CN109578134A - 一种氢氧回收利用系统及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种氢氧回收利用系统及其应用，所述的系统包括氢氧内燃机、换热器、增压泵、控制器、增压模块；氢氧贮箱内贮存液氢液氧、氢氧贮箱上的排气装置将其内部蒸发的氢气、氧气排出，其中氢气分出两路，一路进入氢氧内燃机、另一路经增压泵压缩后进入换热器，一路氧气经增压泵压缩后进入换热器，由换热器将引入的氧气加热至适于氢氧内燃机工作的温度经增压模块后输出至氢氧内燃机；氢氧内燃机在控制器的工作下点火启动，进行发电；氢氧内燃机的冷却液进入换热器，由进入换热器中的氢气、氧气将冷却液降温，同时升温后的氢气存入增压模块并进行增压；未使用的氧气存入增压模块并进行增压。

Description

一种氢氧回收利用系统及其应用
技术领域
本发明涉及氢氧回收及再利用技术领域。
背景技术
液氢(LH2)/液氧(LO2)，沸点低，如液氢和液氧的沸点分别达到-253℃和-183℃，极易汽化，对于低温贮箱绝热性能要求较高，易受到太阳辐射等外热流的影响，即使在采取了真空隔热、多层隔热等防护手段的前提下，贮箱中的低温液氢液氧仍然有每天1％～3％的蒸发量，造成了液氢液氧的极大浪费。
低温介质无论在地面贮存还是用于未来深空探索，均要求低温推进剂得到充分的利用，一方面是通过蒸发量控制技术，减少推进剂的蒸发浪费，另一方面是通过回收利用技术使蒸发的推进剂得到进一步利用。氢气是一种可再生清洁能源，可通过电解水得到。氢气氧气燃烧产物主要为水等清洁产物，随着化石燃料等不可再生能源的枯竭，未来氢气将成为地球上贮存最多的清洁能源。
发明内容
本发明的技术解决问题是：为了解决低温氢氧蒸发浪费的问题，提高利用效率，将蒸发出的氢气氧气回收再利用，提供一种氢氧回收利用系统。
本发明的技术解决方案是：一种氢氧回收利用系统，包括氢氧内燃机、换热器、增压泵、控制器、增压模块；
氢氧贮箱内贮存液氢液氧、氢氧贮箱上的排气装置将其内部蒸发的氢气、氧气排出，其中氢气分出两路，一路进入氢氧内燃机、另一路经增压泵压缩后进入换热器，一路氧气经增压泵压缩后进入换热器，由换热器将引入的氧气加热至适于氢氧内燃机工作的温度经增压模块后输出至氢氧内燃机；
氢氧内燃机在控制器的工作下点火启动，进行发电；氢氧内燃机的冷却液进入换热器，由进入换热器中的氢气、氧气将冷却液降温，同时升温后的氢气存入增压模块并进行增压；未使用的氧气存入增压模块并进行增压。
优选的，当需要对氢氧贮箱进行增压时，从氢氧贮箱中分别引出液氢、液氧，液氢、液氧分别进入增压泵压缩后分别经换热器加热汽化，之后经增压模块增压后分别进入氢氧贮箱。
优选的，所述的氢氧内燃机工作后产生的废气，通过轴向喷管喷出，提供轴向推力维持氢氧贮箱内推进剂沉底。
一种氢氧回收利用系统，包括供氢电磁阀、增压泵供氢电磁阀、液氢供应阀、氢增压泵、氢换热器、增压泵供氧气电磁阀、液氧供应阀、氧增压泵、氢氧内燃机、氧换热器、供氧电磁阀、控制器、沉底发动机、氢氧内燃机排气管、增压模块；
