CN110360441B - 空间液氢储罐排气冷量利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间液氢储罐排气冷量利用系统，包括：按照工质流向，与空间液氢储罐气体出口依次相连的压缩机、缓冲罐、节流阀和气液分离器，所述气液分离器的液体出口通过带有止回阀的管路与所述空间液氢储罐液体入口单向导通，所述气液分离器的气体出口与蒸发器入口相连，蒸发器出口与所述压缩机入口相连。本发明利用液氢储罐受热蒸发产生的气氢冷量，回收部分液氢，剩余气氢冷量用于冷却液氢储罐外部，消除环境漏热，减少了预冷机构工作时长，降低系统能耗，提高了系统效率，同时有利于液氢储罐可靠性提高。

Description

空间液氢储罐排气冷量利用系统
技术领域
本发明涉及制冷技术与绝热技术领域，具体是涉及一种空间液氢储罐排气冷量利用系统。
背景技术
随着空间技术的发展与低温技术的普及，低温液体在空间探测、轨道空间站、空间补给站等领域有着越来越大的需求。而随着空间探测距离的增加，低温液体往往需要更长的存储时间与更大的存储量。
液氢具有高比冲，无污染等优势，未来可满足长期在轨深空探测和航天器的动力需求。然而，液氢沸点低，受空间热负荷影响后会汽化导致储罐内部气压升高，若不及时排气或液化会导致储罐存在爆炸危险。但如果直接将气氢排放到宇宙环境中，则会使储罐内部氢含量降低，无法满足长期在轨存储需求。为了防止液氢受热蒸发，科研人员采用被动绝热方式，在储罐与空间环境间填充多层绝热材料，减少空间向储罐内部的辐射漏热。但这种绝热方法无法从根本上消除空间漏热带来的影响，无法实现液氢零损耗，也没有利用气氢冷量，储罐可靠性也不能保证。
为了实现液氢长期在轨目标，科研人员提出了液氢零蒸发概念。通过被动绝热与主动冷却技术的配合，实现液氢零蒸发。也就是采用多层绝热技术耦合制冷机方式实现液氢储罐零蒸发。目前常用的方法是直接将制冷机直接伸入液氢储罐中，冷却气氢使之直接液化。但是这种方法需要实现制冷机与储罐严格密封，且制冷机会占用液氢储罐空间，减少了储罐液氢含量；第二种方法是将液氢从储罐中引出，采用回热式制冷机进一步冷却后喷淋至储罐内气相区，使气氢液化回收，但是这种方法储罐内部存在机械结构，且制冷机位于储罐周围，制冷机振动或产生热量会影响液氢储罐安全存储；第三种方法是采用间壁式制冷机(JT制冷机、逆布雷顿制冷机等)进行远距离冷量输送，在储罐外部布置冷却管道。该方法需要制冷机与预冷装置连续运行，若预冷装置出现故障，则会使JT制冷机失效无法提供制冷能力，储罐内液氢会受热蒸发影响储罐安全存储。
在轨液氢储罐不易维护，已有冷却方案主要从抑制液氢蒸发角度实现液氢长期存储。但是，如果空间热负荷突然超过制冷机冷却能力，液氢会受热蒸发，对储罐安全存储造成影响。目前主动冷却方案中大多未考虑气氢冷量利用的问题。
发明内容
本发明提供了一种空间液氢储罐排气冷量利用系统，该冷量利用系统利用了液氢储罐受热蒸发产生气氢的冷量，同时回收了部分液氢工质，减少了预冷机构工作时长，节省了系统能耗，提高了系统可靠性。
一种空间液氢储罐排气冷量利用系统，按照工质流向，包括与空间液氢储罐气体出口依次相连的压缩机、缓冲罐、节流阀和气液分离器，所述气液分离器的液体出口通过带有止回阀的管路与所述空间液氢储罐液体入口单向导通，所述气液分离器的气体出口与蒸发器入口相连，蒸发器出口与所述压缩机入口相连。
上述系统中，所述压缩机、缓冲罐、节流阀和气液分离器液体出口与空间液氢储罐之间形成了液氢回收单元；所述压缩机、缓冲罐、节流阀和气液分离器气体出口以及蒸发器组成了冷量传输单元。气液分离器的入口与所述节流阀的出口通过管路相连。本发明通过设置气液分离器、压缩机、节流阀等，在实现对部分液态氢回收的同时，也回收并利用了气态氢中的冷量。
