CN108771962A - 载人空间飞行器用ch4催化氧化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，包括反应器、换热器，换热器用于预加热待净化气体并回收反应器出口气体热量，反应器的内部设置有加热器和催化剂，反应器用于净化待净化气体，反应器的出口气流通道与换热器的第一气流通道连接，反应器的进口气流通道与换热器的第二气流通道连接，以使反应器排出的高温气体在换热器内与换热器吸入的待净化气体进行热交换。本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置具有低功耗、小流阻、长寿命、轻量化和小型化的特点。
Description
技术领域
本发明涉及空气净化领域，特别是涉及一种载人空间飞行器用CH4催化氧化装置。
背景技术
短期飞行的载人空间飞行器中使用活性炭等吸附剂对飞行器内部材料和人产生的有害气体进行吸附净化，这种气体净化方案可以满足载人飞船以及短期飞行载人空间飞行器的需求。受制于太空飞行器对设备上行重量及上行成本的制约，这种资源消耗性的气体净化方案无法满足长期飞行空间飞行器对气体净化的需求。目前，包括国际空间站在内的长期飞行空间飞行器普遍使用物化再生的微量有害气体去除系统，该系统可以实现不同种类和分子量大小气体的吸附和催化。其中，CH4和大分子量VOC很难在常温下通过可物化再生的吸附剂吸附净化，在一定的催化剂和高温条件下，可以催化氧化成H2O和CO2。在空间飞行器高昂的物资上行成本以及体积和电力配额等有限的条件下，低功耗、小流阻、轻量化及长寿命的高效CH4催化氧化装置是长期飞行空间飞行器中物化再生微量有害气体去除系统中必不可少的装置。目前国内没有相关空间站微量有害气体去除系统的使用记录。美俄都有相关系统使用的记录，但是在国内外公开的文献资料中没有CH4催化氧化装置的详细技术内容和说明。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低功耗、小流阻、轻量化、长寿命的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置。
本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，包括反应器以及换热器，所述换热器用于预加热待净化气体并回收反应器的出口气体热量，所述反应器的内部设置有加热器以及催化剂，所述反应器用于净化所述待净化气体，所述反应器的出口气流通道与换热器的第一气流通道连接，所述反应器的进口气流通道与换热器的第二气流通道连接，以使所述反应器排出的高温气体在换热器内与换热器吸入的待净化气体进行热交换。
本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其中，所述反应器以及换热器均设置于壳体的内部，所述壳体与所述反应器之间、所述壳体与所述换热器之间、所述反应器以及换热器之间均设置有气凝胶隔热材料。
本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其中，所述反应器的出口气流通道的内部、所述反应器的进口气流通道的内部分别设置有过滤组件。
本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其中，所述换热器包括出口接嘴、接嘴弯头、锥体、换热器芯体、进口接嘴、通道锥体、换热器气流通道、换热器翅片，所述出口接嘴通过接嘴弯头和锥体焊接固定，锥体与换热器芯体焊接固定，进口接嘴与换热器芯体焊接固定，换热器气流通道通过所述通道锥体与换热器芯体焊接固定，换热器芯体由多片换热器翅片交错叠加钎焊而成，进口接嘴和出口接嘴分别通过螺钉与壳体的壳体底板固定，换热器气流通道通过密封垫与反应器腔体螺钉连接，换热器的第一气流通道、换热器的第二气流通道设置于换热器气流通道的内部。
本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其中，所述反应器包括反应器腔体，所述加热器以及催化剂设置于所述反应器腔体的内部，所述催化剂和反应器盖板之间填充叠层石英纤维布，所述过滤组件包括出口过滤组件、进口过滤组件，所述出口过滤组件安装在出口气流通道内部，出口气流通道与反应器腔体焊接固定，所述进口过滤组件安装在进口气流通道内部，进口过滤组件与反应器腔体焊接固定。
