CN108150822A - 一种带有排气冷能利用的低温液氢储罐 - Google Patents

Abstract

本发明为一种带有排气冷能利用的低温液氢储罐，该装置包括低温液氢储罐、循环泵、节流阀、正仲氢转化装置、套管式换热器、排气冷却盘管、抽排气泵、排气阀、仲氢转化催化剂。本发明采用了逆流式套管换热器来提高换热器换热效率。饱和或过热氢气在排出罐体后进入正仲氢转化装置，在催化剂作用下，将仲氢催化转化为正氢。由于催化过程吸收了罐内热量，排气可以带走更多的气相热量。经催化转化后的正氢气体经缠绕在罐体外部绝热层中的冷却盘管形成一层冷屏，最大限度的减少外部漏热。本发明装置结构简单，换热效率较高，实现了氢气排放过程中冷能的充分利用并有效的控制了罐体压力，为低温推进剂长期储存及罐体压力控制提供了有效保障。

Description

一种带有排气冷能利用的低温液氢储罐

技术领域

本发明涉及一种低温推进剂储存装置，具体说是一种带有排气冷能利用的低温液氢储罐，属于低温推进剂储存以及流体管理领域。

背景技术

低温推进剂，具有高比冲、无毒无污染以及容易获得等优异特性，在航空航天领域得到了广泛应用。目前，低温液氢、液氧已被美国认为是未来深空探测的首选推进剂组合。然而，由于低温推进剂储存温度较低，受热很容易升温并带来流体热分层，进而造成罐体压力的升高，这对运行在空间轨道以及深空探测器上的低温推进剂储罐是极其危险的，一旦罐体压力超过极限，很容易造成航天器的失事爆炸，因此需采取有效的被动防绝热措施来减少罐体漏热，同时采用主动压力控制措施对罐体压力进行有效控制。

现有的低温贮箱被动防绝热措施包括采用高真空多层绝热材料以及蒸汽冷却屏绝热。罐体压力控制方式主要包括直接排气降压、采用喷射混合装置的喷射降压、采用带制冷机的主动制冷降压以及热力学排气控压。直接排气控压虽然操作简便，但会造成排气阀频繁启闭，同时带来较大的排气损失；喷射混合降压仅是实现了热量从气相到液相的转移，并没有从根本上消除外部漏热，不适于低温推进剂的长期储存；采用带制冷机的主动制冷技术可从根本上消除外部漏热并降低罐体压力，然而目前国际国内并不具备制造低温、大制冷量低温制冷机的能力，这也限制了主动制冷技术在低温推进剂罐体压力控制方面的应用。而热力学排气其通过节流一小部分流体，利用这部分流体的气化潜热以及显热来冷却箱内大部分流体，仅以牺牲小部分流体为代价，就可以实现箱内流体热分层的消除以及罐体压力的控制，是目前最具前景的低温推进剂罐体压力控制方式。

现有的热力学排气系统主要包括低温储罐体、循环泵、同心套管换热器、节流阀、排气阀以及其他管路设施。美国NASA所研究热力学排气系统中核心换热部件为顺流式同心套管换热器，其换热效率相对较低，并且没有考虑排气的冷能利用。因此，设计一套高效可靠的换热系统、冷却隔热系统，对有效降低罐体漏热，实现罐体压力良好控制具有重要价值及意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术所存在的缺陷，提出一种带有排气冷能利用的低温液氢储罐装置，将冷热流体高效换热的逆流式换热器与排气冷却屏隔热系统相耦合，低温氢气在排出罐体之前，经催化转化装置进行仲氢到正氢的转化，并吸收罐体内部大量气相热量，最大限度的移除罐体漏热，实现罐体压力的良好控制。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种带有排气冷能利用的低温液氢储罐，包括低温液氢储罐体、低温循环泵、节流阀、正仲氢转化装置、逆流式套管换热器、流体喷射棒、抽排气泵。

所述低温液氢储罐体，包括内罐以及外罐，内罐套装于外罐内，内罐和外罐之间的空间内均匀缠绕排气冷却盘管并填充绝热材料，所述排气冷却盘管处于绝热材料中间。所述逆流式套管换热器竖向置于内罐内部，逆流式套管换热器包括外管与内管。其特征是：

所述的低温循环泵的进口从下部连通内罐，其出口从上部接入逆流式套管换热器的内管，逆流式套管换热器的内管下端接所述流体喷射棒，构成大股流体循环回路。所述流体喷射棒为直立于逆流式套管换热器四周的竖向管路，管路上开设有多个细小的喷射口，被冷却流体经喷射口射入罐体内部。

