CN111412695A - 一种基于液氧液氮混合再抽空的超级过冷液氧获取系统 - Google Patents

一种基于液氧液氮混合再抽空的超级过冷液氧获取系统 Download PDF

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Abstract

一种基于液氧液氮混合再抽空的超级过冷液氧获取系统，包括常压饱和液氮、液氧储罐，常压饱和液氮储罐入口与增压气体相通，出口与二级过冷器壳侧入口a连接；常压饱和液氧储罐入口与增压气体相通，第一出口与二级过冷器壳侧入口b连接；二级过冷器壳侧出口c与一级过冷器气侧入口d连接，一级过冷器气侧出口e经过复温器与抽空减压装置连接；常压饱和液氧储罐第二出口与一级过冷器液侧入口n连接，一级过冷器液侧出口o与二级过冷器管程入口r连接；二级过冷器管程出口s与深度过冷液氧储罐入口连接；本发明将液氧液氮混合后，在较高的抽空压力下，便可获得接近液氧三相点的温度，实现以较低的抽空代价获得更大的液氧过冷度效果。

Description

一种基于液氧液氮混合再抽空的超级过冷液氧获取系统
技术领域
本发明涉及低温推进过冷度获取技术领域，具体涉及一种基于液氧液氮混合再抽空的超级过冷液氧获取系统。
背景技术
低温液氢、液氧、液态甲烷具有高比冲、无毒无污染等优点，是航天飞行与深空探测的首选推进剂。未来的深空探测要求低温推进剂能够实现在轨长达几个月的无损存贮，液态推进剂的低温特性决定了即使采用最好的绝热方式，空间漏热仍会进入贮箱内部促使低温液相升温气化。而此时若采用过冷低温推进剂(从常沸点状态冷却至三相点温度的状态)，不仅可以解决上述问题，即增大低温液体容纳空间漏热的能力，延长无损贮存时间，还会增加推进剂密度，降低推进剂饱和压力，从而减少贮箱尺寸，减薄壁厚，提升运载火箭的有效载荷。
基于热力学状态分析，低温推进剂过冷度获取方法主要有三种形式：直接换热过冷(等压过冷)、抽空减压过冷(减压过冷)、氦气鼓泡过冷(浓度差过冷)。其中，直接换热过冷方式根据冷量来源不同，又可分为低温液体换热过冷和低温制冷剂换热过冷，前者过冷效率差，后者系统较复杂、造价高；氦气鼓泡过冷需要大量贵重又稀有的氦气作为工作介质，代价高昂；而抽空减压的过冷方式可将低温工质过冷至三相点附近，且无需复杂设备，投资少、耗费低，是低温推进剂获取过冷度最可行的方案之一。
然而，对于液氧深度过冷，传统的抽空减压方案具有以下不足：液氧三相点温度很低(54.4K)，导致对应的饱和压力也非常低(148Pa)，如要过冷至该状态，此时抽空代价十分高昂；或者采用先将液氮抽空至其三相点后再过冷液氧的方式，虽然液氮三相点温度对应的饱和压力较高(12.6kPa)，但其三相点温度仅有63.2K，只能将液氧过冷至接近此温度的状态，而无法达到液氧三相点状态，即深度过冷状态。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种基于液氧液氮混合再抽空的超级过冷液氧获取系统，将液氧液氮混合后，在较高的抽空压力下，便可获得接近液氧三相点的温度，实现以较低的抽空代价获得更大的液氧过冷度效果。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于液氧液氮混合再抽空的超级过冷液氧获取系统，包括常压饱和液氮储罐1和常压饱和液氧储罐5，常压饱和液氮储罐1入口通过第一阀2与增压气体相通，常压饱和液氮储罐1出口通过第二阀4与二级过冷器13壳侧入口a连接，常压饱和液氮储罐1设有第一安全阀3；
常压饱和液氧储罐5入口通过第三阀6与增压气体相通，常压饱和液氧储罐5第一出口通过第四阀8与二级过冷器13壳侧入口b连接，常压饱和液氧储罐5设有第二安全阀7，二级过冷器13的壳侧出口连接第八阀14；
