CN115318168A - 一种低温浆体制备和浓度调节装置及其方法 - Google Patents

一种低温浆体制备和浓度调节装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低温浆体制备和浓度调节装置及其方法，该装置包括：预冷器、载冷剂喷嘴、冷却剂喷嘴、磁性粒子、电磁体和绝热容器；将载冷剂与冷却剂通过喷嘴喷出并直接接触换热，可实现无喷嘴堵塞危害、换热效率高、载冷剂固体颗粒均匀；通过磁性粒子及外置磁场组合对低温浆体进行搅拌，无运动部件产生的额外问题；其方法通过使雾化后的冷却剂和载冷剂在正压的环境中直接接触换热，获得形状和尺寸均匀的载冷剂固体颗粒，与载冷剂基液混合后，获得初级高浓度低温浆体；同时，采用顺序开启的电磁体控制磁性粒子的运行轨迹，在无运动部件时实现浆体浓度均匀化；通过调整各个低温调节阀的打开顺序，可实现间断式或连续式低温浆体制备和浓度调节。

Description

一种低温浆体制备和浓度调节装置及其方法
技术领域
本发明涉及低温浆体制备技术领域，具体涉及一种低温浆体制备和浓度调节装置及其方法。
背景技术
低温浆体如氮浆、氧浆、氢浆等，由于其优异的热物性，可用于航天器燃料、超导电缆冷却等领域。对低温浆体的应用来说，需要重点关注其品质特性以及输运特性，其中，浆体中的粒径性状及颗粒浓度是决定两者的关键因素。低温浆体的制备方法主要有喷淋法、抽空法、氦冷却法三种。其中，基于氦冷却法的螺旋推进法的应用范围较广，可实现低温浆体的连续制备，利用液氦与低温液体在换热器中交换热量从而生成固体，再利用螺旋钻将换热器表面的固体层刮去形成颗粒，通过搅拌器与低温液体混合形成浆体；但螺旋推进法产生的固体颗粒形状、产生速率均难以控制，导致形成的浆体浓度难以精确调节，进而影响浆体的传热、流动特性，同时，螺旋推进法所采用的螺旋钻、搅拌器等运动部件产生的额外热量会破坏低温工况并存在故障隐患。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种低温浆体制备和浓度调节装置及其方法，通过使雾化后的冷却剂和载冷剂在正压的环境中直接接触换热，获得形状和尺寸均匀的载冷剂固体颗粒，与载冷剂基液混合后，获得初级高浓度低温浆体；同时，采用顺序开启的电磁体控制磁性粒子的运行轨迹，在无运动部件的情况下实现浆体浓度均匀化。
本发明的技术方案为：一种低温浆体制备和浓度调节装置，包括：预冷器、载冷剂喷嘴、冷却剂喷嘴、磁性粒子、电磁体和绝热容器；其中，低温指小于120K的温度；
载冷剂管路为载冷剂低温溶液的流通管路，其首先连通预冷器，从预冷器流出后分为三条支路，第一支路与设置在低温浆体制备区上方的载冷剂喷嘴连通，第二支路与低温浆体制备区下方连通，第三支路与低温浆体浓度调节区连通；其中，绝热容器分为上下两部分，上部分为低温浆体制备区，下部分为低温浆体浓度调节区；载冷剂管路第一支路上设有第一低温调节阀，第二支路上设有第二低温调节阀，第三支路上设有第三低温调节阀；
冷却剂管路为温度低于载冷剂的冷却剂流通管路，其与设置在低温浆体制备区上方的冷却剂喷嘴连通，且冷却剂管路上设有第五低温调节阀；
所述低温浆体制备区与低温浆体浓度调节区通过隔板分离，隔板上设有用于连通上下两部分的浆体管道，同时，浆体管道上设有第六低温调节阀；
所述电磁体布置在低温浆体浓度调节区外壁，通过控制电磁体的通电顺序实现位于低温浆体浓度调节区内部的磁性粒子运动轨迹的调控。