作为优选，所述空间液氢储罐气体出口与压缩机入口之间的管路上设有第一控制阀。通过设置第一控制阀，可以在压缩机运行时隔绝液氢储罐。液氢储罐排气初期，气氢(气态氢)暂时存储在缓冲罐内部，待所有气氢排放完毕后，或者排出设定量(可以通过压力传感器控制)气态氢气后，关闭第一控制阀，实现液氢储罐与制冷循环系统的分离。作为进一步优选，所述第一控制阀可以选择隔膜阀。
作为优选，所述节流阀出口与蒸发器入口之间设有第一支路，该第一支路上设有第二控制阀；所述节流阀出口与气液分离器入口之间的管路上设有第三控制阀；所述气液分离器气体出口与蒸发器入口之间的管路上设有第四控制阀。采用该技术方案，可以防止液氢回收单元液氢回收过多，导致冷量传输单元气氢工质不足等问题出现。若冷量传输单元气氢工质不足，则关闭第三控制阀和第四控制阀，开启第二控制阀，节流后的工质全部经过第二控制阀流入蒸发器内部，用于储罐外部冷却。作为进一步优选，所述第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀中的其中一个或者多个，或者全部都选择隔膜阀。本发明通过设置第二至第四控制阀，可以避免冷量传输单元中气氢过少、冷量不足的问题发生。
由于空间液氢储罐排气冷量利用系统中工质为气氢，对低温压缩机可靠性与气密性都有很大要求。地面气氢压缩机一般为隔膜压缩机，但体积大，重量重是其空间应用的限制因素。无油涡旋压缩机涡卷与轴承空间分离，具有压比大、体积小和无油润滑的优势，具有空间应用潜力。作为优选，本发明的压缩机选择无油浮动涡旋压缩机。
作为一种优选的方案，一种空间液氢储罐排气冷量利用系统，包括液氢回收单元和冷量传输单元，所述液氢回收单元包括液氢储罐、第一控制阀、低温压缩机、缓冲罐、节流阀、气液分离器和止回阀，所述冷量传输单元包括液氢储罐、第一控制阀、低温压缩机、缓冲罐、节流阀、气液分离器和蒸发器；按照液氢回收工质流向，所述液氢储罐排气管路依次与第一控制阀、低温压缩机、缓冲罐、节流阀、第三控制阀和气液分离器入口连通，气液分离器液相出口管路与止回阀和液氢储罐进口管路连通形成循环通路；按照气氢冷量传输流向，所述液氢储罐排气管路依次与第一控制阀、低温压缩机、缓冲罐、节流阀、第三控制阀和气液分离器入口连通，气液分离器气路出口管路与第四控制阀、蒸发器和低温压缩机进气管路连通形成循环通路。
作为优选，所述压缩机出口与节流阀入口之间的管路上设有预冷换热器；还包括对所述预冷换热器提供冷量的预冷机构。采用该技术方案，可以避免蒸发器出口气氢温度过高，导致气氢经低温压缩机压缩、缓冲罐稳压后在节流阀处节流升温，丧失制冷能力等问题，实现节流降温，并最终实现液氢回收及冷量传输。
作为优选，所述预冷换热器设置在所述缓冲罐出口与节流阀入口之间的管路上。所述缓冲罐出口与预冷换热器相连，预冷换热器与节流阀入口相连，预冷机构通过热耦合结构冷却预冷换热器内气氢工质。
作为优选，所述预冷机构通过热耦合结构冷却预冷换热器。
作为优选，所述预冷机构选择辐射冷却器、斯特林制冷机或者脉管制冷机。
为了保护储罐安全，空间液氢储罐排气冷量利用系统还设有安全阀与气体转储阀，让循环完成后的高温气氢转储至高压储罐内部，同时可以防止环境漏热突然增加导致储罐内气氢过多带来的危险。即作为优选，所述液氢储罐气体出口与低温压缩机入口之间的管路上设有安全阀。作为优选，所述液氢储罐气体出口的管路上设有带有气体转储阀的支路。