从氢贮箱排出的气氢一路通过供氢电磁阀与氢氧内燃机的进气管连通、另一路通过增压泵供氢电磁阀连入氢增压泵的入口，氢增压泵的出口连接氢换热器，氢换热器的出口连接增压模块，增压模块的出口与氢贮箱的增压口连通；氧贮箱排出的气氧通过增压泵供氧气电磁阀连入氧增压泵的入口，氧增压泵的出口连接氧换热器，氧换热器的出口连接增压模块，增压模块的输出一路通过供氧电磁阀连入氢氧内燃机的进气管，另一路与氧贮箱的增压口连通；氢氧内燃机的冷却液先进入氢换热器再进入氧换热器，最后回到氢氧内燃机中形成冷却回路；氢贮箱、氧贮箱分别通过液氢供应阀、液氧供应阀进入氢增压泵、氧增压泵；氢氧内燃机的输出与氢增压泵、氧增压泵连接；氢氧内燃机的排气管连接沉底发动机；控制器控制氢氧内燃机的点火启动，以及通过控制所有阀的通断保证氢氧内燃机按照预设的氢氧混合比正常工作并保证贮箱内气体压力在预设的范围内。
优选的，所述的控制器按照下述逻辑进行控制：
发出控制指令使供氢电磁阀、供氧气电磁阀处于常开状态；
向氢氧内燃机发出点火指令；并通过控制供氧电磁阀的开断保证按照预设的氢氧混合比向氢氧内燃机中通入氧气；
判断氢贮箱内压力是否在预设的范围内，若超出，则打开增压泵供氢电磁阀，在压力回复到预设范围内时关闭增压泵供氢电磁阀；若低于预设的范围需要进行增压时，则打开液氢供应阀及增压模块；判断氧贮箱内压力若低于预设的范围需要进行增压时，则打开液氧供应阀及增压模块。
优选的，所述的氢氧内燃机为活塞式内燃机，氢氧内燃机的进气管为氢氧混合进气管，一路接供氢气电磁阀、一路接供氧气电磁阀，两路汇合后与氢氧内燃机燃烧室连通，氢氧内燃机工作时，供氢气电磁阀保持常开，氢气由于活塞运动在燃烧室负压的作用下被吸入燃烧室；氧气在控制器的控制下按照预设的量喷入进气管。
优选的，进入燃烧室内氢氧的质量混合比为0.5～2。
优选的，所述的活塞式氢氧内燃机的发电机同时作为氢氧内燃机的启动电机；氢氧内燃机接收到控制器点火指令后，通过电池为启动电机供电，氢氧内燃机点火启动，点火后，启动电机进入发电状态，为电池充电。
优选的，所述氢氧内燃机的冷却液采用乙二醇，通过进入换热器的低温氢气、氧气对乙二醇进行降温，完成氢氧内燃机的冷却；换热器通过乙二醇将氢氧内燃机的热量传递至氢气、氧气，对氢气、氧气进行加温。
上述氢氧回收利用系统适用于长期在轨低温飞行器、或者无氧环境下发电装置或者动力装置；所述的长期至少一周以上。
本发明与现有技术相比有益效果为：
本发明提出了一种氢氧回收利用系统，该系统可利用从低温推进剂贮箱缓慢蒸发出来的氢气和氧气，共给氢氧内燃机燃烧做功，氢氧内燃机输出的轴功一方面可用来带动发电机发电，供给电气设备使用。另一方面可带动增压泵设备将多余氢气、氧气增压后贮存在气瓶内，用于其他推力器、贮箱增压等，或进入氢氧内燃机继续使用。
本发明应用于低温贮箱蒸发的氢气、氧气回收再利用，可利用从氢箱、氧箱中蒸发出来的氢气和氧气，通过氢氧内燃机燃烧做功，氢氧内燃机为纯氢、纯氧燃烧，吸入氢气、喷射氧气的方式控制氢氧内燃机混合比，同时充分利用氢气蒸发量大特点，采取浓燃策略控制缸内压力、温度，使氢气、氧气得到充分利用，并带动发动机发电，提供持续的电力供应，解决了长时间能源供应问题，提高氢氧推进剂的利用率。将多余的气体储存在氢气瓶、氧气瓶中，用于发动机再次使用，通过换热器冷却内燃机，并利用氢氧内燃机的热量蒸发低温推进剂用于贮箱增压，从而代替了大量的增压氦气气瓶。该系统整合了发电系统、贮箱增压系统等功能，使上述系统的能源均来自于贮箱中，提高了结构效率，提高了氢氧推进剂的利用率。
