CN112254435A - 一种深度过冷液氧制备系统及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种深度过冷液氧制备系统及制备方法，解决现有技术无法有效制备深度过冷液氧的技术问题。系统包括液氧容器，用于存储过冷液氧和转化的深度过冷液氧；液氮容器，用于存储标准沸点液氮；液氧过冷器，用于形成换热器壳程和管程，利用壳程中的换热冷媒介质对管程中的液氧进行过冷降温；引射抽空减压系统，用于通过引射器获取换热冷媒介质蒸汽形成减压降温过程；液氧容器与液氧过冷器间形成主循环回路，液氮容器与液氧过冷器形成冷媒介质平衡管路，液氧过冷器的壳程通过连通支路与引射抽空减压系统的引射器引入接口连接。成功制备了深度过冷液氧，满足总体要求。可直接应用于低温运载火箭的液氧加注，降低了后续研制任务的技术风险。

Description

一种深度过冷液氧制备系统及制备方法

技术领域

本发明涉及液化制冷技术领域，具体涉及一种深度过冷液氧制备系统及制备方法。

背景技术

现有技术中，液氧低温推进剂是低温运载火箭的主要燃料之一。目前，液氧低温推进剂加注时以常压饱和状态为主，过冷状态为辅，过冷状态液氧加注仅用于补加阶段。而低温推进剂采用过冷状态液氧全程加注，可有效提升液氧低温推进剂的热力学性能。根据液氧物性参数可知，低温推进剂经过冷后，可提高推进剂的密度，降低汽化压力。对于运载火箭来说，在贮箱容积一定的情况下，加注过冷液氧可加注更多质量的推进剂，或者是在加注一定质量推进剂的情况下，可减小贮箱容积，降低火箭质量。此外，在发动机入口净正吸入压力一定的条件下，在过冷状态下，可将贮箱气枕操作压力下限降低，则贮箱壁厚可相应减少，同时气枕质量减小，携带的增压气体质量就可降低，因此降低汽化压力可减小贮箱质量和携带的气体质量，使整个运载火箭的尺寸和质量降低。对于深空探测等长期在轨贮存来说，经过过冷后的低温推进剂还可利用过冷度来显著提高在轨无损贮存时间。

现有液氧过冷工艺主要通过液氮(标准沸点为77K)在液氧过冷器中对液氧(标准沸点为90.18K)进行过冷，液氮充装在液氧过冷器的壳程，换热器浸泡在液氮中，液氧流经换热器的管程时与液氮发生热交换，从而使液氧过冷到约80K后往火箭贮箱补加加注。但是该种过冷工艺受限于过冷液氧温度必须大于液氮的冷媒介质沸点状态的规律，无法满足进一步获得深度过冷液氧的制备要求。

发明内容

鉴于上述问题，本发明实施例提供一种深度过冷液氧制备系统及制备方法，解决现有技术无法有效制备深度过冷液氧的技术问题。

本发明实施例的深度过冷液氧制备系统，包括：

液氧容器，用于存储过冷液氧和转化的深度过冷液氧；

液氮容器，用于存储作为换热冷媒介质的标准沸点液氮；

液氧过冷器，用于形成换热器壳程和管程，利用壳程中的换热冷媒介质对管程中的液氧进行过冷降温；

引射抽空减压系统，用于通过引射器获取换热冷媒介质蒸汽形成换热冷媒介质减压降温过程；

液氧容器与液氧过冷器间形成主循环回路，液氮容器与液氧过冷器形成冷媒介质平衡管路，液氧过冷器的壳程通过连通支路与引射抽空减压系统的引射器引入接口连接。

本发明一实施例中，还包括在液氧容器与液氧过冷器间形成次循环回路，用于循环深度过冷液氧形成的过冷液氧。

本发明一实施例中，所述液氧容器包括主液氧出口和液氧入口，所述主液氧出口设置在所述液氧容器底部，所述液氧入口设置在所述液氧容器顶部，所述主液氧出口和所述液氧入口分别与所述液氧过冷器的管程两端通过管路连接形成所述主循环回路，所述液氮容器包括液氮出口，所述液氮出口与所述液氧过冷器壳程的壳程入口连接形成所述冷媒介质平衡管路，所述液氧过冷器壳程的壳程出口与所述引射抽空减压系统的引射器引入接口间形成减压连通支路。