二级过冷器13壳侧出口c通过第六阀11与一级过冷器10气侧入口d连接，一级过冷器10气侧出口e分别经过第十阀19、复温器20、第十一阀21后与抽空减压装置22连接；二级过冷器13设有第三安全阀15；
常压饱和液氧储罐5第二出口通过第五阀9与一级过冷器10液侧入口n连接，一级过冷器10液侧出口o通过第七阀12与二级过冷器13管程入口r连接；二级过冷器13管程出口s通过第九阀16与深度过冷液氧储罐17入口连接；深度过冷液氧储罐17设有第四安全阀18。
所述的连接采用的管道均为高真空多层绝热低温流体管道。
所述的第一阀2、第二阀4、第三阀6、第四阀8、第五阀9、第六阀11、第七阀12、第八阀14、第九阀16、第十阀19、第十一阀21为低温阀,包括低温截止阀和低温调节阀。
所述的第一安全阀3、第二安全阀7、第三安全阀15、第四安全阀18为低温安全角阀。
所述的常压饱和液氮储罐1、常压饱和液氧储罐5、深度过冷液氧储罐17为低温储罐或贮箱。
所述的一级过冷器10为低温气液换热器。
所述的二级过冷器13为低温液液换热器。
所述的复温器20为空浴式换热器。
所述的抽空减压装置22为真空泵或引射器，最低工作压强为10kPa。
本发明的有益效果：
本发明结合低温混合物相平衡理论，将液氧与液氮以不同的配比组分进行混合，混合后共晶点的温度会低于液氧三相点温度，而混合物共晶点所对应的压力又大大高于液氧三相点温度所对应的饱和压力，此时对所需抽空减压装置的要求会大幅下降，即以更小的抽空代价，将液氧/液氮混合物的饱和温度降低至液氧三相点温度以下，用于对液氧深度过冷。同时，通过抽空减压装置引出的低温混合气体由于温度仍很低，再次与常沸点状态液氧进行换热，将低温混合气体的冷能充分利用。本发明降低了抽空减压装置的要求，在技术上易于实现，同时又能大大降低液氧的过冷温度，甚至达到液氧三相点温度，并考虑了抽空气体的冷能利用，最大限度地提高了液氧获取超级过冷度的效率；抽取低温混合气体中氮气占主要组分，消耗的液氧量减少，降低了系统的消耗成本，为液氧大过冷度获取技术提供了新思路。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来进一步说明本发明的技术方案。
参照图1，一种基于液氧液氮混合再抽空的超级过冷液氧获取系统，包括常压饱和液氮储罐1和常压饱和液氧储罐5，常压饱和液氮储罐1入口通过第一阀2与增压气体相通，常压饱和液氮储罐1出口通过第二阀4与二级过冷器13壳侧入口a连接，当第一阀2、第二阀4打开时，增压气体对常压饱和液氮储罐1增压，将常压饱和液氮储罐1内的常压饱和液氮挤压到二级过冷器13的壳侧入口a，常压饱和液氮储罐1设有第一安全阀3，防止常压饱和液氮储罐1过压；
常压饱和液氧储罐5入口通过第三阀6与增压气体相通，常压饱和液氧储罐5第一出口通过第四阀8与二级过冷器13壳侧入口b连接；当第三阀6、第四阀8打开时，增压气体对常压饱和液氧储罐5增压，将常压饱和液氧储罐5内的常压饱和液氧挤压到二级过冷器13的壳侧入口b，常压饱和液氧储罐5设有第二安全阀7，防止常压饱和液氧储罐5过压；二级过冷器13的壳侧出口连接第八阀14，液氧与液氮在二级过冷器13的壳侧混合，混合过程中第八阀14打开进行放空；
二级过冷器13壳侧出口c通过第六阀11与一级过冷器10气侧入口d连接，一级过冷器10气侧出口e分别经过第十阀19、复温器20、第十一阀21后与抽空减压装置22连接；二级过冷器13设有第三安全阀15；
常压饱和液氧储罐5第二出口通过第五阀9与一级过冷器10液侧入口n连接，一级过冷器10液侧出口o通过第七阀12与二级过冷器13管程入口r连接；二级过冷器13管程出口s通过第九阀16与深度过冷液氧储罐17入口连接；