所述的节流阀一端连通内罐内部，另一端连通逆流式套管换热器外管下端，构成小股流体的节流制冷回路，其主要用于低温流体的节流降压，使单相流体节流后变为气液两相流体。

所述正仲氢转化装置进口连接逆流式套管换热器外管上端，出口连接排气冷却盘管上端口，排气冷却盘管下端口连接所述抽排气泵，构成高温气体排气回路，采用排气带走罐体壁面漏热。抽排气泵后接排气阀，用于对经过冷却盘管后过热排气进行控制。

所述正仲氢转化装置中填充仲氢转化固体化学催化剂，其形状为粉末状、颗粒状、微球状或条块状。

所述低温推进剂为液氢。

所述节流阀为低温针阀。

所述低温循环泵为液氢循环泵。

所述抽排气泵为离心泵。

循环泵从罐体底部抽吸的大股流体经管路直接进入逆流式套管换热器内管；而小股流体经节流阀后，变为气液两相流，其进入逆流式套管换热器内管与外管之间的环管。在逆流式套管换热器内，单相流体与两相流体进行换热。

所述喷射棒为直立于罐体内部的对称布置的薄壁不锈钢管。

本发明装置，使用时，工作过程为：低温推进剂在循环泵的抽吸下，从罐体底部经大股流体循环回路，自罐体顶部进入逆流式套管换热器内管，穿过换热器之后经竖直喷射棒喷射入罐体内部气液相空间。当箱内低温推进剂流体具有一定的过冷度时，仅通过循环泵的抽吸喷射过程就可以实现罐体压力的控制，而当箱内低温流体的过冷度被消耗殆尽后，此时需开启节流制冷模式。

低温推进剂在循环泵的抽吸下，从罐体底部经大股流体回路，自罐体顶部进入逆流式套管换热器内管。

同时在罐体内外压差作用下，小部分流体经节流阀节流降压，经节流制冷回路进入逆流式套管换热器内外管环形腔。

逆流式套管换热器内管单相流体与内外管环形腔内的两相流进行逆向流动换热。

两相流体吸收内管以及罐体内部高温流体的热量后升温气化，最终变为饱和气体或过热气体排出罐体。

逆流式套管换热器内管单相流体在两相流体的冷却下，温度降低，并最终汇聚在逆流式套管换热器底端。

汇聚在逆流式套管换热器底端的被冷却流体经竖立的对称布置的喷射棒直接喷射到箱内气液相区，通过将冷量带入气液相，消除气液相区温度分层，实现罐体压力控制。

变为饱和或过热状态的高温排气经正仲氢转化装置。从套管式换热器出来的氢气绝大部分为仲氢气体，其在转化催化剂的作用下吸热向正氢转化。由于氢的仲正转化会吸收大量的热量，因此该过程会使得储罐内气体被冷却，有效减少了箱内气体积聚的外部漏热量。经转化后的气体温度并没有很大的升高，此时低温氢气再经过缠绕在罐体内外罐体间的排气冷却盘管，吸收大部分高温罐体漏热后，变为温度更高的气体，最后在抽排气泵的抽吸下，经排气阀排出冷却盘管，实现了排气冷能的最大化利用。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及效果：

1.本发明装置采用了逆流式套管换热器，高温单相流体与低温两相流体进行逆向流动换热，大大提高了换热效率。

2.本发明装置设置了正仲氢转化装置，仲氢气体进入转化装置后，经过催化转化为正氢气体，通过吸收罐体内部气相大部分热量，有效的降低箱内气体温度与罐体压力。

3.本发明装置中正仲氢转化装置中填充有粉末状、颗粒状、微球状或条块状催化剂，可以根据需求选择不同形状的催化剂，最大限度的增加气体与催化剂的接触面积，促进仲氢气体向正氢气体的高效转化。