本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其中，出口过滤组件和进口过滤组件结构相同，出口过滤组件包括外压板、不锈钢密纹网和内压板，所述内压板焊接于不锈钢密纹网的一侧，外压板通过焊接固定在反应器腔体上。
本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其中，所述加热器包括加热器冷端、加热器盖板、加热器翅片、主份加热管、备份加热管，主份加热管、备份加热管分别通过马鞍形金属片与加热器翅片焊接固定，主份加热管和备份加热管穿过加热器盖板，加热器翅片与加热器盖板焊接固定，主份加热管的加热器冷端和备份加热管的加热器冷端设置于加热器盖板的上方，沿气流方向，主份加热管和备份加热管缠绕成由密至疏结构。
本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其中，所述加热器冷端包括冷端外壳、封接套、瓷杆、接线柱、接线头、加热管、加热管接头、加热丝、压线柱、瓷套、冷端封头，加热管与加热管接头通过焊接固定，接线头与加热丝通过压接固定，接线头与接线柱通过压接固定，瓷杆与封接套钎焊连接，接线柱与瓷杆钎焊连接，冷端外壳与封接套钎焊连接，压线柱与接线柱压接连接，冷端封头与冷端外壳螺纹连接，瓷套通过冷端封头压接固定。
本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置具有低功耗、小流阻、长寿命、轻量化和小型化的特点。
本发明的有益效果是：1、装置进出口和反应器之间设置了换热器，可以利用反应器出口高温气流对入口低温气流进行预加热，实现热量回收，减小加热器的功率，降低装置出口气流温度；2、反应器和加热器组合体通过换热器进出口接嘴与壳体底板固定，减小高温部件与壳体之间的热传导；3、反应器、换热器及壳体之间填充气凝胶隔热材料，可以减小装置的热损失，降低装置表面温度；4、换热器采用板式逆流结构，可以实现小型化及300W以上的热交换功率，降低加热器功率需求；5、加热器采用埋入催化剂药层中的设计，可以提高催化剂的加热均匀性；6、3根测温杆分别布置在加热器翅片中间，可以提高反应器内部温度监控的可靠性；7、CH4催化剂采用Al2O3为载体，表面镀贵金属，能够保证装置随火箭上行时催化剂不碎裂，并且使甲烷的氧化效率达到80％以上；8、反应器进出口通道设置过滤组件可以过滤进口气体，防止催化剂污染，同时避免催化剂破碎后导致粉尘泄露；9、利用多层石英纤维布来实现催化剂药层的压紧方案，一方面可以补偿振动后药层的松散，防止沟流现象发生，另一方面可以克服使用弹簧压紧方案造成高温试验后弹簧退火失效；10、采用主备份加热器设计，提高装置的可靠性；11、加热管采用低面功率密度设计，延长加热器的工作寿命，提高装置的可靠性；12、加热器采用沿气流方向的负梯度功率密度设计，可以提高催化剂药层的温度均匀性，提高反应器中有效温度区间的催化剂占比；13、加热器的冷端布局在加热器盖板之外，降低冷端的温度，提高冷端密封和焊接的可靠性；14、加热管冷端采用可伐合金与陶瓷焊接的密封方案，解决冷端密封性不可检测的问题，防止内部氧化镁粉受潮导电。
附图说明
附图1是本发明高温催化氧化装置的结构示意图；
附图2是本发明中换热器的结构示意图的主视图；
附图3是本发明中换热器的结构示意图的左视图；
附图4是本发明中换热器翅片的结构示意图；
附图5是本发明中反应器结构示意图；
附图6是本发明中过滤组件结构示意图的主视图；
附图7是本发明中过滤组件结构示意图的俯视图；
附图8是本发明中加热器的结构示意图的主视图；
附图9是本发明中加热器的结构示意图的左视图；
附图10是本发明中加热器冷端结构示意图。
其中，1—壳体侧板、2—反应器温度传感器、3—加热器、4—催化剂、5—反应器腔体、6—叠层石英纤维布、7—密封垫、8—气流通道、9—壳体盖板、10—气凝胶隔热材料、11—换热器、12—进出口气流通道、13—壳体底板、14—出口接嘴、15—接嘴弯头、16—锥体、17—换热器芯体、18—进口接嘴、19—通道锥体、20—第一气流通道、21—换热器翅片、22—出口气流通道、23—出口过滤组件、24—进口气流通道、25—进口过滤组件、26—外压板、27—不锈钢密纹网、28—内压板、29—加热器冷端、30—加热器盖板、31—加热器翅片、32—主份加热管、33—备份加热管、34—冷端外壳、35—封接套、36—瓷杆、37—接线柱、38—接线头、39—加热管、40—加热管接头、41—加热丝、42—压线柱、43—瓷套、44—冷端封头。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，包括反应器、换热器11以及其它组件，换热器11用于预加热待净化气体并回收反应器的出口气体热量，反应器的内部设置有加热器以及催化剂4，反应器用于净化待净化气体，反应器的出口气流通道22与换热器的换热器第一气流通道20连接，反应器的进口气流通道24与换热器的第二气流通道连接，以使反应器排出的高温气体在换热器内与换热器吸入的待净化气体进行热交换。
