CN109900005B - 基于气固相变的氨体积调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于气固相变的氨体积调控装置，通过优化的换热设备结构增大制冷量，使氨在低压下直接由气相转换为固相，解决了在平流层环境下，由于大气压力低于氨气的三相点压力导致氨气无法被液化的缺陷，并通过筛选的制冷剂、优化的制冷流程满足平流层环境下高效率的基于气固相变的氨体积调控系统。

Description

基于气固相变的氨体积调控系统

技术领域

本发明涉及低温制冷技术领域，特别是涉及一种基于气固相变的氨体积调控系统。

背景技术

平流层中垂直气流较少，空气以水平运动为主，且较为平缓，适合平流层飞艇长时间驻留及飞行。但是平流层中大气稀薄，飞艇在其中平稳运行时需庞大的体积，且推重比极小，气动操作能力差，控制输入受到限制。并且平流层中水汽、尘埃含量极少，飞艇内部的温度、压力等热力学参数随太阳辐射等热环境变化明显，影响飞艇内部的正常运作，因此在平流层环境下实现飞艇高度、压力、浮力的有效控制并且持久的在平流层中驻足是目前各大国面临的共同挑战。

目前，飞艇的气囊主要为“氦气囊”或“氦气囊+空气囊”结构，对其体积和质量很难进行控制，因此在原常规充注氦气或空气的气囊的基础上，引入氨作为工质的新的“相变气囊”，其不与外界交换质量，通过热力循环装置等技术手段连续、可逆地实现氨的相变，可控地改变气囊体积比例，从而实现对浮空器浮力、压力和高度的独立控制，从而实现气囊的超长时间驻空。

然而，在平流层环境下，大气压力较低，一般仅为2500～5500Pa，低于氨气的三相点压力(6.1kPa)，在此压力下，氨气无法被液化。通过增压的方式，使氨的压力高于6.1kPa，理论上可以实现氨的气液相变过程，然而，受限于低温、低气压增压机的效率低下，以及高压比、大流量增压设备的体积庞大，会跟平流层飞艇带来沉重负担。

发明内容

为此，本发明提出一种基于气固相变的氨体积调控系统。

有必要提供一种适用于平流层环境下的基于气固相变的氨体积调控系统。

为实现上述目的本发明采用下述技术方案：

一种基于气固相变的氨体积调控系统，包括氨体积调控单元和制冷/制热循环单元；其中：

所述氨体积调控单元包括换热模块和氨气囊，低压氨气由所述氨气囊的出口通过连接管道连接于所述换热模块的入口，所述换热模块的出口管道连接于所述氨气囊的入口，若使氨气量减少，所述低压氨气从所述氨气囊中进入所述换热模块遇冷变为固态，若使氨气量增加，所述换热模块中的固态氨遇热变为气态进入到所述氨气囊中；

所述制冷/制热循环单元包括换热管、分离器、压缩机、四通阀、空冷器、节流阀、过滤器、电磁阀和冷剂储罐；若使氨气量减少，低压制冷剂依次经过所述换热管、所述分离器、所述压缩机、所述四通阀、所述空冷器、所述节流阀、所述过滤器后进入所述换热管，以形成制冷循环回路；若使氨气量增加，转换所述四通阀，低压制冷剂依次经过所述换热管、所述过滤器、所述节流阀、所述空冷器、所述分离器、所述压缩机后进入所述换热管，以形成制热循环回路；

所述氨体积调控单元和制冷/制热循环单元通过所述换热管相耦合。

在一些较佳的实施例中，所述换热模块包括外壳、设置于所述外壳内的内管道，以及设置于所述外壳和所述内管道之间的翅片。

在一些较佳的实施例中，所述翅片与所述换热管相连，前排与氨进气管路相距较近的所述翅片的间距大于后排所述翅片的间距。

在一些较佳的实施例中，所述翅片的主体形状为环状，且所述翅片上打有小孔。

在一些较佳的实施例中，所述翅片采用微槽表面。

在一些较佳的实施例中，所述外壳为圆柱形和半球形的结合体，所述内管道为圆柱形。

在一些较佳的实施例中，所述外壳和内部管道分别通过连接管路和氨气囊相连，低压氨气从与所述外壳连接的管路进入所述换热模块，从与所述内管道相连的管路流回所述氨气囊，构成循环回路。

