CN108163398B - 一种带有引射装置的高效控压低温推进剂储罐 - Google Patents

Abstract

本发明为一种带有引射装置的高效控压低温储罐，包括低温储罐、低温循环泵、液体节流阀、喷射器、气体节流阀、套管式换热器、排气冷却盘管、排气阀以及管路等。为强化换热，本发明采用了逆流式套管换热器。经过换热后，节流回路中小部分流体吸热变成饱和或过热气体，排出罐体后分两路。一路经气体节流阀节流降压降温，另一路直接进入引射器，进入引射器后的高压气体引射低温低压气体，两者混合后进入冷却盘管。采用引射器，省去抽气排气泵等动力装置，引射器由于无运动部件，使用寿命可以大大提高。引射混合后的气体在冷却盘管内形成一层冷屏，减少了外部漏热。本发明装置在排气冷量得到充分利用的同时，转移了罐体漏热，实现了罐体压力控制。

Description

一种带有引射装置的高效控压低温推进剂储罐

技术领域

本发明涉及一种低温推进剂储存装置，具体说是一种带有引射装置的高效控压低温推进剂储罐，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、环境友好以及容易获得等优异特性，在航空航天领域得到了越来越多的应用。然而，由于低温推进剂储存温度较低，外部漏热很容易造成流体温度的升高与蒸发，并带来储罐罐体压力的升高。为保证在轨安全运行，低温推进剂储罐压力需控制在一定范围内。罐体压力过高，会引起储罐罐体超压爆炸，并带来严重安全隐患；罐体压力过低，将造成装置结构的不稳定性，也会带来不安全隐患。因此对于空间运行的航天器用低温推进剂储罐，需采用有效的被动绝热措施以降低储罐罐体漏热，同时结合有效的控压方式，将罐体压力维持在允许范围内。

目前来看，低温推进剂储罐的绝热方式主要包括发泡层喷涂绝热、真空绝热、真空多层辐射屏绝热以及多层辐射屏与蒸汽冷却屏结合的绝热方式。其中真空多层辐射屏绝热在低温推进剂储罐罐体上应用较为广泛。但对于该种绝热方式，当辐射屏的层数增加到一定数目后，绝热层的整体绝热效果将趋于稳定，也就是说存在一个最佳绝热层厚度，在该厚度时，储罐罐体的绝热效果最好。因此单纯采用多层真空绝热材料在降低罐体漏热时也存在一极限值。为进一步降低罐体漏热，可在罐体内外罐间缠绕一层盘管，然后将罐体排出的低温气体引入盘管，构成一道冷却屏障，以进一步降低侵入罐体的漏热量。

而在低温储罐压力控制方面，现存主要有直接排气降压、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四种方式。其中以热力学排气控压方式应用前景最为光明。直接排气控压是在罐体顶部设置一排气阀，当储罐罐体压力超过所设定的压力上限时，打开排气阀，通过排出部分气体来降低罐体压力；而当罐体压力低于所设定的压力值时，将排气阀关闭，罐体在外部漏热下升压，直至升高到所设定的罐体压力上限，排气阀再次打开。因此该方式操作十分简便，然而采用该方式控制罐体压力会造成排气阀的频繁启闭，同时带来较大的排气损失。喷射混合降压是在罐体内部低温推进剂仍具有一定过冷度时，采用循环泵将罐体底部过冷流体喷射到罐内高温气相，通过冷却气相达到降低罐体压力的目的。当罐体压力降低到所设置压力下限时，喷射停止，罐体在外部漏热下再次升压，直到升高到所设置罐体压力上限，喷射过程再次开启。该方式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积聚在罐体内部的漏热。当罐体内部流体达到饱和状态时，通过喷射已不能达到降低罐体压力的目的，并且喷射的饱和液体与过热气体接触后，会造成饱和液体的迅速蒸发，将进一步促进罐体压力的升高，因此该方式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通过热管或者其他方式将制冷机产生的冷量直接送入罐体内部，通过冷却罐体来达到控压的目的。该方式可以从根本上消除外部漏热来降低储罐罐体压力，然而目前国际国内并不具备制造低温区、大制冷量的低温制冷机的能力，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。热力学排气则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罐内大部分流体，被冷却的大部分低温流体再次喷射到罐体内部，通过冷却罐体内气液相，来达到移除外部漏热，实现罐体压力控制的目的。该方式仅以牺牲小部分流体为代价，就可以实现罐体漏热的消除以及罐体压力的控制，是目前最具前景的储罐罐体压力控制方式。