本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其中，反应器以及换热器11均设置于壳体的内部，壳体与反应器之间、壳体与换热器11之间、反应器以及换热器之间均设置有气凝胶隔热材料4。
本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其中，反应器的出口气流通道22的内部、反应器的进口气流通道24的内部分别设置有过滤组件。
本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其中，换热器11包括出口接嘴14、接嘴弯头15、锥体16、换热器芯体17、进口接嘴18、通道锥体19、换热器气流通道20、换热器翅片21，出口接嘴14通过接嘴弯头15和锥体16焊接固定，锥体16与换热器芯体17焊接固定，进口接嘴18与换热器芯体17焊接固定，换热器气流通道20通过通道锥体19与换热器芯体17焊接固定，换热器芯体17由多片换热器翅片21交错叠加钎焊而成，进口接嘴18和出口接嘴14通过螺钉与壳体的壳体底板13固定，换热器气流通道20通过密封垫7与反应器腔体5螺钉连接。换热器11的第一气流通道、换热器的第二气流通道设置于换热器气流通道20的内部。
本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其中，反应器包括反应器腔体5，加热器3以及催化剂4设置于反应器腔体5的内部，催化剂4和反应器盖板之间填充叠层石英纤维布，催化剂4通过叠层石英纤维布6压紧，过滤组件包括出口过滤组件、进口过滤组件，出口过滤组件23安装在出口气流通道22内部，出口气流通道22与反应器腔体5焊接固定，进口过滤组件25安装在进口气流通道内部，进口过滤组件25与反应器腔体5焊接固定。本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其中，出口过滤组件23和进口过滤组件25结构相同，出口过滤组件23包括外压板26、不锈钢密纹网27和内压板28，内压板28焊接于不锈钢密纹网27的一侧，外压板26通过焊接固定在反应器腔体5上。
本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其中，加热器3包括加热器冷端29、加热器盖板30、加热器翅片31、主份加热管32、备份加热管33，主份加热管32、备份加热管33分别通过马鞍形金属片与加热器翅片31焊接固定，主份加热管32和备份加热管33穿过加热器盖板30，加热器翅片31与加热器盖板30通过焊接固定，主份加热管32的加热器冷端和备份加热管的加热器冷端设置于加热器盖板30的上方，沿气流方向，主份加热管32和备份加热管33缠绕成由密至疏结构。
本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其中，加热器冷端包括冷端外壳34、封接套35、瓷杆36、接线柱37、接线头38、加热管39、加热管接头40、加热丝41、压线柱42、瓷套43、冷端封头44，加热管39与加热管接头40通过焊接固定，接线头38与加热丝41通过压接固定，接线头38与接线柱37通过压接固定，瓷杆36与封接套35钎焊连接，接线柱37与瓷杆36钎焊连接，冷端外壳34与封接套35钎焊连接，压线柱42与接线柱37压接连接，冷端封头44与冷端外壳34螺纹连接，瓷套43通过冷端封头44压接固定。
本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置在空间站中用来去除CH4气体以及难以用常温吸附装置去除的大分子量VOC气体，它包括小流阻高效换热器、长寿命高效CH4催化剂、加热器、反应器、过滤组件、保温层和温度传感器。本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置具有低功耗、小流阻、长寿命、轻量化和小型化的特点。
本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置可以实现反应器出口高温气流和装置入口低温气流之间的热交换，对反应器进气流进行预加热，降低反应器内部加热器的功率需求，同时降低装置出口气流温度，保护系统下游装置。