优选地，还包括：浓度传感器，其设置在低温浆体浓度调节区；所述浓度传感器通过控制信号线与第六低温调节阀连接，根据浓度传感器实时监测的数据能够对第六低温调节阀开度进行反馈控制。
优选地，所述绝热容器的低温浆体制备区上方还设有超压阀及其管路。
优选地，所述绝热容器的低温浆体浓度调节区还设有第四低温调节阀及其管路。
优选地，所述预冷器所需冷量由液态冷却剂或载冷剂与冷却剂的混合气提供，或者对载冷剂进行抽空减压获得。
优选地，所述冷却剂的沸点温度低于载冷剂的沸点温度，所述冷却剂为氧-氮或氮-氢或氢-氦的组合。
优选地，所述磁性粒子进行外部包覆。
优选地，所述载冷剂喷嘴和冷却剂喷嘴相向且向下倾斜设置。
一种低温浆体制备和浓度调节方法，它使用前述的装置，并假设在低温浆体制备和浓度调节之前所有低温调节阀均处于关闭状态，所述方法包括如下步骤：
步骤一：打开第二低温调节阀，预冷器运行提供冷量，载冷剂通过载冷剂管路进入预冷器进行预冷，从预冷器流出的载冷剂通过载冷剂管路第二支路进入绝热容器的低温浆体制备区底部，作为载冷剂基液，当载冷剂基液达到设定液位后，关闭第二低温调节阀，并转入步骤二；其中，预冷后的载冷剂温度临近但不低于其对应压力下的三相点温度；
步骤二：打开第一低温调节阀和第五低温调节阀；预冷后的载冷剂通过载冷剂管路第一支路进入载冷剂喷嘴进行喷淋；冷却剂通过冷却剂管路进入冷却剂喷嘴进行喷淋；载冷剂颗粒与冷却剂颗粒直接接触后，液体冷却剂蒸发成为气态，液态载冷剂形成固态颗粒并与下方的载冷剂基液混合，形成初级载冷剂浆体；气化后的冷却剂与载冷剂形成混合气，达到设定压力后，通过设有超压阀的管路排出；当初级载冷剂浆体达到设定容积后，关闭第一低温调节阀、第五低温调节阀和超压阀，并转入步骤三；
步骤三：打开第三低温调节阀、第四低温调节阀和第六低温调节阀，启动电磁体，将预冷后的载冷剂通过载冷剂管路第三支路送入绝热容器的低温浆体浓度调节区，低温浆体制备区的初级载冷剂浆体通过浆体管道进入低温浆体浓度调节区，两者在电磁体控制下的磁性粒子的作用下形成均匀低温浆体；随后低温浆体通过设有第四低温调节阀的管路排出，排出结束后，关闭第三低温调节阀、第四低温调节阀、第六低温调节阀以及电磁体。
一种低温浆体制备和浓度调节方法，它使用前述的装置，并假设在低温浆体制备和浓度调节之前所有低温调节阀均处于关闭状态，所述方法包括如下步骤：
步骤一：同时打开第一低温调节阀、第二低温调节阀、第三低温调节阀、第五低温调节阀和第六低温调节阀；
预冷器运行提供冷量，载冷剂通过载冷剂管路进入预冷器进行预冷，从预冷器流出的载冷剂通过载冷剂管路第二支路进入绝热容器的低温浆体制备区底部，作为载冷剂基液；
预冷后的载冷剂通过载冷剂管路第一支路进入载冷剂喷嘴进行喷淋；冷却剂通过冷却剂管路进入冷却剂喷嘴进行喷淋；载冷剂颗粒与冷却剂颗粒直接接触后，液体冷却剂蒸发成为气态，液态载冷剂形成固态颗粒并与下方的载冷剂基液混合，形成初级载冷剂浆体；气化后的冷却剂与载冷剂形成混合气，达到设定压力后，通过设有超压阀的管路排出；
将预冷后的载冷剂通过载冷剂管路第三支路送入绝热容器的低温浆体浓度调节区，低温浆体制备区的初级载冷剂浆体通过浆体管道进入低温浆体浓度调节区，启动电磁体，将预冷后的载冷剂和初级载冷剂浆体在电磁体控制下的磁性粒子的作用下形成均匀低温浆体；
步骤二：当低温浆体达到设定容积后，打开第四低温调节阀，通过设有第四低温调节阀的管路排出，排出结束后，关闭所有低温调节阀及电磁体。
有益效果：