在一些较佳的实施例中，所述氨体积调控单元与所述低压氨气的接触部为防氨腐蚀的轻质材料。

在一些较佳的实施例中，所述轻质材料为工程塑料、金属或玻璃钢中的一种。

在一些较佳的实施例中，所述低压制冷剂为乙烯、乙烷、三氟甲烷、氟甲烷或全氟乙烷中的一种或其二元或多元混合物。

在一些较佳的实施例中，所述制冷/制热循环单元采用凝固点低于-80℃的润滑油。

在一些较佳的实施例中，所述制冷/制热循环单元采用采用无油压缩机。

在一些较佳的实施例中，所述压缩机的外壳为轻质金属铝镁合金或钛合金；所述管道、所述空冷器、所述换热管、所述节流阀和所述四通阀为铝合金、铝镁合金或钛合金中的一种。

本发明采用上述技术方案，其有益效果在于：

本发明提供基于气固相变的氨体积调控系统，包括氨体积调控单元和制冷/制热循环单元，其中，若使气囊中气体量减少，在氨体积调控单元，低压氨气从气囊进入所述换热模块转化为固态，同时，在制冷/制热循环单元中，低压制冷剂在与氨体积调控单元相耦合的所述换热管中汽化吸热，随后依次经过所述分离器、所述压缩机、所述四通阀、所述空冷器、所述节流阀、所述过滤器后进入所述换热管，以形成制冷循环回路；若使气囊中的气体量增加，在氨体积调控单元，固态氨受热变为气态进入氨气囊中，同时，在制冷/制热循环单元中，所述四通阀转向，低压制冷剂在与氨体积调控单元相耦合的所述换热管中液化放热，随后依次经过所述过滤器、所述节流阀、所述空冷器、所述分离器、所述压缩机后进入所述换热管，以形成制热循环回路，本发明提供的基于气固相变的氨体积调控装置，通过优化的换热设备结构增大制冷量，使氨在低压下直接由气相转换为固相，解决了在平流层环境下，由于大气压力低于氨气的三相点压力导致氨气无法被液化的缺陷，并通过筛选的制冷剂、优化的制冷流程满足平流层环境下高效率的基于气固相变的氨体积调控系统。

附图说明

图1为一实施方式提供的基于气固相变的氨体积调控系统的结构示意图。

图2为另一实施方式提供的基于气固相变的氨体积调控系统的结构示意图。

图3为一实施方式提供的氨体积调控单元的结构示意图。

图4为另一实施方式提供的氨体积调控单元的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例一

请参阅图1，为本发明的一实施方式的基于气固相变的氨体积调控系统100，包括：氨体积调控单元110和制冷循环单元120-a。

所述氨体积调控单元110包括换热模块111和氨气囊112，低压氨气由所述氨气囊112的出口通过连接管道连接于所述换热模块111的入口，所述换热模块111的出口管道连接于所述氨气囊112的入口。

本发明提供的氨体积调控单元110，工作方式为：若使氨气量减少，所述低压氨气从所述氨气囊112中进入所述换热模块111遇冷变为固态；若使氨气量增加，所述换热模块111中的固态氨遇热变为气态进入到所述氨气囊112中。

所述制冷循环单元120-a包括换热管129、分离器125、压缩机126、四通阀124、空冷器123、节流阀122、过滤器121、电磁阀127和冷剂储罐128，若使氨气量减少，低压制冷剂依次经过所述换热管129、所述分离器125、所述压缩机126、所述四通阀124、所述空冷器123、所述节流阀122、所述过滤器121后进入所述换热管129，以形成制冷循环回路。

具体地，在所述制冷循环单元120-a中，低压制冷剂在所述换热管129中吸热产生冷量，随后经过所述四通阀124，后经过所述分离器125避免液体进入所述压缩机126中，之后分离出的气体通过管道进入所述压缩机126，排出的气体随后从另一个方向进入所述四通阀124，之后其进入所述空冷器123将热量排出到外界环境中，低压制冷剂再经所述节流阀122进入所述过滤器121后返回到所述换热管129，以形成制冷循环回路。

所述氨体积调控单元110和制冷循环单元120-a通过所述换热管129相耦合。

在一些较佳的实施例中，所述低压制冷剂为乙烯、乙烷、三氟甲烷、氟甲烷或全氟乙烷中的一种或其二元或多元混合物。

可以理解，通过筛选的制冷剂、优化的制冷流程满足平流层环境下高效率的基于气固相变的氨体积调控系统。

在一些较佳的实施例中，所述制冷循环单元采用凝固点低于-80℃的润滑油。

在一些较佳的实施例中，所述制冷/制热循环单元采用采用无油压缩机。

在一些较佳的实施例中，所述压缩机126的外壳为轻质金属铝镁合金或钛合金；所述管道、所述空冷器、所述换热管、所述节流阀和所述四通阀为铝合金、铝镁合金或钛合金中的一种。