4.本发明装置设置了缠绕在罐体的冷却盘管，经过催化转化后的正氢气体直接引入冷却盘管，实现了排气冷能的高效利用，同时有效降低了罐体漏热。

5.本发明装置通过设置缠绕在罐体壁面的冷却盘管，有效降低了罐体壁面高温及低温温区的差别，降低了罐体的热应力强度，有效延长了罐体的使用寿命。

6.本发明装置通过设置竖向的对称布置的喷射棒，流体的喷射增加了箱内气液相间的扰动，提高了换热效率，有利于实现罐体压力的快速降低。

7.本发明装置结构简单，喷射强度大，换热效率好，可有效的消除箱内气液相的温度分层，实现罐体压力的良好控制，对低温推进剂的长期贮存具有较好的应用价值及推广前景。

附图说明

图1为本发明一种带有排气冷能利用的低温液氢储罐结构示意图；

图2为冷却盘管缠绕示意图。

图中标号：1为低温液氢储罐体，2为低温循环泵，3为节流阀，4为正仲氢转化装置，5为逆流式套管换热器，6为流体喷射棒，7为抽排气泵，8为排气阀，9为仲氢转化催化剂，10为大股流体循环回路，11为高温气体排气回路，12为小股流体的节流制冷回路，13为低温储罐外罐，14为逆流式套管换热器外管，15为逆流式套管换热器内管，16为排气冷却盘管，17为低温推进剂储罐体内罐。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步说明本发明的技术方案。

参照图1，本发明提出的一种带有排气冷能利用的低温液氢储罐，低温液氢储罐1、低温循环泵2、节流阀3、正仲氢转化装置4、逆流式套管换热器5、流体喷射棒6以及抽排气泵7、排气阀8、仲氢转化催化剂9、大股流体循环回路10、高温气体排气回路11、节流制冷回路12与排气冷却盘管16。

所述的低温液氢储罐体1，包括内罐17以及外罐13，罐内流体为低温推进剂，分别由气氢与液氢组成。内外罐体之间填充有绝热材料，同时排气冷却盘管16缠绕在内罐外壁上（见图2），处在绝热材料中间。

所述的低温循环泵2为低温推进剂专用循环泵，其进口连通内罐17底部，其出口从上部接入逆流式套管换热器的内管15，逆流式套管换热器5的内管15下端接所述流体喷射棒6，构成大股流体循环回路10。

所述的节流阀3是整个系统冷量产生的关键部件，串联在节流制冷回路12上，节流制冷回路12一端连通内罐17内部，另一端连通逆流式套管换热器5外管14下端，构成小股流体的节流制冷回路，主要用于低温流体的节流降压，使单相流体节流后变为气液两相流体。

所述正仲氢转化装置4主要用于仲氢排气向正氢的转化，其与排气管路11构成高温气体排气回路。

所述正仲氢转化装置4进口连接逆流式套管换热器外管15上端，出口连接排气冷却盘管16上端口，排气冷却盘管16下端口连接所述抽排气泵7，构成高温气体排气回路11。主要用于仲氢气体向正氢气体的催化转化。同时排气经冷却排管带走大部分罐体壁面漏热。抽排气泵7后的排气阀8主要用于对经过冷却盘管后过热气体排气进行控制。

所述的正仲氢转化装置4中填充有固体转化催化剂9，其结构为状粉末状、颗粒状、微球状或条块状催化剂，可以根据需求选择不同形状的催化剂，最大限度的增加气体与催化剂的接触面积，促进仲氢气体向正氢气体的高效转化。

所述逆流式套管换热器5包括外管14与内管15，内管与大股流体所经过的管路10相连，构成换热器内流通道；外管与内管之间的内外管环形腔与节流制冷回路12相连，节流后的两相流体经节流制冷回路12后直接进入内外管环形腔，构成换热器外流通道。

所述排气冷却盘管16按照一定的要求直接缠绕在罐体外部，并处在罐体内外罐体间的绝热层内。

所述流体喷射棒6为直立于套管换热器5四周的对称布置的竖向管路，管路上开设有多个细小的喷射口，被冷却流体经喷射口射入罐体内部。

所述节流阀3采用低温针阀，排气阀8采用安全排气阀。所述循环泵2为专用液氢循环泵。

循环泵从罐体底部抽吸的大股流体经大股流体循环回路10直接进入换热器内管15。而小股流体经节流阀3后，变为气液两相流，其进入逆流式套管换热器内管15与外管14之间的内外管环形腔。在换热器内，单相流体与两相流体进行换热。

本发明的工作原理为：

外部漏热侵入低温液氢储罐后，将直接加热低温流体，并造成液氢温度的升高；当外部漏热积聚到一定程度后，被加热的高温流体将相变蒸发，进而造成罐体压力的升高。为降低罐体漏热并实现合理降压，需采取有效的主动以及被动防罐体控压措施。对于本发明装置，当罐体内部低温流体具有一定的过冷度时，仅开启循环泵就可以实现罐体压力的降低。