1、本发明的低温浆体制备和浓度调节装置将载冷剂与冷却剂通过喷嘴喷出并直接接触换热，可有效实现无喷嘴堵塞危害、换热效率高、载冷剂固体颗粒均匀，形成的低温浆体质量高；通过磁性粒子及外置磁场组合对低温浆体进行搅拌，无运动部件产生的额外问题，同时可减少绝热容器内部容积，有利于其绝热能力的提升；此外，整体装置可连续运行，适合低温浆体的大规模连续制备。
2、本发明中浓度传感器的具体设置，通过与第六低温调节阀的联动配合，实现对低温浆体浓度的反馈控制调节，获得初级高浓度低温浆体与过冷态(即低于当前压力下的饱和温度状态)的载冷剂的二次精确混合并达到设定浓度，可保证良好的输送性能；同时，可根据应用工况进行动态调节。
3、本发明中超压阀及其管路的设置，既有利于在低温浆体制备过程中维持绝热容器内部的正压环境，便于有效防止外部空气渗入造成浆体污染；又能够保证蒸发的载冷剂和冷却剂的混合气可通过设有超压阀的管路适时排出。
4、本发明的低温浆体制备和浓度调节方法，通过使雾化后的冷却剂和载冷剂在正压的环境中直接接触换热，获得形状和尺寸均匀的载冷剂固体颗粒，与载冷剂基液混合后，获得初级高浓度低温浆体；同时，采用顺序开启的电磁体控制磁性粒子的运行轨迹，在无运动部件的情况下实现浆体浓度均匀化；通过调整各个低温调节阀的打开顺序，可实现间断式低温浆体制备和浓度调节或连续式低温浆体制备和浓度调节。
附图说明
图1为本发明的低温浆体制备和浓度调节装置的结构示意图。
其中，1-载冷剂管路、2-预冷器、3-第一低温调节阀、4-载冷剂喷嘴、5-第二低温调节阀、6-第三低温调节阀、7-第四低温调节阀、8-冷却剂管路、9-第五低温调节阀、10-冷却剂喷嘴、11-超压阀、12-第六低温调节阀、13-控制信号线、14-浓度传感器、15-磁性粒子、16-电磁体、17-绝热容器。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种低温浆体制备和浓度调节装置，包括：预冷器2、载冷剂喷嘴4、冷却剂喷嘴10、浓度传感器14、磁性粒子15、电磁体16和绝热容器17；其中，低温指小于120K的温度；
载冷剂管路1为载冷剂低温溶液的流通管路，其中的载冷剂低温溶液首先从预冷器2流入，从预冷器2流出后分为三条支路，载冷剂管路1第一支路与设置在绝热容器17的低温浆体制备区上方的载冷剂喷嘴4连通，第二支路与绝热容器17的低温浆体制备区下方连通，第三支路与绝热容器17的低温浆体浓度调节区连通；其中，绝热容器17按照功能可划分为上下两部分，上部分为低温浆体制备区，下部分为低温浆体浓度调节区；载冷剂管路1第一支路上设有第一低温调节阀3，第二支路上设有第二低温调节阀5，第三支路上设有第三低温调节阀6；
冷却剂管路8为温度低于载冷剂的冷却剂流通管路，其与设置在绝热容器17的低温浆体制备区上方的冷却剂喷嘴10连通，且冷却剂管路8上设有第五低温调节阀9；
绝热容器17的低温浆体制备区与低温浆体浓度调节区通过隔板分离，隔板上设有用于连通低温浆体制备区与低温浆体浓度调节区的浆体管道，同时，浆体管道上设有第六低温调节阀12；
第六低温调节阀12与浓度传感器14通过控制信号线13相连接，根据浓度传感器14的实时监测数据可实现第六低温调节阀12开度的反馈控制；其中，浓度传感器14悬浮设置在绝热容器17低温浆体浓度调节区的中心位置；
绝热容器17低温浆体浓度调节区外壁布置有立体分布的电磁体16，通过控制电磁体16的通电顺序可实现位于绝热容器17低温浆体浓度调节区内部的磁性粒子15运动轨迹的调控。
本实施例中，绝热容器17的低温浆体制备区上方还设有用于保持绝热容器17内部正压环境的超压阀11及其管路；同时，蒸发的载冷剂和冷却剂的混合气可通过设有超压阀11的管路排出。