附图说明
图1为本发明系统示意图；
图2为本发明内燃机示意图；
1、供氢电磁阀2、增压泵供氢电磁阀3、液氢供应阀4、氢增压泵5、氢换热器6、氢气瓶7、氢箱增压电磁阀8、氢增压孔板9、增压泵供氧气电磁阀10、液氧供应阀11、氧增压泵12、氢氧内燃机13、氧换热器14、氧气瓶15、供氧电磁阀16、氧箱增压电磁阀17、氧箱增压孔板18、控制器19、启动/发电机20、充放电电池21、轴向喷射器22、氢氧内燃机排气管、23、氢氧混合进气管24、曲轴位置传感器25点火器26、火花塞27、冷却剂入口、28冷却剂出口。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明作详细说明。
本发明一种氢氧回收利用系统，可利用从低温贮箱缓慢蒸发出来的氢气和氧气，共给氢氧内燃机燃烧做功，氢氧内燃机输出的轴功一方面可用来带动发电机发电，另一方面可带动增压泵设备将多余氢气、氧气增压后贮存在气瓶内，用于推力器、贮箱增压等，其燃烧废气也可用于推力装置。
从低温液氢箱、液氧箱中蒸发排出的氢气和氧气，通过阀门和管路一部分进入氢氧内燃机，一部分进入氢气、氧气增压泵，将多余的气体储存在氢气瓶和氧气瓶中。氢氧内燃机燃烧做功，可带动发电机发电，并将电能储存在可充放电电池中，供仪器设备使用。同时氢氧内燃机可带动氢、氧增压泵工作，氢氧内燃机燃烧后排出的废气(水蒸气、氢气)进入发动机的喷管喷出，用于贮箱内推进剂的沉底控制。氢氧内燃机的冷却系统与换热器相连，在需要贮箱增压时，通过阀门、增压泵和管路引出一部分液氢、液氧，进入换热器蒸发汽化后进入气瓶，再经过贮箱增控制模块按照需要的流量进入贮箱，实现贮箱增压功能。储存在气瓶的氢气和氧气可供给发动机使用。
具体的，如图1所示，本发明系统包括供氢电磁阀1、增压泵供氢电磁阀2、液氢供应阀3、氢增压泵4、氢换热器5、增压泵供氧气电磁阀9、液氧供应阀10、氧增压泵11、氢氧内燃机12、氧换热器13、供氧电磁阀15、控制器18、沉底发动机21、氢氧内燃机排气管22、增压模块；
从氢贮箱排出的气氢一路通过供氢电磁阀1与氢氧内燃机的进气管连通、另一路通过增压泵供氢电磁阀2连入氢增压泵4的入口，氢增压泵4的出口连接氢换热器5，氢换热器5的出口连接增压模块，增压模块的出口与氢贮箱的增压口连通；氧贮箱排出的气氧通过增压泵供氧气电磁阀9连入氧增压泵11的入口，氧增压泵11的出口连接氧换热器13，氧换热器13的出口连接增压模块，增压模块的输出一路通过供氧电磁阀15连入氢氧内燃机的进气管，另一路与氧贮箱的增压口连通；氢氧内燃机的冷却液先进入氢换热器5再进入氧换热器13，最后回到氢氧内燃机中形成冷却回路；氢贮箱、氧贮箱分别通过液氢供应阀3、液氧供应阀10进入氢增压泵4、氧增压泵11；氢氧内燃机的输出与氢增压泵4、氧增压泵11连接；氢氧内燃机的排气管22连接沉底发动机21；控制器18控制氢氧内燃机的点火启动，以及通过控制所有阀的通断保证氢氧内燃机按照预设的氢氧混合比正常工作并保证贮箱内气体压力在预设的范围内。