本发明利用液氢储罐受热蒸发产生的气氢冷量，回收部分液氢，剩余气氢冷量用于冷却液氢储罐外部，消除环境漏热，减少了预冷机构工作时长，降低系统能耗，提高了系统效率，同时有利于液氢储罐可靠性提高。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明充分利用了液氢受热蒸发而产生的气氢的冷量，最初蒸发的气氢温度低，不需要预冷机构预冷便可以经过节流产生气液混合物，其中液氢可以直接回收，气氢流经以管道方式布置在储罐外部的蒸发器吸收环境漏热，消除外部漏热对储罐的影响。循环后期气氢温度升高后，可以通过预冷机构冷却气氢工质，使其具有节流制冷能力。因此，在一定程度上减少了预冷机构工作时长，降低了系统能耗，提高了系统效率。
(2)本发明可以使液氢储罐可靠性提高，系统中设置缓冲罐与气氢转储阀。外部热量突变带来的小流量的气氢增加可转移到缓冲罐内参与循环并利用其冷量；外部热量突变带来的大流量的气氢增加可通过气氢转储阀直接迅速转移至高压储罐内(尽量避免此操作，以减少系统冷量损耗)。
附图说明
图1为本发明的空间液氢储罐排气冷量利用系统的第一种实施方式示意图。
图2为本发明的空间液氢储罐排气冷量利用系统的第二种实施方式示意图。
图3为图1所示循环系统的T-s示意图。
图4为图2所示循环系统的T-s示意图。
其中，1：液氢储罐、2：安全阀、3：隔膜阀、4：气氢转储阀、5：低温压缩机、6：缓冲罐、7：节流阀、8：隔膜阀、9：隔膜阀、10：隔膜阀、11：气液分离器、12：止回阀、13：蒸发器、14：预冷换热器、15：预冷机构。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种空间液氢储罐排气冷量利用系统，包括液氢回收单元和冷量传输单元，液氢回收单元包括液氢储罐1、隔膜阀3、低温压缩机5、缓冲罐6、节流阀7、隔膜阀8、气液分离器11和止回阀12，所述冷量传输单元包括液氢储罐1、隔膜阀3、低温压缩机5、缓冲罐6、节流阀7、隔膜阀8、气液分离器11、隔膜阀10和蒸发器13；
液氢回收单元和冷量传输单元各部件之间的连接关系为：
按照液氢回收单元工质流向，所述液氢储罐1排气管路依次与隔膜阀3、低温压缩机5、缓冲罐6、节流阀7、隔膜阀8、气液分离器11入口连通，气液分离器11液相出口管路与止回阀12和液氢储罐1进口管路连通形成循环通路；按照气氢冷量传输单元工质流向，所述液氢储罐1排气管路依次与隔膜阀3、低温压缩机5、缓冲罐6、节流阀7、隔膜阀8、气液分离器11入口连通，气液分离器11气路出口管路与隔膜阀10、蒸发器13和低温压缩机5进气管路连通形成循环通路。
液氢回收单元和冷量传输单元内工质的工作过程分别为：
液氢回收单元工质工作过程为：液氢储罐1内液氢受热蒸发产生气氢经隔膜阀3由低温压缩机5压缩产生高压气氢并经缓冲罐6稳压后进入节流阀7，在节流阀7处节流至低压并达到液氢温区后流经隔膜阀8与气液分离器11，在气液分离器11内实现气相与液相的分离，液氢经过气液分离器11液相出口与止回阀12回流至液氢储罐1内部。
冷量传输单元工质工作过程为：液氢储罐1内液氢受热蒸发产生气氢经隔膜阀3由低温压缩机5压缩产生高压气氢并经缓冲罐6稳压后进入节流阀7，在节流阀7处节流至低压并达到液氢温区后流经隔膜阀8与气液分离器11，在气液分离器11内实现气相与液相的分离，气氢经过气液分离器11气路出口、隔膜阀10和蒸发器13，在蒸发器13内吸收热量后最终返回低温压缩机5。
液氢储罐排气初期低温压缩机关闭，气氢暂时存储在缓冲罐6内部，待所有气氢排放完毕后关闭隔膜阀3，实现液氢储罐1与制冷循环系统分离。同时添加止回阀12目的就是进一步实现工质参与循环时液氢储罐1与循环系统的断开，所产液氢只能经过止回阀12流入液氢储罐1内部。添加隔膜阀9的目的为防止液氢回收单元液氢回收过多导致冷量传输单元气氢工质不足等问题出现。若冷量传输单元气氢工质不足，则关闭隔膜阀8与隔膜阀10，开启隔膜阀9，节流后的工质全部经过隔膜阀9流入蒸发器13内部，用于液氢储罐1外部冷却。