当第八阀14关闭，第十阀19、第十一阀21打开，复温器20实施换热，抽空减压装置22启动，液氧液氮混合物的饱和蒸汽从二级过冷器13的壳侧出口c抽出，并与一级过冷器10中常沸点状态液氧进行换热，二级过冷器13内液氧液氮混合物的温度随蒸汽压力降低而下降，最终降低至液氧三相点温度以下；此时，常压饱和液氧储罐5中常沸点液氧通过第五阀9进入一级过冷器10中进行换热，以充分利用混合物蒸汽的冷量，再通过二级过冷器13中进一步冷却至目标过冷温度；
当第三阀6、第五阀9、第七阀12、第九阀16打开时，增压气体对常压饱和液氧储罐5进行增压，将常压饱和液氧储罐5内待过冷的常压饱和液氧挤压到一级过冷器10的液侧入口n，在一级过冷器10中被预冷却后，从一级过冷器10液侧出口o进入二级过冷器13的管程入口r，在二级过冷器13中被温度处于液氧三相点温度以下的液氧液氮混合物液浴冷却至液氧三相点温度处，从二级过冷器13管程出口s流入深度过冷液氧储罐17；深度过冷液氧储罐17设有第四安全阀18，防止深度过冷液氧储罐17过压。
所述的连接采用的管道均为高真空多层绝热低温流体管道。
所述的第一阀2、第二阀4、第三阀6、第四阀8、第五阀9、第六阀11、第七阀12、第八阀14、第九阀16、第十阀19、第十一阀21为低温阀，包括低温截止阀和低温调节阀。
所述的第一安全阀3、第二安全阀7、第三安全阀15、第四安全阀18为低温安全角阀。
所述的常压饱和液氮储罐1、常压饱和液氧储罐5、深度过冷液氧储罐17为低温储罐或贮箱。
所述的一级过冷器10为低温气液换热器。
所述的二级过冷器13为低温液液换热器。
所述的复温器20为空浴式换热器。
所述的抽空减压装置22为真空泵或引射器，最低工作压强为10kPa。
本发明的工作原理是：
低温工质液氧的三相点温度为54.4K，对应的饱和压力为148Pa，此时如采用抽空减压的方式获得如此低温，抽空减压装置所需要达到的真空度要求必须在此低压力范围以下，导致低真空环境获取的代价相当高；而采用先对液氮进行抽空减压降低至液氮三相点63.2K，对应的饱和压力为12.6kPa，虽然抽真空代价大大降低，但无法将液氧过冷至63.2K以下。针对上述两种常用过冷方法的不足，结合低温相平衡理论，本发明将液氮液氧按不同比例进行配比后，两种低温液体的混合物共晶点温度会降低，并低于液氧三相点温度以下，而混合物共晶点温度所对应的饱和压力仍保持在12kPa附近，此时便能以更小的抽空代价，获得比液氧三相点温度更低的液氧/液氮混合物，以此作为液氧的冷却介质，可以将液氧过冷至其三相点温度附近，实现液氧的超级过冷。同时，将抽出的混合物气体冷能充分利用，使过冷系统效率经一步提升。
待过冷的常压饱和液氧在被过冷之前，先打开第一阀2、第二阀4、第三阀6、第四阀8、第八阀14，增压气体分别将常压饱和液氮储罐1与常压饱和液氧储罐5中的液氮(77.4K)、液氧(90.2K)挤压进入二级过冷器13中进行混合，液氮温度较低，先开始沸腾使液氧温度降低，氮蒸汽在混合蒸汽组分比例显著增大，随后关闭第八阀14，打开第六阀11、第十阀19、第十一阀21，启动抽空减压装置22，对二级过冷器13壳侧的液氧液氮混合物进行抽真空，抽真空过程中混合物的温度与饱和压力沿着其气液饱和线下降，且由于蒸汽中氮气占比非常大，抽气过程主要对氮气的消耗更多，当二级过冷器13壳侧的蒸汽压力降低并维持在混合物三相点温度对应的饱和压力附近，此时混合物温度降低至液氧三相点温度以下。为了保护抽空减压装置22，从一级过冷器10中出来的混合气体需要通入复温器20进行复温至常温。液氧/液氮混合物的共晶点温度达到后，打开待过冷的液氧流路，即打开第三阀6、第五阀9、第七阀12、第九阀16，常压饱和液氧通过一级过冷器10先进行预冷却，再通入二级过冷器13，与液氧液氮混合物共晶点温度状态进行换热，过冷完成后存放于深度过冷液氧储罐17中。换热过程中产生的氧氮混合蒸汽被抽空减压装置22抽出，氧氮不断消耗，需要增压气不断将常压饱和液氮储罐1和常压饱和液氧储罐5中的液氮和液氧挤压加注到二级过冷器13壳侧。