本发明一实施例中，所述液氧容器还包括次液氧出口，所述次液氧出口设置在液氧容器上部，在所述主循环回路的输出管路上设置与所述次液氧出口连接的次循环管路，利用所述次循环管路与部分的所述主循环回路形成所述次循环回路。

本发明一实施例中，所述主循环回路的输出管路上顺序设置低温截止阀V1、第一压力传感器P1、第一温度传感器T1、过滤器、液氧泵BP1、流量计Q1、第二压力传感器P2和第二温度传感器T2，在所述主循环回路的回收管路上顺序设置第三压力传感器P3和第三温度传感器T3，在液氧容器顶部设置安全阀，在所述次循环管路上设置低温截止阀V2，在冷媒介质平衡管路上设置低温截止阀V3，在所述减压连通支路上设置低温截止阀V5，在低温截止阀V5与液氧过冷器壳程的壳程出口间的所述减压连通支路上设置歧管并在歧管上设置低温截止阀V4。

本发明一实施例中，所述引射抽空减压系统包括引射器，所述引射器采用水作为主流介质，对液氧过冷器的壳程气体进行引射抽空。

本发明一实施例中，所述引射抽空减压系统包括引射器、水箱和水泵，所述引射器包括介质引入端、扩张端和喷射端，介质引入端与减压连通支路连通，扩张端与所述水箱连通，所述水箱与所述喷射端间串联所述水泵，水箱上设置第四温度传感器T4，水箱上设置的输出管路上设置截止阀V7，水泵与水箱间的连通管路上设置截止阀V6，在喷射端与水泵间的连通管路上设置流量计Q2和第四压力传感器P4。

本发明实施例的深度过冷液氧制备方法，包括：

向液氧过冷器壳程中加注标准沸点液氮形成液氧过冷器的过冷工况；

通过液氧过冷器对液氧进行过冷制备形成过冷液氧；

利用引射抽空减压系统对液氧过冷器壳程气相空间中的氮气进行引射抽空形成液氧过冷器的深度过冷工况；

通过液氧过冷器对过冷液氧进行深度过冷制备形成深度过冷液氧。

本发明一实施例中，还包括：

在液氧容器过冷度维持过程中，当液氧容器内液氧温度达到阈值时启动引射抽空减压系统进入深度过冷工况，对液氧容器上部液氧进行局部循环过冷，直至液氧容器内的液体温度满足阈值要求。

本发明一实施例中，将液氧从标准沸点过冷到66K形成深度过冷液氧。

本发明实施例的深度过冷液氧制备系统及制备方法通过设置连接管路的合理拓扑结构、类型传感器和功能阀形成了深度过冷液氧制备的具体制备结构。成功制备了深度过冷液氧，系统的性能、功能指标满足总体要求。可直接应用于低温运载火箭的液氧加注，降低了后续研制任务的技术风险。采用液气引射抽空减压装置，对被引射介质的适应性强，可扩展应用于液氢介质过冷制备系统，也可应用于其它低温介质过冷制备系统(液氮、LNG等)，积极促进了低温技术转化。

附图说明

图1所示为本发明一实施例深度过冷液氧制备系统的架构示意图。

图2所示为本发明一实施例深度过冷液氧制备系统的结构示意图。

图3所示为本发明一实施例深度过冷液氧制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一实施例深度过冷液氧制备系统如图1所示。在图1中，本实施例包括：

液氧容器，用于存储过冷液氧和转化的深度过冷液氧；

液氮容器，用于存储作为换热冷媒介质的标准沸点液氮；

液氧过冷器，用于形成换热器壳程和管程，利用壳程中的换热冷媒介质对管程中的液氧进行过冷降温；

引射抽空减压系统，用于通过引射器获取换热冷媒介质蒸汽形成换热冷媒介质减压降温过程；

液氧容器与液氧过冷器间形成主循环回路，用于液氧容器输出过冷液氧回收深度过冷液氧；

液氮容器与液氧过冷器形成冷媒介质平衡管路，用于维持壳程中的换热冷媒介质液位高度；

液氧过冷器的壳程通过连通支路与引射抽空减压系统的引射器引入接口连接。

本发明实施例的深度过冷液氧制备系统利用引射抽空减压系统对壳程中的换热冷媒介质进行减压处理形成吸热做功，实现了对壳程中的标准沸点的液氮的降温处理，随着液氮过冷将换热冷媒介质的热交换效率大幅提高，使得液氧深度过冷程度和效率有效提升。