此时，低温推进剂在循环泵的抽吸下，从罐体底部经大股流体循环管路，自罐体顶部进入逆流式套管换热器内管，穿过换热器之后经竖直喷射棒喷入罐体内部气液相空间。在过冷低温流体的冷却下，气相温度降低，以致于罐体压力也随之降低。一旦罐体压力降低到所设置压力下限时，循环泵停止工作。在外部漏热下，罐体压力将再次升高，一旦升高到所设置罐体压力上限，此时循环泵再次开启，在喷射流体的冷却下，罐体压力再次降低，因此在该阶段，罐体压力将经历在控压上下限间的波动变化。

然而，随着时间的持续，侵入罐体的外部漏热总量越来越多。当箱内流体温度升高的一定限度时（罐体控压下限对应的饱和温度），此时仅通过单独的喷射流体到气液相区不仅不能起到良好的控压效果，还会造成罐体压力的迅速增加。因此，需开启节流制冷模式进行罐体压力控制。

低温液氢在循环泵的抽吸下，从罐体底部经大股流体管路，自罐体顶部进入套管换热器内管；同时在罐体内外压差作用下，小部分流体经节流阀节流降压，经节流制冷管路进入换热器内管与外管间的环形腔；换热器内管单相流体与内外管环形腔内的两相流进行逆向流动换热；两相流体吸收内管以及罐体内部高温流体的热量而升温气化，最终变为饱和气体或高温气体排出罐体；换热器内管单相流体在两相流体的冷却下，温度降低，并最终汇聚在换热器底端；汇聚在换热器底端的被冷却流体经竖立的对称布置的喷射棒直接喷射到箱内气液相区，通过将冷量带入气液相实现罐体的压力控制。

变为饱和或过热状态的仲氢排气直接进入正仲氢转化装置，在仲氢转化催化剂的作用下，吸收罐体内部气氢的大部分热量，转化为正氢。该过程通过仲氢向正氢的转化，有效的冷却了罐内气氢，并实现了降低罐体压力的目的。

转化为正氢的气体温度并没有明显的升高，此时正氢排气直接进入缠绕在罐体内外罐间的冷却盘管，通过吸收罐体的大部分外部漏热来冷却壁面、降低罐体壁面温度，以达到进一步降低罐体漏热，最大限度的利用排气冷能的目的。

以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种带有排气冷能利用的低温液氢储罐，包括低温液氢储罐体（1）、低温循环泵（2）、节流阀（3）、正仲氢转化装置（4）、逆流式套管换热器（5）、流体喷射棒（6）、抽排气泵（7）；

所述低温液氢储罐体（1），包括内罐（17）以及外罐（13），内罐套装于外罐内，内罐和外罐之间均匀缠绕排气冷却盘管（16）并填充绝热材料，所述排气冷却盘管处于绝热材料中间；所述逆流式套管换热器（5）竖向置于内罐内部；其特征是：

所述的低温循环泵（2）的进口从下部连通内罐（17），低温循环泵（2）出口从上部接入逆流式套管换热器的内管（15），逆流式套管换热器的内管下端接所述流体喷射棒（6），构成大股流体循环回路；所述流体喷射棒为直立于逆流式套管换热器四周的竖向管路，管路上开设有多个细小的喷射口；

所述的节流阀（3）一端连通内罐内部，另一端连通逆流式套管换热器外管（14）下端，构成小股流体的节流制冷回路；

所述正仲氢转化装置（4）进口连接逆流式套管换热器外管（14）上端，出口连接排气冷却盘管（16）上端口，排气冷却盘管下端口连接所述抽排气泵（7），构成高温气体排气回路。

2.根据权利要求1所述一种带有排气冷能利用的低温液氢储罐，其特征是：所述正仲氢转化装置中填充仲氢转化固体化学催化剂，其形状为粉末状、颗粒状、微球状或条块状。

3.根据权利要求1所述一种带有排气冷能利用的低温液氢储罐，其特征是：所述低温推进剂为液氢。

4.根据权利要求1所述一种带有排气冷能利用的低温液氢储罐，其特征是：所述节流阀为低温针阀。

5.根据权利要求1所述一种带有排气冷能利用的低温液氢储罐，其特征是：所述低温循环泵为液氢循环泵。

6.根据权利要求1所述一种带有排气冷能利用的低温液氢储罐，其特征是：所述抽排气泵为离心泵。

7.根据权利要求1所述一种带有排气冷能利用的低温液氢储罐，其特征是：所述喷射棒为直立于箱体内部的对称布置的薄壁不锈钢管。

8.根据权利要求1所述一种带有排气冷能利用的低温液氢储罐，其特征是：所述抽排气泵后接排气阀（8）。