通过原理分析，可以发现本发明最大限度地提高了液氧可获取的过冷度区间，液氧温度可降低至其三相点附近，抽空过程对氧气的消耗程度减少，主要消耗廉价的氮；同时所需要的抽空减压装置对真空度要求降低，只需对氧氮混合物蒸汽进行粗抽，使压力维持在10kPa左右即可，相对于对液氧直接抽空减压获得近三相点状态的液氧，所需的抽空压力从148Pa提高到10kPa以上(两个数量级)。本发明在技术上易于实现，成本较低，同时又能大大降低液氧过冷温度，实现液氧最大过冷度的获取。
以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述事例限制，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 (9)

1.一种基于液氧液氮混合再抽空的超级过冷液氧获取系统，其特征在于：包括常压饱和液氮储罐(1)和常压饱和液氧储罐(5)，常压饱和液氮储罐(1)入口通过第一阀(2)与增压气体相通，常压饱和液氮储罐(1)出口通过第二阀(4)与二级过冷器(13)壳侧入口a连接，常压饱和液氮储罐(1)设有第一安全阀(3)；
常压饱和液氧储罐(5)入口通过第三阀(6)与增压气体相通，常压饱和液氧储罐(5)第一出口通过第四阀(8)与二级过冷器(13)壳侧入口b连接，常压饱和液氧储罐(5)设有第二安全阀(7)，二级过冷器(13)的壳侧出口连接第八阀(14)；
二级过冷器(13)壳侧出口c通过第六阀(11)与一级过冷器(10)气侧入口d连接，一级过冷器(10)气侧出口e分别经过第十阀(19)、复温器(20)、第十一阀(21)后与抽空减压装置(22)连接；二级过冷器(13)设有第三安全阀(15)；
常压饱和液氧储罐(5)第二出口通过第五阀(9)与一级过冷器(10)液侧入口n连接，一级过冷器(10)液侧出口o通过第七阀(12)与二级过冷器(13)管程入口r连接；二级过冷器(13)管程出口s通过第九阀(16)与深度过冷液氧储罐(17)入口连接；深度过冷液氧储罐(17)设有第四安全阀(18)。
2.根据权利要求1所述的一种基于液氧液氮混合再抽空的超级过冷液氧获取系统，其特征在于：所述的连接采用的管道均为高真空多层绝热低温流体管道。
3.根据权利要求1所述的一种基于液氧液氮混合再抽空的超级过冷液氧获取系统，其特征在于：所述的第一阀(2)、第二阀(4)、第三阀(6)、第四阀(8)、第五阀(9)、第六阀(11)、第七阀(12)、第八阀(14)、第九阀(16)、第十阀(19)、第十一阀(21)为低温阀，包括低温截止阀和低温调节阀。
4.根据权利要求1所述的一种基于液氧液氮混合再抽空的超级过冷液氧获取系统，其特征在于：所述的第一安全阀(3)、第二安全阀(7)、第三安全阀(15)、第四安全阀(18)为低温安全角阀。
5.根据权利要求1所述的一种基于液氧液氮混合再抽空的超级过冷液氧获取系统，其特征在于：所述的常压饱和液氮储罐(1)、常压饱和液氧储罐(5)、深度过冷液氧储罐(17)为低温储罐或贮箱。
6.根据权利要求1所述的一种基于液氧液氮混合再抽空的超级过冷液氧获取系统，其特征在于：所述的一级过冷器(10)为低温气液换热器。
7.根据权利要求1所述的一种基于液氧液氮混合再抽空的超级过冷液氧获取系统，其特征在于：所述的二级过冷器(13)为低温液液换热器。
8.根据权利要求1所述的一种基于液氧液氮混合再抽空的超级过冷液氧获取系统，其特征在于：所述的复温器(20)为空浴式换热器。
9.根据权利要求1所述的一种基于液氧液氮混合再抽空的超级过冷液氧获取系统，其特征在于：所述的抽空减压装置(22)为真空泵或引射器，最低工作压强为10kPa。
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