现有的热力学排气系统由低温储罐、循环泵、同心套管换热器、节流阀、排气阀以及其他管路设施，系统方式较为简单，没有考虑低温排气的合理有效利用，造成了大量冷能损失。因此，需设计一套可靠的控压、高效的隔热系统，对降低罐体漏热，实现罐体压力良好控制，并最终满足低温推进剂长期在轨安全储存的要求。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术存在的缺陷，提出了一种带有喷射装置的高效控压低温推进剂储罐，在现有低温罐体压力控制系统基础上，将低温排气节流与引射器引射提供动力结合，并与混合排气进入低温储罐绝热层冷却盘管形成冷却屏隔热系统相耦合的低温推进剂储罐控压装置。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种带有喷射装置的高效控压低温推进剂储罐，包括储罐罐体、低温循环泵、液体节流阀、引射器、气体节流阀、逆流式套管换热器、流体喷射棒以及排气阀。

所述的储罐罐体包括内罐和外罐，内罐套装于外罐内，在内罐和外罐体之间均匀缠绕排气冷却盘管并填充有绝热材料，排气冷却盘管处在绝热材料中间。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。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。

所述的低温循环泵为低温推进剂循环泵，主要用于为整个系统提供动力。其进口从储罐罐体下部接通内罐，其出口从储罐罐体上部接入逆流式套管换热器内管，逆流式套管换热器内管下端接所述流体喷射棒，构成大股流体循环回路。

所述的液体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。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。

所述引射器进口接逆流式套管换热器外管，引射器喷射口接排气冷却盘管上部端口，构成高温气体排气回路。引射器主要用于高温高压气体引射低温低压气体，同时为混合排气进入冷却盘管提供动力。

所述的气体节流阀一端与逆流式套管换热器外管直接连接，另一端直接接至引射器引射口处，构成完整的引射节流回路，主要用于排气的节流降压，使排气压力温度降低。

排气冷却盘管下部端口接所述的排气阀，主要用于经过冷却盘管后，过热气体排气的控制。

所述低温推进剂为液氢、液氧或液态甲烷。

所述节流阀为低温针阀。

所述循环泵为液氢、液氧或液态甲烷循环泵。

所述喷射棒为薄壁不锈钢管。

所述逆流式套管换热器内管与外管均为内螺纹管，可用来强化单相流体与内外管环形腔内的两相流间的流动换热。

所述的逆流式套管换热器包括外管与内管，内管与大股流体所经过的管路相连，构成换热器内流通道。外管与内管之间的环形管与管路相连，节流后的两相流体经管路后直接进入环形管，构成换热器外流通道。内外管壁均采用内螺纹管以强化流体流动换热过程。循环泵从储罐罐体底部抽吸的大股流体经管路直接进入换热器内管；而小股流体经节流阀后，变为气液两相流，其进入套管换热器内管与外管之间的环管。在换热器内，单相流体与两相流体进行换热。

本发明的一种带有喷射装置的高效控压低温推进剂储罐使用时，工作过程为：低温推进剂在循环泵的抽吸下，从储罐罐体底部经大股流体循环管路，自储罐罐体顶部进入套管换热器内管，穿过换热器之后经竖直喷射棒喷射入储罐罐体内部气液相空间。当罐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储罐罐体压力的控制，而当罐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，从储罐罐体底部经大股流体管路，自储罐罐体顶部进入套管换热器内管。

同时在储罐罐体压差作用下，小部分流体经液体节流阀节流降压，经小股流体管路进入逆流式套管换热器内管与外管间的环形腔。

两相流体吸收内管以及储罐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储罐罐体。

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罐内气液相区，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排气分两路，一路直接进入引射器吸入口，另一路进入节流管路，经节流阀节流后变为低温低压气体，进入引射器引射口，在引射器内实现低温低压气体与高温高压气体的混合，使得高温气体温度降低，排气具有更多的冷能。

