6内，与此同时，用于与该部分推进剂换热的由储箱抽取的另一股经过降温的推进剂由入口管11进入三套管式换热器的内管6与中间管7之间的夹层；

三套管换热器中间管7与内管6夹层内流动的工质在换热完成后由出口管9流出，而内管6内部流动的推进剂进入分液器3；

进入分液器3的推进剂通过分液器3底部的四个扇形开孔5进入三套管式换热器外管8与中间管7之间的夹层；

进入三套管式换热器外管8与中间管7夹层的推进剂继续和中间管7与内管6夹层内的推进剂进行换热，同时每经过一级喷射器4时部分推进剂沿喷射器4的周向四个喷头喷射进入储箱。通过上述步骤，完成换热与喷射功能的耦合，实现了低温推进剂储箱中的热交换，消除低温推进剂储箱中热分层。

上述的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。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种消除低温推进剂储箱中热分层的换热喷射装置，其特征在于，该换热喷射装置包括三套管式换热器(2)、分液器(3)、安装法兰(1)及喷射器(4)，

所述的三套管式换热器(2)包括同心设置的内管(6)、中间管(7)及外管(8)，

所述的内管(6)、所述的中间管(7)与外管(8)之间的夹层同时与所述的分液器(3)连通，构成三套管式换热器(2)的一个双程换热通道，

所述的内管(6)与中间管(7)之间的夹层为三套管式换热器(2)的另一个换热通道，且所述的内管(6)与中间管(7)之间的夹层连通入口管(11)与出口管(9)，

所述的分液器(3)为由顶面与底面组成的腔体结构，所述的分液器(3)的底面同时与内管(6)、中间管(7)及外管(8)连接，所述的分液器(3)的底面中间开设有与内管(6)相通的圆孔，在圆孔的周围开设有扇形开孔(5)，所述的扇形开孔(5)和中间管(7)与外管(8)之间的夹层相通，

所述的安装法兰(1)同时与内管(6)、中间管(7)及外管(8)焊接连接，且安装法兰(1)中心开设与内管(6)内部连通的开口，

所述的喷射器(4)安装在外管(8)外壁上，并和中间管(7)与外管(8)之间的夹层相通；

所述的喷射器(4)共有若干组，每组喷射器(4)位于外管(8)外壁的一个平面上，不同组喷射器(4)之间平行设置，每组喷射器(4)共有4个，沿外管(8)外壁成四分圆周切向分布，所述的喷射器(4)为光滑过渡的L形喷射管，入口端垂直连通在外管(8)侧壁上，出口端平行于外管(8)圆周切向方向，

所述的换热喷射装置设置在低温推进剂储箱内部，且通过安装法兰(1)安装在低温推进剂储箱底部预留的与推进剂流道相连的法兰上，所述的推进剂流道与低温推进剂储箱内部连接为循环回路，所述的入口管(11)直接位于低温推进剂储箱内，所述的出口管(9)直接连接到位于低温推进剂储箱外部。

2.根据权利要求1所述的一种消除低温推进剂储箱中热分层的换热喷射装置，其特征在于，所述的内管(6)与中间管(7)之间的夹层沿轴向螺旋缠绕扰动丝(10)，且该扰动丝(10)紧贴内管(6)外壁。

3.根据权利要求2所述的一种消除低温推进剂储箱中热分层的换热喷射装置，其特征在于，所述的扰动丝(10)为紫铜丝。

4.根据权利要求1所述的一种消除低温推进剂储箱中热分层的换热喷射装置，其特征在于，所述的分液器(3)的顶面为外凸的曲面形状。

5.根据权利要求1所述的一种消除低温推进剂储箱中热分层的换热喷射装置，其特征在于，所述的喷射器(4)的出口端内侧开设有螺纹。