本发明提供的基于气固相变的氨体积调控装置，通过优化的换热设备结构增大制冷量，使氨在低压下直接由气相转换为固相，解决了在平流层环境下，由于大气压力低于氨气的三相点压力导致氨气无法被液化的缺陷，并通过筛选的制冷剂、优化的制冷流程满足平流层环境下高效率的基于气固相变的氨体积调控系统。

实施例二

请参阅图2，为本发明的一实施方式的基于气固相变的氨体积调控系统101，包括：氨体积调控单元110和制冷循环单元120-b。

所述氨体积调控单元110包括换热模块111和氨气囊112，低压氨气由所述氨气囊112的出口通过连接管道连接于所述换热模块111的入口，所述换热模块111的出口管道连接于所述氨气囊112的入口。

本发明提供的氨体积调控单元110，工作方式为：若使氨气量减少，所述低压氨气从所述氨气囊112中进入所述换热模块111遇冷变为固态；若使氨气量增加，所述换热模块111中的固态氨遇热变为气态进入到所述氨气囊112中。

所述制热循环单元120-b包括换热管129、分离器125、压缩机126、四通阀124、空冷器123、节流阀122、过滤器121、电磁阀127和冷剂储罐128，若使氨气量增加，转换所述四通阀124，低压制冷剂依次经过所述换热管129、所述过滤器121、所述节流阀122、所述空冷器123、所述分离器125、所述压缩机126后进入所述换热管129，以形成制热循环回路。

具体地，在所述制热循环单元120-b中，低压制冷剂在所述换热管129中放热产生热量，后经过所述过滤器121，之后低压制冷剂经过所述节流阀122，随后其进入所述空冷器123中吸收冷量，随后经过所述四通阀124，后经过所述分离器125避免液体进入所述压缩机126中，之后分离出的气体通过管道进入所述压缩机126，排出的气体随后从另一方向进入所述四通阀124，之后其返回到所述换热管129，以形成制热循环回路。

所述氨体积调控单元110和制冷循环单元120-a通过所述换热管129相耦合。

在一些较佳的实施例中，所述低压制冷剂为乙烯、乙烷、三氟甲烷、氟甲烷或全氟乙烷中的一种或其二元或多元混合物。

可以理解，通过筛选的制冷剂、优化的制冷流程满足平流层环境下高效率的基于气固相变的氨体积调控系统。

在一些较佳的实施例中，所述制冷循环单元采用凝固点低于-80℃的润滑油。

在一些较佳的实施例中，所述制冷/制热循环单元采用采用无油压缩机。

在一些较佳的实施例中，所述压缩机126的外壳为轻质金属铝镁合金或钛合金；所述管道、所述空冷器、所述换热管、所述节流阀和所述四通阀为铝合金、铝镁合金或钛合金中的一种。

本发明提供的基于气固相变的氨体积调控装置，通过优化的换热设备结构增大制冷量，使氨在低压下直接由气相转换为固相，解决了在平流层环境下，由于大气压力低于氨气的三相点压力导致氨气无法被液化的缺陷，并通过筛选的制冷剂、优化的制冷流程满足平流层环境下高效率的基于气固相变的氨体积调控系统。

实施例三

请参阅图3，为本发明一实施例提供的氨体积调控单元的结构示意图。

所述氨体积调控单元110包括换热模块111和氨气囊112，所述换热模块包括外壳111、设置于所述外壳1111内的内管道1112、设置于所述外壳1111和所述内管道1112之间的翅片1113及连接管路1114和1115组成。

在本实施例中，所述外壳1111为圆柱形和半球形的结合体，所述内管道1112为圆柱形。

在本实施例中，所述外壳1111和内管道1112分别通过连接管路1114(1115)和氨气囊110相连，低压氨气从与所述外壳1111连接的管路1114进入所述换热模块111，从与所述内管道1112相连的管路1115流回所述氨气囊112，构成循环回路。

在一些较佳的实施例中，所述翅片1113与所述换热管120相连，前排与氨进气管路相距较近的所述翅片1113的间距大于后排所述翅片1113的间距，从而可以有效地预防过量的固态氨凝结在翅片1113表面，增大换热热阻，阻碍剩余气态氨凝结成固态。