如图1所示，在本发明一实施例中，在上述实施例基础上，还包括：

在液氧容器与液氧过冷器间形成次循环回路，用于循环深度过冷液氧形成的过冷液氧。

本发明实施例的深度过冷液氧制备系统针对液氧存放时避免深度过冷液氧向过冷液氧转变的过冷维持需求，通过次循环回路将累积的局部过冷液氧进行深度过冷处理，实现了深度过冷处理在过冷维持状态的优化，有效降低了系统能耗。

本发明一实施例深度过冷液氧制备系统如图2所示。在图2中，本实施例包括液氧容器、液氮容器、液氧过冷器和引射抽空减压系统，液氧容器包括主液氧出口、次液氧出口和液氧入口，主液氧出口设置在液氧容器底部，次液氧出口设置在液氧容器上部，液氧入口设置在液氧容器顶部，主液氧出口和液氧入口分别与液氧过冷器的管程两端通过管路连接形成主循环回路。液氮容器包括液氮出口，液氮出口与液氧过冷器壳程的壳程入口连接形成冷媒介质平衡管路，液氧过冷器壳程的壳程出口与引射抽空减压系统的引射器输入接口间形成减压连通支路。

在主循环回路的输出管路上顺序设置低温截止阀V1、第一压力传感器P1、第一温度传感器T1、过滤器、液氧泵BP1、流量计Q1、第二压力传感器P2和第二温度传感器T2，在主循环回路的回收管路上顺序设置第三压力传感器P3和第三温度传感器T3，在液氧容器顶部设置安全阀。

在主循环回路的过滤器前端的输出管路上设置与次液氧出口连接的次循环管路，在次循环管路上设置低温截止阀V2；利用次循环管路与部分的主循环回路形成次循环回路。

在冷媒介质平衡管路上设置低温截止阀V3，在减压连通支路上设置低温截止阀V5，在低温截止阀V5与液氧过冷器壳程的壳程出口间的减压连通支路上设置歧管并在歧管上设置低温截止阀V4。

如图2所示，在本发明一实施例中，引射抽空减压系统包括引射器，引射器采用水作为主流介质，对液氧过冷器的壳程气体进行引射抽空。

如图2所示，在本发明一实施例中，引射抽空减压系统包括引射器、水箱和水泵，引射器包括(气态)介质引入端、扩张端和喷射端，介质引入端与减压连通支路连通，扩张端与水箱连通，水箱与喷射端间串联水泵，水箱上设置第四温度传感器T4，水箱上设置的输出管路上设置截止阀V7，水泵与水箱间的连通管路上设置截止阀V6，在喷射端与水泵间的连通管路上设置流量计Q2和第四压力传感器P4。

在实际应用中，可以实现以液氮为冷媒介质，采用二级过冷流程制备深度过冷液氧。一级过冷为采用标准沸点液氮在液氧过冷器中对液氧进行循环过冷，二级过冷为采用引射抽空减压过冷技术，通过过冷液氮制备深度过冷液氧。采用引射抽空减压技术，先对液氮进行引射抽空减压过冷，然后再利用过冷液氮对液氧进行深度过冷。

本发明实施例的深度过冷液氧制备系统通过设置连接管路的合理拓扑结构、类型传感器和功能阀形成了深度过冷液氧制备的具体制备结构。成功制备了70K深度过冷液氧，系统的性能、功能指标满足总体要求。可直接应用于低温运载火箭的液氧加注，降低了后续研制任务的技术风险。采用液气引射抽空减压装置，对被引射介质的适应性强，可扩展应用于液氢介质过冷制备系统，也可应用于其它低温介质过冷制备系统(液氮、LNG等)，积极促进了低温技术转化。