混合后的两股流体进入缠绕在储罐罐体内外罐体间的冷却盘管，通过吸收大部分储罐罐体外部漏热后，变为温度更高的气体，最后经排气阀排出冷却盘管，最大限度的实现了排气冷能的合理利用，同时有效的降低了罐体漏热。

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。同时换热器内外管均采用内螺纹管，大大强化了单相流体与两相流体间的流动换热。

2. 本发明装置设置了气体节流阀，高温排气节流后，处于低温低压状态。

3. 本发明装置设置了引射器，采用高温高压气体引射节流后的低温低压气体，并为混合气体进入冷却盘管提供了动力。由于引射器无运动部件，可以大大提高系统的稳定性与使用寿命。

4. 本发明装置设置了缠绕在储罐罐体的冷却盘管，经过引射器混合后的排气直接引入冷却盘管，实现了排气冷能的高效利用，同时有效降低了储罐罐体漏热。

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

6. 本发明装置通过设置竖向的对称布置的喷射棒，流体自下而上喷入罐内气液相区，增加了喷射流体与罐内气液相间的扰动，提高了换热效率，有利于储罐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，可有效的消除罐体漏热，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为本发明一种带有喷射装置的高效控压低温推进剂储罐结构示意图。

图2为排气冷却盘管缠绕示意图。

图中标号：1为储罐罐体，2为低温循环泵，3为液体节流阀，4为引射器，5为气体节流阀，6为逆流式套管换热器，7为流体喷射棒，8为排气阀，9为大股流体循环回路，10为小股流体的节流制冷回路，11为高温气体排气回路，12为排气冷却盘管，13为低温推进剂储罐内罐，14为低温推进剂储罐外罐，15为套管式换热器外管，16为套管式换热器内管。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的技术方案。

参照图1，一种带有喷射装置的高效控压低温推进剂储罐，包括储罐罐体1、低温循环泵2、液体节流阀3、引射器4、气体节流阀5、逆流式套管换热器6、排气冷却盘管12、流体喷射棒7以及排气阀8、大股流体循环回路9、小股流体的节流制冷回路10、高温气体排气回路11。

所述的储罐罐体1包括内罐13以及外罐14，罐体内流体为低温推进剂，分别由气相与液相组成。内外罐体之间填充有绝热材料，同时排气冷却盘管12处在绝热材料中间。所述逆流式套管换热器6竖向置于内罐内部，逆流式套管换热器包括外管15与内管16。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储罐罐体内部。

低温循环泵2为低温推进剂专用循环泵，其主要用于为整个系统提供动力。其进口从储罐罐体下部接通内罐，其出口从储罐罐体上部接入逆流式套管换热器内管，逆流式套管换热器内管下端接所述流体喷射棒，构成大股流体循环回路9。

所述的液体节流阀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。

所述引射器4吸入口接逆流式套管换热器外管，引射器喷射口接排气冷却盘管上部端口，构成高温气体排气回路11。所述引射器4主要用于高温高压排气引射经过节流后的低温低压排气，实现两股气体的混合，同时为混合气体进入冷却盘管提供动力。

所述的气体节流阀5一端与逆流式套管换热器外管直接连接，另一端直接接至引射器4引射口处，构成完整的引射节流回路，主要用于低温排气的节流降压，使排气压力温度降低，并产生一定冷量，实现排气冷能的最大化利用。

排气冷却盘管上部端口连接所述的排气阀8，主要用于对经过冷却盘管后过热气体的排气进行控制。

所述低温推进剂为液氢、液氧或液态甲烷。所述液体节流阀3采用低温针阀。所述循环泵2采用专用于液氢、液氧以及液态甲烷的循环泵。

所述逆流式套管换热器6，循环泵从储罐罐体底部抽吸的流体经大股流体循环回路9直接进入换热器内管16。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16与外管15之间的环管（简述为进入外管）。在换热器内，单相流体与两相流体进行换热。