换热器组合体通过换热器进出口接嘴与壳体底板固定，减少反应器、换热器与壳体之间的热传导。
气凝胶隔热材料填充于反应器与壳体之间的空腔内、换热器与壳体之间的空腔内，用于减小反应器及换热器的热损失，保持装置表面的低温状态。
换热器采用板式逆流结构设计，实现小型化；加热器埋入催化剂药层中，安装在反应器内，用以加热CH4催化剂。
3个测温杆安装在加热器翅片之间，用于CH4催化剂温度的监测与控制；CH4催化剂装填在反应器内，在高温条件下，催化剂催化氧化CH4及大分子量VOC气体。过滤组件安装在反应器腔的进出口处，用于阻挡催化剂掉入进出口通道，并且防止催化剂破碎后外泄；多层纤维布安装在CH4催化剂和反应器盖板之间，通过其压紧后的回弹力来压紧CH4催化剂，补偿高温试验后火箭上行造成的催化剂松散，防止气流短路。
加热器采用主备份设计，提高装置的可靠性；加热管采用小于1.5W/cm2的低管壁面功率密度设计，延长加热管的工作寿命；沿气流方向，加热器采用功率密度负梯度设计，可以提高催化剂药层的温度均匀性；加热器冷端设置在加热器盖板外面，降低冷端温度，提高加热器可靠性；加热器冷端采用陶瓷密封，防止加热管内氧化镁粉受潮导电。
本发明中的装置，反应器材质选用钛合金，换热器材质选用不锈钢，壳体材质选用铝合金，隔热材料选用纳米气凝胶，测温杆选用铂电阻或热电偶，叠层纤维布选用B型石英纤维布，密封垫材质选用铜。
本发明的有益效果是：1、装置进出口和反应器之间设置了换热器，可以利用反应器出口高温气流对入口低温气流进行预加热，实现热量回收，减小加热器的功率，降低装置出口气流温度；2、反应器和加热器组合体通过换热器进出口接嘴与壳体底板固定，减小高温部件与壳体之间的热传导；3、反应器、换热器及壳体之间填充气凝胶隔热材料，可以减小装置的热损失，降低装置表面温度；4、换热器采用板式逆流结构，可以实现小型化及300W以上的热交换功率，降低加热器功率需求；5、加热器采用埋入催化剂药层中的设计，可以提高催化剂的加热均匀性；6、3根测温杆分别布置在加热器翅片中间，可以提高反应器内部温度监控的可靠性；7、CH4催化剂采用Al2O3为载体，表面镀贵金属，能够保证装置随火箭上行时催化剂不碎裂，并且使甲烷的氧化效率达到80％以上；8、反应器进出口通道设置过滤组件可以过滤进口气体，防止催化剂污染，同时避免催化剂破碎后导致粉尘泄露；9、利用多层石英纤维布来实现催化剂药层的压紧方案，一方面可以补偿振动后药层的松散，防止沟流现象发生，另一方面可以克服使用弹簧压紧方案造成高温试验后弹簧退火失效；10、采用主备份加热器设计，提高装置的可靠性；11、加热管采用低面功率密度设计，延长加热器的工作寿命，提高装置的可靠性；12、加热器采用沿气流方向的负梯度功率密度设计，可以提高催化剂药层的温度均匀性，提高反应器中有效温度区间的催化剂占比；13、加热器的冷端布局在加热器盖板之外，降低冷端的温度，提高冷端密封和焊接的可靠性；14、加热管冷端采用可伐合金与陶瓷焊接的密封方案，解决冷端密封性不可检测的问题，防止内部氧化镁粉受潮导电。
本发明的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置包括壳体侧板1、反应器温度传感器2、加热器3、催化剂4、反应器腔体5、叠层石英纤维布6、密封垫7、气流通道8、壳体盖板9、气凝胶隔热材料10、换热器11、进出口气流通道12、壳体底板13。
壳体包括壳体盖板9、壳体底板13和4个壳体侧板1，通过螺钉固定。反应器腔体5通过气流通道8与换热器11固定，气流通道8与换热器11通过焊接连接，气流通道8与反应器腔体5之间通过密封垫7密封；换热器11与壳体底板13采用螺钉固定，换热器11、反应器腔体5与壳体之间填充气凝胶隔热材料10；加热器3安装在反应器腔体5中，反应器温度传感器2安装在加热器3的翅片中间；催化剂4填埋在反应器腔体5中，通过叠层石英纤维布6压紧。
换热器包括出口接嘴14、接嘴弯头15、锥体16、换热器芯体17、进口接嘴18、通道锥体19、换热器气流通道20、换热器翅片21。其中，出口接嘴14通过接嘴弯头15和锥体16焊接固定；锥体16与换热器芯体17焊接固定；进口接嘴18与换热器芯体17焊接固定；换热器气流通道20通过通道锥体19与换热器芯体17焊接固定；换热器芯体17由多片换热器翅片21采用交错叠加钎焊而成；进口接嘴18和出口接嘴14通过螺钉与壳体底板13固定；换热器气流通道20通过密封垫7与反应器腔体5之间采用螺钉固定。