图3为本实施方式的空间液氢储罐排气冷量利用系统的T-s示意图。图3中各编号曲线为工质在图1中相应编号部件中的过程曲线。
实施例2
如图2所示一种空间液氢储罐排气冷量利用系统，与实施例1区别在于：蒸发器13出口气氢可能存在温度过高等问题，可能会使气氢经低温压缩机5压缩、缓冲罐6稳压后在节流阀7处节流升温，丧失制冷能力。因此，缓冲罐6出口与节流阀7入口之间还设有预冷换热器14和预冷机构15；所述缓冲罐6出口与预冷换热器14相连，预冷换热器14与节流阀7入口相连，预冷机构15通过热耦合结构冷却预冷换热器14，使气氢温度降至转变温度(决定气氢节流后温度变化的特征温度，气氢温度高于转变温度，节流后升温；反之，节流后气氢温度降低。)以下，实现节流降温，并最终实现液氢回收及冷量传输。
预冷机构15可选择辐射冷却器、斯特林制冷机或者脉管制冷机。
图4为本实施方式的空间液氢储罐排气冷量利用系统的T-s示意图。图4中各编号曲线为工质在图2中相应编号部件中的过程曲线。
实施例1和实施例2中，可以在所述液氢储罐1出口与低温压缩机5入口之间设置安全阀2与气体转储阀4。通过气体转储阀4可以实现让循环完成后的高温气氢转储至高压储罐内部，同时通过安全阀2也可以防止环境漏热突然增加导致储罐内气氢过多带来的危险。
实施例1和实施例2中，蒸发器可以布置在液氢储罐1外壁周围以便于更高效地对液氢储罐1进行冷却保护。
作为一种选择，可以在节流阀7出口管路中设置压力传感器，通过对管内压力的控制，实现对制冷工质量的检测，进而实现隔膜阀9、隔膜阀8和隔膜阀10的自动控制。
作为一种选择，也可以选择在节流阀7入口或者出口的管路上设置温度传感器，通过温度传感器控制预冷换热器14和预冷机构15的自动开启和关闭。
作为一种选择，也可以在蒸发器13与压缩机5之间管路上设置温度传感器，通过温度传感器控制气体转储阀4的自动开启和关闭。

Claims (9)

1.一种空间液氢储罐排气冷量利用系统，其特征在于，包括：按照工质流向，与空间液氢储罐气体出口依次相连的压缩机、缓冲罐、节流阀和气液分离器，所述气液分离器的液体出口通过带有止回阀的管路与所述空间液氢储罐液体入口单向导通，所述气液分离器的气体出口与蒸发器入口相连，蒸发器出口与所述压缩机入口相连。
2.根据权利要求1所述的空间液氢储罐排气冷量利用系统，其特征在于，所述空间液氢储罐气体出口与压缩机入口之间的管路上设有第一控制阀。
3.根据权利要求1所述的空间液氢储罐排气冷量利用系统，其特征在于，所述节流阀出口与蒸发器入口之间设有第一支路，该第一支路上设有第二控制阀；所述节流阀出口与气液分离器入口之间的管路上设有第三控制阀；所述气液分离器气体出口与蒸发器入口之间的管路上设有第四控制阀。
4.根据权利要求1所述的空间液氢储罐排气冷量利用系统，其特征在于，所述压缩机出口与节流阀入口之间的管路上设有预冷换热器；还包括对所述预冷换热器提供冷量的预冷机构。
5.根据权利要求4所述的空间液氢储罐排气冷量利用系统，其特征在于，所述预冷换热器设置在所述缓冲罐出口与节流阀入口之间的管路上。
6.根据权利要求4所述的空间液氢储罐排气冷量利用系统，其特征在于，所述预冷机构通过热耦合结构冷却预冷换热器。
7.根据权利要求4所述的空间液氢储罐排气冷量利用系统，其特征在于，所述预冷机构选择辐射冷却器、斯特林制冷机或者脉管制冷机。
8.根据权利要求1所述的空间液氢储罐排气冷量利用系统，其特征在于，所述液氢储罐气体出口与低温压缩机入口之间的管路上设有安全阀。
9.根据权利要求1所述的空间液氢储罐排气冷量利用系统，其特征在于，所述液氢储罐气体出口的管路上设有带有气体转储阀的支路。
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