所述的换热器内管16与外管15均为内螺纹管，主要用于强化单相流体以及两相流体的流动换热过程。

本发明带有喷射装置的高效控压低温推进剂储罐的工作原理为：

在各种环境漏热的入侵下，低温推进剂储罐内流体温度升高，当漏热积累到一定程度时，将引起罐内被加热流体的蒸发相变，进而造成罐体压力的升高。为保障低温推进剂储罐的安全运行，需采取合理有效的方式对罐体进行压力控制。

对于本发明装置，当罐体内部低温推进剂具有一定过冷度时，仅开启循环泵，将罐体底部过冷流体喷射到气相区，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，自罐体底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，罐体压力也随之降低。一旦罐体压力降低到所设压力下限时，循环泵停止工作。在外部漏热下，罐体压力将再次升高，当升高到所设置罐体压力上限时，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。

随着时间的持续，侵入罐体的外部漏热积累的越来越多。当罐体内部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），此时仅通过将流体喷射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。

低温推进剂在循环泵的抽吸下，从罐体底部经大股流体管路，自罐体底部进入套管换热器内管；同时在罐体压差作用下，小部分流体经液体节流阀节流降压，经小股流体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流动换热。单相流体与节流后的两相流体在换热器内进行逆向换热。另外，由于内外管均为内螺纹管，大大增强了单相流体与两相流体间的换热强度。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过热气体排出罐体；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部；之后经竖立的对称布置的喷射棒直接喷射到罐体内部气液相区，通过将冷量带入气液相区，消除气液相温度分层，实现罐体压力控制。

变为饱和或过热状态的高温排气分为两路，一路经气体节流阀节流降温降压，另一路直接进入引射器吸入口。在高温高压气体的引射下，低温低压的气体从引射器引射口吸入，与高温高压流体在引射器混合腔内进行热质混合交换。

混合后的气体在引射器推动下，进入缠绕在储罐罐体内外罐体间的冷却盘管，通过吸收罐体大部分外部漏热变为温度更高的气体，最后经排气阀排出冷却盘管，达到有效降低储罐罐体漏热的目的。

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 (6)

1.一种带有引射装置的高效控压低温推进剂储罐，包括储罐罐体、低温循环泵、液体节流阀、引射器、气体节流阀、逆流式套管换热器、流体喷射棒以及排气阀；其特征是：

所述的储罐罐体包括内罐和外罐，内罐套装于外罐内，在内罐和外罐体之间均匀缠绕排气冷却盘管并填充有绝热材料，排气冷却盘管处在绝热材料中间；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；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；

所述的低温循环泵为低温推进剂循环泵，其进口从储罐罐体下部接通内罐，其出口从储罐罐体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；

所述的液体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，小股流体经节流阀后，变为气液两相流，其进入套管换热器内管与外管之间的环管，在换热器内，单相流体与两相流体进行换热；

所述引射器吸入口接逆流式套管换热器的外管，引射器喷射口接排气冷却盘管上部端口，构成高温气体排气回路；

所述的气体节流阀一端与逆流式套管换热器外管直接连接，另一端直接接至引射器引射口处，构成引射节流回路；

排气冷却盘管下部端口接所述的排气阀；

开启节流制冷模式进行罐体压力控制时，低温推进剂在循环泵的抽吸下，从罐体底部经大股流体管路，自罐体底部进入套管换热器内管；同时在罐体压差作用下，小部分流体经液体节流阀节流降压，经小股流体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换热。

2.根据权利要求1所述带有引射装置的高效控压低温推进剂储罐，其特征是：所述低温推进剂为液氢、液氧或液态甲烷。

3.根据权利要求1所述带有引射装置的高效控压低温推进剂储罐，其特征是：所述节流阀为低温针阀。

4.根据权利要求1所述带有引射装置的高效控压低温推进剂储罐，其特征是：所述循环泵为液氢、液氧或液态甲烷循环泵。

5.根据权利要求1所述带有引射装置的高效控压低温推进剂储罐，其特征是：所述喷射棒为薄壁不锈钢管。

6.根据权利要求1所述带有引射装置的高效控压低温推进剂储罐，其特征是：所述逆流式套管换热器的内管与外管均为内螺纹管。