出口过滤组件23和进口过滤组件25包括外压板26、不锈钢密纹网27和内压板28，其中内压板为不锈钢材质，与不锈钢密纹网27焊接固定，起到支撑滤网作用；外压板26为钛合金材质，与反应器腔体5材质相同，通过焊接固定在反应器腔体5上面。
加热器由加热器冷端29、加热器盖板30、加热器翅片31、主份加热管32、备份加热管33组成。其中，主份加热管32和备份加热管33与加热器翅片31接触部位设计成方形，通过马鞍形金属片焊接固定；主份加热管32和备份加热管33穿过加热器盖板30，通过焊接固定；主份加热管32和备份加热管33的加热器冷端29设计在加热器盖板30的上面；沿气流方向，主份加热管32和备份加热管33缠绕成由疏至密结构。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其特征在于，包括反应器以及换热器，所述换热器用于预加热待净化气体并回收反应器的出口气体热量，所述反应器的内部设置有加热器以及催化剂，所述反应器用于净化所述待净化气体，所述反应器的出口气流通道与换热器的第一气流通道连接，所述反应器的进口气流通道与换热器的第二气流通道连接，以使所述反应器排出的高温气体在换热器内与换热器吸入的待净化气体进行热交换。
2.如权利要求1所述的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其特征在于，所述反应器以及换热器均设置于壳体的内部，所述壳体与所述反应器之间、所述壳体与所述换热器之间、所述反应器以及换热器之间均设置有气凝胶隔热材料。
3.如权利要求2所述的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其特征在于，所述反应器的出口气流通道的内部、所述反应器的进口气流通道的内部分别设置有过滤组件。
4.如权利要求3所述的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其特征在于，所述换热器包括出口接嘴、接嘴弯头、锥体、换热器芯体、进口接嘴、通道锥体、换热器气流通道、换热器翅片，所述出口接嘴通过接嘴弯头和锥体焊接固定，锥体与换热器芯体焊接固定，进口接嘴与换热器芯体焊接固定，换热器气流通道通过所述通道锥体与换热器芯体焊接固定，换热器芯体由多片换热器翅片交错叠加钎焊而成，进口接嘴和出口接嘴分别通过螺钉与壳体的壳体底板固定，换热器气流通道通过密封垫与反应器腔体螺钉连接，换热器的第一气流通道、换热器的第二气流通道设置于换热器气流通道的内部。
5.如权利要求4所述的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其特征在于，所述反应器包括反应器腔体，所述加热器以及催化剂设置于所述反应器腔体的内部，所述催化剂和反应器盖板之间填充叠层石英纤维布，所述过滤组件包括出口过滤组件、进口过滤组件，所述出口过滤组件安装在出口气流通道内部，出口气流通道与反应器腔体焊接固定，所述进口过滤组件安装在进口气流通道内部，进口过滤组件与反应器腔体焊接固定。
6.如权利要求5所述的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其特征在于，出口过滤组件和进口过滤组件结构相同，出口过滤组件包括外压板、不锈钢密纹网和内压板，所述内压板焊接于不锈钢密纹网的一侧，外压板通过焊接固定在反应器腔体上。
7.如权利要求6所述的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其特征在于，所述加热器包括加热器冷端、加热器盖板、加热器翅片、主份加热管、备份加热管，主份加热管、备份加热管分别通过马鞍形金属片与加热器翅片焊接固定，主份加热管和备份加热管穿过加热器盖板，加热器翅片与加热器盖板焊接固定，主份加热管的加热器冷端和备份加热管的加热器冷端设置于加热器盖板的上方，沿气流方向，主份加热管和备份加热管缠绕成由密至疏结构。
8.如权利要求7所述的载人空间飞行器用CH4催化氧化装置，其特征在于，所述加热器冷端包括冷端外壳、封接套、瓷杆、接线柱、接线头、加热管、加热管接头、加热丝、压线柱、瓷套、冷端封头，加热管与加热管接头通过焊接固定，接线头与加热丝通过压接固定，接线头与接线柱通过压接固定，瓷杆与封接套钎焊连接，接线柱与瓷杆钎焊连接，冷端外壳与封接套钎焊连接，压线柱与接线柱压接连接，冷端封头与冷端外壳螺纹连接，瓷套通过冷端封头压接固定。
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