以水为引射流体，对液氧过冷器壳程气相空间中的氮气进行引射抽空，形成液气引射器，保证了二次过冷效率和较低的制备成本。通水综合考虑了深度过冷液氧推进剂在地面贮存期间，由于容器等设备受外界环境漏热而影响推进剂品质的影响，通过对容器上部液体小流量循环过冷，确保容器内的推进剂满足加注过冷度需求。

本发明一实施例深度过冷液氧制备方法如图3所示。在图3中，本实施例包括：

步骤10：向液氧过冷器壳程中加注标准沸点液氮形成液氧过冷器的过冷工况。

具体的，通过增压挤压的方式将液氮容器中所贮存的液氮加注到液氧过冷器的壳程，液氧过冷器壳程液氮的液位应高于内置的换热器顶部。

步骤20：通过液氧过冷器对液氧进行过冷制备形成过冷液氧。

结合上述深度过冷液氧制备系统的工作过程，具体的，系统中阀门状态为保持低温截止阀V2、低温截止阀V5、截止阀V6阀门为关闭状态，低温截止阀V4、截止阀V7为常开状态。首先，测控系统打开低温截止阀V1，对液氧管路、泵等设备进行预冷，预冷完成后，系统启动液氧泵BP1，对液氧容器内的液氧通过液氧过冷器进行过冷液氧制备。流程中，系统对液氧过冷器的壳程液氮液位进行监测，并根据总体对液氮液位的要求，通过控制低温截止阀V3对液氧过冷器进行随时补加液氮。系统监测液氧容器排出液体的温度，当液体温度不大于80K时，判断过冷液氧制备流程完成。

步骤30：利用引射抽空减压系统对液氧过冷器壳程气相空间中的氮气进行引射抽空形成液氧过冷器的深度过冷工况。

具体的，过冷液氧制备流程结束后，系统关闭低温截止阀V4、打开低温截止阀V5、低温截止阀V6，启动水泵BP2，运行引射抽空减压系统，对液氧过冷器的壳程进行抽空减压，制备过冷液氮。流程中，系统监测液氧过冷器的壳程液氮温度，当壳程液氮的过冷度满足总体技术指标要求后，判断深度过冷工况形成。

步骤40：通过液氧过冷器对过冷液氧进行深度过冷制备形成深度过冷液氧。

具体的，系统启动液氧泵BP1，进行深度过冷液氧制备。流程中，维持引射抽空减压系统为运行状态，并通过监测液氧过冷器中液氮的液位高度值进行随时补加液氮。流程中，可监测液氧过冷器的出液口液氧温度变化情况，调整引射抽空减压系统的运行参数，确保液氧过冷器壳程压力满足总体要求。流程中，系统监测液氧容器的出液温度，当液体温度满足总体技术指标要求时，判断深度过冷液氧制备流程完成。

本发明实施例的深度过冷液氧制备方法可以有效将液氧从标准沸点进行深度过冷。经测量显示，将液氧从标准沸点(90.18K)过冷到78K(三相点温度约为54K)，液氧密度将会增加8.4％，过冷到66K，液氧密度会增加10％。对于降低汽化压力、减小贮箱质量、提高携带气体质量和期在轨无损贮存，都具有非常重要的意义。

如图3所示，在本发明一实施例中，还包括：

步骤50：在液氧容器过冷度维持过程中，当液氧容器内液氧温度达到阈值时启动引射抽空减压系统进入深度过冷工况，对液氧容器上部液氧进行局部循环过冷，直至液氧容器内的液体温度满足阈值要求。

通常，深度过冷液氧存放期间液氧容器中的液体温度将逐渐上升，液氧过冷度逐渐减小。具体的，系统监测液氧容器内的液体温度，当温度超过系统设定值后，打开低温截止阀V2，启动液氧泵BP1，对液氧容器上部液体进行循环对流经液氧过冷器的液氧进行深度过冷。

本发明实施例的深度过冷液氧制备方法可以有效改善地面存放时的存储成本和可靠性。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种深度过冷液氧制备系统，其特征在于，包括：

