CN106247649B - 一种液氢过冷度获取装置 - Google Patents

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Abstract

一种液氢过冷度获取装置，包括压缩机，压缩机的出口和连接在预冷系统中的预冷换热器的入口连接，预冷换热器的出口和节流装置的入口连接，节流装置的出口和鼓泡装置的入口连接，鼓泡装置位于过冷器的液氢中，过冷器的气氢出口和分离装置的入口连接，分离装置的氢气出口进行氢气回收，分离装置的氦气出口和第四阀门的出口、第五阀门的入口连接，第四阀门的入口和氦气相通，第五阀门的出口和压缩机的入口连接，本发明将鼓泡制冷和绝热节流制冷过程结合在一起，并考虑了氢回收系统，使液氢获取过冷度的成本大大降低、过冷时间减少、主体液氢沸腾程度减弱，过冷器的振动减小，液氢温度场的分布更加均匀。

Description

一种液氢过冷度获取装置
技术领域
本发明涉及低温推进剂过冷技术领域，具体涉及一种液氢过冷度获取装置。
背景技术
低温推进剂(如液氢、液氧、液态甲烷等)由于具有无毒、无污染、低成本、高比冲和大推力等优势，成为应用于大型运载火箭最广泛的一组推进剂，其比冲比常温推进剂高30％～40％。目前，低温推进剂应用时的热力学状态大部分都处于沸点温度附近，其热物理性能具有明显不足，尤其是液氢，其突出缺点是：密度和单位体积显冷量小。为了提高低温推进剂热力学性能，采用过冷的手段，来改善低温推进剂自身的不足，效果非常显著。
低温推进剂过冷方式主要包括换热过冷、抽空过冷和冷氦气鼓泡过冷。对于重型运载火箭来说，其低温推进剂过冷有两个特点：①过冷度大，接近三相点温区；②过冷量大，每发任务需要低温推进剂1000m3以上，国外最大充注量达到8000m3。如果采用低温制冷剂换热过冷方式需要投入大型复杂的氦制冷机，造价高、投资大，不经济，低温液体换热过冷方式只适合用液氮来过冷液氧或液态甲烷；冷氦气鼓泡过冷方式需要大量贵重又稀有的氦气作为工作介质，代价太大，耗费太高，同样不经济，而抽空过冷方式不足之处就是抽空时间过长。因为低温推进剂抽空过冷的速率不仅与真空泵的抽速有关，还与其自身的热物性特点有关。当真空泵抽速加大时，会给系统带来两个致命的后果：①引起贮罐巨烈振动，由于抽速加大，使贮罐内气枕压力快速降低，贮罐内气液界面发生剧烈沸腾，如水在电壶中烧开的情形一样，导致大型贮罐发生强烈振动，轻则螺丝松动，部件掉落，重则引起共振，焊缝开裂，低温推进剂泄漏；②引起低温推进剂温度严重分层，尤其在三相点附近，由于抽速过快，会导致贮罐内气液界面处的液体凝固，而底部的液体过冷度其实并不大。
因此，则急需一种快速、经济、安全可靠的液氢过冷度获取装置，来保障未来运载火箭密集发射时，过冷低温推进剂的高效利用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种液氢过冷度获取装置，将液氢过冷的成本大大降低、过冷时间减少，抑制主体液氢沸腾，振动减小，且能将液氢过冷温度降至近三相点温度。
为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
一种液氢过冷度获取装置，包括压缩机1，压缩机1的出口和连接在预冷系统中的预冷换热器3的入口连接，预冷换热器3的出口和节流装置4的入口连接，节流装置4的出口和鼓泡装置5的入口连接，鼓泡装置5位于过冷器10的液氢7中，鼓泡装置5在液氢7内形成氦气泡6；
过冷器10的气氢8出口和分离装置12的入口连接，分离装置12的氢气出口进行氢气回收，分离装置12的氦气出口和第四阀门14的出口、第五阀门15的入口连接，第四阀门14的入口和氦气相通，第五阀门15的出口和压缩机1的入口连接。
所述的压缩机1为低温氦气压缩机，其设置有预冷系统。
所述的预冷换热器3为氦-氦低温高压换热器。
所述的节流装置4为低温节流阀。
所述的鼓泡装置5为圆盘形多孔结构。
所述的过冷器10，氢在过冷器10中形成液氢7、气氢8和气液界面9，过冷器10为低温贮罐，其绝热方式为高真空多层绝热。
所述的分离装置12为氢-氦低温分离或者膜分离。
本发明的有益效果：
本发明将鼓泡制冷和绝热节流制冷过程结合在一起，并考虑了氢回收系统，使液氢获取过冷度的成本大大降低、过冷时间减少、主体液氢沸腾程度减弱，过冷器的振动减小，液氢温度场的分布更加均匀，且可将过冷温度降至三相点温度，甚至出现浆体液体，为大型运载火箭或重型运载火箭密集、高效的发射提供地面保障和技术支持。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明作进一步说明。
参照图1，一种液氢过冷度获取装置，包括压缩机1，压缩机1的出口通过第一管道16和第一阀门2的入口连接，第一阀门2的出口通过第二管道17和连接在预冷系统中的预冷换热器3的入口连接，预冷换热器3的出口通过第三管道18和节流装置4的入口连接，节流装置4的出口通过第四管道19和鼓泡装置5的入口连接，鼓泡装置5位于过冷器10的液氢7中，鼓泡装置5在液氢7内形成氦气泡6；
过冷器10的气氢8出口通过第五管道20和第二阀门11的入口连接，第二阀门11的出口通过第六管道21和分离装置12的入口连接，分离装置12的氢气出口进行氢气回收，分离装置12的氦气出口通过第七管道22和第三阀门13的入口连接，第三阀门13的出口通过第八管道23和第四阀门14的出口、第五阀门15的入口连接，第四阀门14的入口通过第九管道25和氦气相通，第五阀门15的出口通过第十管道24和压缩机1的入口连接。
所述的压缩机1为低温氦气压缩机，其设置有预冷系统，防止压缩机1损耗，其作用是提高低温氦气的压头，使低温氦气节流后的温度更低。
所述的预冷换热器3为氦-氦低温高压换热器，其作用是降低从压缩机1出来的高压氦气温度，使节流前高压氦气温度降至最高转化点温度以下。
所述的节流装置4为低温节流阀，其作用是通过压降，获取制冷量；
所述的鼓泡装置5为圆盘形多孔结构，其作用是将氦气形成氦气泡。
所述的过冷器10，氢在过冷器10中形成液氢7、气氢8和气液界面9，过冷器10为低温贮罐，其绝热方式为高真空多层绝热，防止外界热量侵入液氢内，造成制冷负荷增加，过冷时间延长。
所述的分离装置12为氢-氦低温分离或者膜分离，其作用是将氢-氦混合气体分离。
所述的第一阀门2、第二阀门11、第三阀门13、第四阀门14、第五阀门15为低温截止阀。
所述的第一管道16、第二管道17、第三管道18、第四管道19、第五管道20、第六管道21、第七管道22、第八管道23、第九管道25、第十管道24为高真空多层绝热低温液体管道。
本发明的工作原理是：
液氢过冷之前，通过移动交通工具将温度处于沸点状态的液氢加注与过冷器10内；然后打开第一阀门2、第二阀门11、第三阀门13、第四阀门14、第五阀门15，启动压缩机1；初始，氦气从第九管道25中加注于循环系统内，当达到循环系统内氦气所需流量时，关闭第四阀门14；氦气经过压缩机1，提高自身压力，通入预冷换热器3，使氦气经历一个等温压缩过程，到达节流装置4入口处，其中预冷氦可通入过冷器10中液氢7内，形成一个循环预冷自回路，来冷却从压缩机1中出来的高压氦气；根据焦耳-汤姆逊效应可知，连续流动的高压流体，在绝热且不对外作功的情况下通过节流阀急剧膨胀到低压时，会引起温度发生变化，故在此通过控制节流装置4两端的压力，使高压氦气流过节流装置4时，进入制冷区，达到氦气温度降低的目的，节流后的低温氦气流入鼓泡装置5，形成氦气泡6，由于氦气泡6的温度低于液氢7的温度，所以氦气泡6会释放显冷量，带走液氢7内的能量，液氢7的温度降低，此过程叫做绝热节流制冷；同时，根据质量扩散和热力学原理可知，当氦气泡6内的氢分压力为零时，氦气泡6周围的氢分子将扩散到氦气泡6内，并流动到过冷器10中气氢8内，此时，液氢7将被蒸发，释放潜热，引起液氢7温度降低，此过程叫做氦气鼓泡制冷；接着，氢-氦混合气体通入分离装置12，将氢-氦混合气体进行分离，分离后，氦气通入压缩机1进行循环利用，假如采用低温分离，氢出来的产物为液氢，可直接回收到过冷器10内，假如采用膜分离，氢出来的产物为气氢，可通入过冷器10中液氢7内进行再液化。本发明将鼓泡制冷和绝热节流制冷过程结合在一起，并考虑了氢回收系统，使液氢获取过冷度的成本大大降低、过冷时间减少、主体液氢沸腾程度减弱，过冷器的振动减小，液氢温度场的分布更加均匀，且可将过冷温度降至三相点温度，甚至出现浆体液体。