控制器18发出控制指令使供氢电磁阀1、供氧气电磁阀9处于常开状态，同时发出点火指令，通过电池20为启动电机19供电，启动电机19带动氢氧内燃机启动，电机进入发电状态，为电池充电。进气行程中进气门打开，活塞向下运动，氢气由于活塞运动在燃烧室负压的作用下被吸入燃烧室，同时控制器18根据曲轴位置传感器24输出的信号控制供氧电磁阀15喷射氧气，使燃烧室内充满预设混合比(一般氢氧的质量混合比为0.5～2)的氢气和氧气。压缩行程进气门关闭，氢气氧气被压缩温度升高，当活塞运动至上止点时，控制器18控制点火器25点火，火花塞26发火，将燃烧室内氢气氧气点燃。氢氧燃烧做功，活塞向下运动。排气行程，排气门打开，氢氧燃烧产物与进入氢氧内燃机的氢气、氧气换热后经过排气管22、轴向喷管排出，提供轴向推力维持推进剂沉底。氢氧内燃机工作过程中，乙二醇通过冷却剂入口27进入内燃机冷却夹套，从冷却剂出口28流出，之后进入氢换热器5、氧换热器13，由进入换热器中的氢气、氧气将冷却液降温后通入冷却剂入口27，实现冷却氢氧内燃机的目的，使各部件工作在允许温度范围内。
上述增压模块包括氢气瓶6、氧气瓶14、氢箱增压电磁阀7、氢增压孔板8、氧箱增压电磁阀16、氧箱增压孔板17；
系统过程中，控制器实时判断氢贮箱内压力是否在预设的范围内，若超出，则打开增压泵供氢电磁阀2，在压力回复到预设范围内时关闭增压泵供氢电磁阀2；若低于预设的范围需要进行增压时，则打开液氢供应阀3及氢箱增压电磁阀7；判断氧贮箱内压力若低于预设的范围需要进行增压时，则打开液氧供应阀10及氧箱增压电磁阀16：通过启动氧增压泵、氢增压泵，将贮箱中的低温推进剂泵入蒸发器，与氢氧内燃机的冷却液换热，蒸发变为气体，高压气体进入气瓶贮存，维持动态平衡。氢气瓶、氧气瓶中的气体经过氢增压孔板8、氧箱增压孔板17，调节增压流量，进入贮箱增压。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种氢氧回收利用系统，其特征在于：包括氢氧内燃机、换热器、增压泵、控制器、增压模块；
氢氧贮箱内贮存液氢液氧、氢氧贮箱上的排气装置将其内部蒸发的氢气、氧气排出，其中氢气分出两路，一路进入氢氧内燃机、另一路经增压泵压缩后进入换热器，一路氧气经增压泵压缩后进入换热器，由换热器将引入的氧气加热至适于氢氧内燃机工作的温度经增压模块后输出至氢氧内燃机；
氢氧内燃机在控制器的工作下点火启动，进行发电；氢氧内燃机的冷却液进入换热器，由进入换热器中的氢气、氧气将冷却液降温，同时升温后的氢气存入增压模块并进行增压；未使用的氧气存入增压模块并进行增压。
2.根据权利要求1所述的一种氢氧回收利用系统，其特征在于：当需要对氢氧贮箱进行增压时，从氢氧贮箱中分别引出液氢、液氧，液氢、液氧分别进入增压泵压缩后分别经换热器加热汽化，之后经增压模块增压后分别进入氢氧贮箱。
3.根据权利要求1所述的一种氢氧回收利用系统，其特征在于：所述的氢氧内燃机工作后产生的废气，通过轴向喷管喷出，提供轴向推力维持氢氧贮箱内推进剂沉底。
4.一种氢氧回收利用系统，其特征在于：包括供氢电磁阀(1)、增压泵供氢电磁阀(2)、液氢供应阀(3)、氢增压泵(4)、氢换热器(5)、增压泵供氧气电磁阀(9)、液氧供应阀(10)、氧增压泵(11)、氢氧内燃机(12)、氧换热器(13)、供氧电磁阀(15)、控制器(18)、沉底发动机(21)、氢氧内燃机排气管(22)、增压模块；