进一步地，所述翅片1113采用微槽表面，减少其单位面积的冻结物质量。

进一步地，所述翅片1113的主体形状为环状，且所述翅片上打有小孔，从而增大翅片1113的比表面积，增加翅片1113的有效利用率，且不阻碍空间内气态氨的流动。

实施例四

请参阅图4，为本发明另一实施例提供的氨体积调控单元的结构示意图。

在本实施例中，所述氨气囊110与所述换热模块111、制冷/制热循环单元中的换热管129直接接触。

本发明提供基于气固相变的氨体积调控系统，包括氨体积调控单元和制冷/制热循环单元，其中，若使气囊中气体量减少，在氨体积调控单元，低压氨气从气囊进入所述换热模块转化为固态，同时，在制冷/制热循环单元中，低压制冷剂在与氨体积调控单元相耦合的所述换热管中汽化吸热，随后依次经过所述分离器、所述压缩机、所述四通阀、所述空冷器、所述节流阀、所述过滤器后进入所述换热管，以形成制冷循环回路；若使气囊中的气体量增加，在氨体积调控单元，固态氨受热变为气态进入氨气囊中，同时，在制冷/制热循环单元中，所述四通阀转向，低压制冷剂在与氨体积调控单元相耦合的所述换热管中液化放热，随后依次经过所述过滤器、所述节流阀、所述空冷器、所述分离器、所述压缩机后进入所述换热管，以形成制热循环回路，本发明提供的基于气固相变的氨体积调控装置，通过优化的换热设备结构增大制冷量，使氨在低压下直接由气相转换为固相，解决了在平流层环境下，由于大气压力低于氨气的三相点压力导致氨气无法被液化的缺陷，并通过筛选的制冷剂、优化的制冷流程满足平流层环境下高效率的基于气固相变的氨体积调控系统。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种基于气固相变的氨体积调控系统，其特征在于，包括氨体积调控单元和制冷/制热循环单元；其中：

所述氨体积调控单元包括换热模块和氨气囊，低压氨气由所述氨气囊的出口通过连接管道连接于所述换热模块的入口，所述换热模块的出口管道连接于所述氨气囊的入口，若使氨气量减少，所述低压氨气从所述氨气囊中进入所述换热模块遇冷变为固态，若使氨气量增加，所述换热模块中的固态氨遇热变为气态进入到所述氨气囊中；

所述制冷/制热循环单元包括换热管、分离器、压缩机、四通阀、空冷器、节流阀、过滤器、电磁阀和冷剂储罐；若使氨气量减少，低压制冷剂依次经过所述换热管、所述分离器、所述压缩机、所述四通阀、所述空冷器、所述节流阀、所述过滤器后进入所述换热管，以形成制冷循环回路；若使氨气量增加，转换所述四通阀，低压制冷剂依次经过所述换热管、所述过滤器、所述节流阀、所述空冷器、所述分离器、所述压缩机后进入所述换热管，以形成制热循环回路；

所述氨体积调控单元和制冷/制热循环单元通过所述换热管相耦合；

所述换热模块包括外壳、设置于所述外壳内的内管道，以及设置于所述外壳和所述内管道之间的翅片；

所述翅片与所述换热管相连，前排与氨进气管路相距较近的所述翅片的间距大于后排所述翅片的间距。

2.根据权利要求1所述的基于气固相变的氨体积调控系统，其特征在于，所述翅片的主体形状为环状，且所述翅片上打有小孔。

3.根据权利要求1所述的基于气固相变的氨体积调控系统，其特征在于，所述翅片采用微槽表面。

4.根据权利要求1所述的基于气固相变的氨体积调控系统，其特征在于，所述外壳为圆柱形和半球形的结合体，所述内管道为圆柱形。

5.根据权利要求1所述的基于气固相变的氨体积调控系统，其特征在于，所述外壳和内部管道分别通过连接管路和氨气囊相连，低压氨气从与所述外壳连接的管路进入所述换热模块，从与所述内管道相连的管路流回所述氨气囊，构成循环回路。

6.根据权利要求1所述的基于气固相变的氨体积调控系统，其特征在于，所述氨体积调控单元与所述低压氨气的接触部为防氨腐蚀的轻质材料。

7.根据权利要求6所述的基于气固相变的氨体积调控系统，其特征在于，所述轻质材料为工程塑料、金属或玻璃钢中的一种。

8.根据权利要求1所述的基于气固相变的氨体积调控系统，其特征在于，所述低压制冷剂为乙烯、乙烷、三氟甲烷、氟甲烷或全氟乙烷中的一种或其二元或多元混合物。

9.根据权利要求1所述的基于气固相变的氨体积调控系统，其特征在于，所述制冷/制热循环单元采用凝固点低于-80℃的润滑油。

10.根据权利要求1所述的基于气固相变的氨体积调控系统，其特征在于，所述制冷/制热循环单元采用采用无油压缩机。

11.根据权利要求1所述的基于气固相变的氨体积调控系统，其特征在于，所述压缩机的外壳为轻质金属铝镁合金或钛合金；所述管道、所述空冷器、所述换热管、所述节流阀和所述四通阀为铝合金、铝镁合金或钛合金中的一种。

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