Claims (7)

1.一种液氢过冷度获取装置，包括压缩机(1)，其特征在于：压缩机(1)的出口和连接在预冷系统中的预冷换热器(3)的入口连接，预冷换热器(3)的出口和节流装置(4)的入口连接，节流装置(4)的出口和鼓泡装置(5)的入口连接，鼓泡装置(5)位于过冷器(10)的液氢(7)中，鼓泡装置(5)在液氢(7)内形成氦气泡(6)；
过冷器(10)的气氢(8)出口和分离装置(12)的入口连接，分离装置(12)的氢气出口进行氢气回收，分离装置(12)的氦气出口和第四阀门(14)的出口、第五阀门(15)的入口连接，第四阀门(14)的入口和氦气相通，第五阀门(15)的出口和压缩机(1)的入口连接。
2.根据权利要求1所述的一种液氢过冷度获取装置，其特征在于：所述的压缩机(1)为低温氦气压缩机，其设置有预冷系统。
3.根据权利要求1所述的一种液氢过冷度获取装置，其特征在于：所述的预冷换热器(3)为氦-氦低温高压换热器。
4.根据权利要求1所述的一种液氢过冷度获取装置，其特征在于：所述的节流装置(4)为低温节流阀。
5.根据权利要求1所述的一种液氢过冷度获取装置，其特征在于：所述的鼓泡装置(5)为圆盘形多孔结构。
6.根据权利要求1所述的一种液氢过冷度获取装置，其特征在于：所述的过冷器(10)，氢在过冷器(10)中形成液氢(7)、气氢(8)和气液界面(9)，过冷器(10)为低温贮罐，其绝热方式为高真空多层绝热。
7.根据权利要求1所述的一种液氢过冷度获取装置，其特征在于：所述的分离装置(12)为氢-氦低温分离或者膜分离。
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