液氧容器，用于存储过冷液氧和转化的深度过冷液氧；

液氮容器，用于存储作为换热冷媒介质的标准沸点液氮；

液氧过冷器，用于形成换热器壳程和管程，利用壳程中的换热冷媒介质对管程中的液氧进行过冷降温；

引射抽空减压系统，用于通过引射器获取换热冷媒介质蒸汽形成换热冷媒介质减压降温过程；

液氧容器与液氧过冷器间形成主循环回路，液氮容器与液氧过冷器形成冷媒介质平衡管路，液氧过冷器的壳程通过连通支路与引射抽空减压系统的引射器引入接口连接。

2.如权利要求1所述的深度过冷液氧制备系统，其特征在于，还包括在液氧容器与液氧过冷器间形成次循环回路，用于循环深度过冷液氧形成的过冷液氧。

3.如权利要求2所述的深度过冷液氧制备系统，其特征在于，所述液氧容器包括主液氧出口和液氧入口，所述主液氧出口设置在所述液氧容器底部，所述液氧入口设置在所述液氧容器顶部，所述主液氧出口和所述液氧入口分别与所述液氧过冷器的管程两端通过管路连接形成所述主循环回路，所述液氮容器包括液氮出口，所述液氮出口与所述液氧过冷器壳程的壳程入口连接形成所述冷媒介质平衡管路，所述液氧过冷器壳程的壳程出口与所述引射抽空减压系统的引射器引入接口间形成减压连通支路。

4.如权利要求3所述的深度过冷液氧制备系统，其特征在于，所述液氧容器还包括次液氧出口，所述次液氧出口设置在液氧容器上部，在所述主循环回路的输出管路上设置与所述次液氧出口连接的次循环管路，利用所述次循环管路与部分的所述主循环回路形成所述次循环回路。

5.如权利要求4所述的深度过冷液氧制备系统，其特征在于，所述主循环回路的输出管路上顺序设置低温截止阀V1、第一压力传感器P1、第一温度传感器T1、过滤器、液氧泵BP1、流量计Q1、第二压力传感器P2和第二温度传感器T2，在所述主循环回路的回收管路上顺序设置第三压力传感器P3和第三温度传感器T3，在液氧容器顶部设置安全阀，在所述次循环管路上设置低温截止阀V2，在冷媒介质平衡管路上设置低温截止阀V3，在所述减压连通支路上设置低温截止阀V5，在低温截止阀V5与液氧过冷器壳程的壳程出口间的所述减压连通支路上设置歧管并在歧管上设置低温截止阀V4。

6.如权利要求4所述的深度过冷液氧制备系统，其特征在于，所述引射抽空减压系统包括引射器，所述引射器采用水作为主流介质，对液氧过冷器的壳程气体进行引射抽空。

7.如权利要求4所述的深度过冷液氧制备系统，其特征在于，所述引射抽空减压系统包括引射器、水箱和水泵，所述引射器包括介质引入端、扩张端和喷射端，介质引入端与减压连通支路连通，扩张端与所述水箱连通，所述水箱与所述喷射端间串联所述水泵，水箱上设置第四温度传感器T4，水箱上设置的输出管路上设置截止阀V7，水泵与水箱间的连通管路上设置截止阀V6，在喷射端与水泵间的连通管路上设置流量计Q2和第四压力传感器P4。

8.一种深度过冷液氧制备方法，其特征更在于，包括：

向液氧过冷器壳程中加注标准沸点液氮形成液氧过冷器的过冷工况；

通过液氧过冷器对液氧进行过冷制备形成过冷液氧；

利用引射抽空减压系统对液氧过冷器壳程气相空间中的氮气进行引射抽空形成液氧过冷器的深度过冷工况；

通过液氧过冷器对过冷液氧进行深度过冷制备形成深度过冷液氧。

9.如权利要求7所述的深度过冷液氧制备方法，其特征更在于，还包括：

在液氧容器过冷度维持过程中，当液氧容器内液氧温度达到阈值时启动引射抽空减压系统进入深度过冷工况，对液氧容器上部液氧进行局部循环过冷，直至液氧容器内的液体温度满足阈值要求。

10.如权利要求7所述的深度过冷液氧制备方法，其特征更在于，将液氧从标准沸点过冷到66K形成深度过冷液氧。

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