从氢贮箱排出的气氢一路通过供氢电磁阀(1)与氢氧内燃机的进气管连通、另一路通过增压泵供氢电磁阀(2)连入氢增压泵(4)的入口，氢增压泵(4)的出口连接氢换热器(5)，氢换热器(5)的出口连接增压模块，增压模块的出口与氢贮箱的增压口连通；氧贮箱排出的气氧通过增压泵供氧气电磁阀(9)连入氧增压泵(11)的入口，氧增压泵(11)的出口连接氧换热器(13)，氧换热器(13)的出口连接增压模块，增压模块的输出一路通过供氧电磁阀(15)连入氢氧内燃机的进气管，另一路与氧贮箱的增压口连通；氢氧内燃机的冷却液先进入氢换热器(5)再进入氧换热器(13)，最后回到氢氧内燃机中形成冷却回路；氢贮箱、氧贮箱分别通过液氢供应阀(3)、液氧供应阀(10)进入氢增压泵(4)、氧增压泵(11)；氢氧内燃机的输出与氢增压泵(4)、氧增压泵(11)连接；氢氧内燃机的排气管(22)连接沉底发动机(21)；控制器(18)控制氢氧内燃机的点火启动，以及通过控制所有阀的通断保证氢氧内燃机按照预设的氢氧混合比正常工作并保证贮箱内气体压力在预设的范围内。
5.根据权利要求4所述的一种氢氧回收利用系统，其特征在于：所述的控制器按照下述逻辑进行控制：
发出控制指令使供氢电磁阀(1)、供氧气电磁阀(9)处于常开状态；
向氢氧内燃机发出点火指令；并通过控制供氧电磁阀(15)的开断保证按照预设的氢氧混合比向氢氧内燃机中通入氧气；
判断氢贮箱内压力是否在预设的范围内，若超出，则打开增压泵供氢电磁阀(2)，在压力回复到预设范围内时关闭增压泵供氢电磁阀(2)；若低于预设的范围需要进行增压时，则打开液氢供应阀(3)及增压模块；判断氧贮箱内压力若低于预设的范围需要进行增压时，则打开液氧供应阀(10)及增压模块。
6.根据权利要求1或4所述的一种氢氧回收利用系统，其特征在于：所述的氢氧内燃机为活塞式内燃机，氢氧内燃机的进气管(23)为氢氧混合进气管，一路接供氢气电磁阀(1)、一路接供氧气电磁阀(15)，两路汇合后与氢氧内燃机燃烧室连通，氢氧内燃机工作时，供氢气电磁阀(1)保持常开，氢气由于活塞运动在燃烧室负压的作用下被吸入燃烧室；氧气在控制器的控制下按照预设的量喷入进气管。
7.根据权利要求6所述的一种氢氧回收利用系统，其特征在于：进入燃烧室内氢氧的质量混合比为0.5～2。
8.根据权利要求1或4所述的一种氢氧回收利用系统，其特征在于：所述的活塞式氢氧内燃机的发电机同时作为氢氧内燃机的启动电机；氢氧内燃机接收到控制器点火指令后，通过电池为启动电机供电，氢氧内燃机点火启动，点火后，启动电机进入发电状态，为电池充电。
9.根据权利要求1或4所述的一种氢氧回收利用系统，其特征在于：所述氢氧内燃机的冷却液采用乙二醇，通过进入换热器的低温氢气、氧气对乙二醇进行降温，完成氢氧内燃机的冷却；换热器通过乙二醇将氢氧内燃机的热量传递至氢气、氧气，对氢气、氧气进行加温。
10.根据权利要求1-9之一所述的氢氧回收利用系统适用于长期在轨低温飞行器、或者无氧环境下发电装置或者动力装置；所述的长期至少一周以上。
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