本实施例中，绝热容器17的低温浆体浓度调节区还设有第四低温调节阀7及其管路，当低温浆体浓度调节区内的低温浆体达到设定值后，可通过第四低温调节阀7及其管路将低温浆体排出。
本实施例中，预冷器2所需冷量可由液态冷却剂或载冷剂与冷却剂的混合气提供，或者对载冷剂进行抽空减压获得。
本实施例中，冷却剂的沸点温度应低于载冷剂的沸点温度，可为氧-氮或氮-氢或氢-氦等组合。
本实施例中，载冷剂喷嘴4和冷却剂喷嘴10相向且向下倾斜设置，以保证二者相向且向下倾斜喷射，以便于增加雾化后的载冷剂和冷却剂颗粒的接触面积并防止固态载冷剂喷射到绝热容器17的壁面上。
本实施例中，浓度传感器可为电容式浓度传感器。
本实施例中，磁性粒子15可通过外部包覆的方式增加其稳定性及安全性。
实施例2：
在实施例1的基础上，本实施例提供了一种低温浆体制备和浓度调节方法，步骤如下：
在低温浆体制备和浓度调节之前，首先假设所有低温调节阀(第一低温调节阀3、第二低温调节阀5、第三低温调节阀6、第四低温调节阀7、第五低温调节阀9和第六低温调节阀12)和超压阀11均处于关闭状态；
1)打开第二低温调节阀5，预冷器2运行提供冷量，载冷剂通过载冷剂管路1进入预冷器2进行预冷，使预冷器2出口的载冷剂温度临近但不低于其对应压力下的三相点温度，从预冷器2流出的载冷剂通过设有第二低温调节阀5的载冷剂管路1第二支路进入绝热容器17的低温浆体制备区底部，作为载冷剂基液，当载冷剂基液达到设定液位后，关闭第二低温调节阀5；
2)打开第一低温调节阀3和第五低温调节阀9；预冷后的载冷剂通过设有第一低温调节阀3的载冷剂管路1第一支路进入载冷剂喷嘴4进行喷淋；冷却剂通过设有第五低温调节阀9的冷却剂管路8进入冷却剂喷嘴10进行喷淋；载冷剂喷嘴4喷出的载冷剂液态颗粒与冷却剂喷嘴10喷出的冷却剂液态颗粒直接接触后，液态冷却剂蒸发成为气态，液态载冷剂形成固态颗粒并与下方的载冷剂基液混合，形成初级载冷剂浆体；气化后的冷却剂与载冷剂形成混合气，达到一定压力后，通过设有超压阀11的管路排出；当初级载冷剂浆体达到设定容积后，关闭第一低温调节阀3、第五低温调节阀9和超压阀11；
3)打开第三低温调节阀6、第四低温调节阀7、第六低温调节阀12，启动电磁体16，将预冷后的载冷剂通过设有第三低温调节阀6的载冷剂管路1第三支路送入绝热容器17的低温浆体浓度调节区，低温浆体制备区的初级载冷剂浆体通过设有第六低温调节阀12的浆体管道进入低温浆体浓度调节区，两者在电磁体16控制下的磁性粒子15的作用下形成均匀低温浆体；低温浆体浓度调节通过浓度传感器14的反馈信号控制第六低温调节阀12的开度实现；随后低温浆体通过设有第四低温调节阀7的管路排出(一般采用泵推的方式)，排出结束后，关闭第三低温调节阀6、第四低温调节阀7、第六低温调节阀12以及电磁体16。
上述方法为间断式低温浆体制备和浓度调节方法，当第一低温调节阀3、第二低温调节阀5、第三低温调节阀6同时打开时，上述过程可同步进行，实现连续式低温浆体制备和浓度调节。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低温浆体制备和浓度调节装置，其特征在于，包括：预冷器(2)、载冷剂喷嘴(4)、冷却剂喷嘴(10)、磁性粒子(15)、电磁体(16)和绝热容器(17)；其中，低温指小于120K的温度；
载冷剂管路(1)为载冷剂低温溶液的流通管路，其首先连通预冷器(2)，从预冷器(2)流出后分为三条支路，第一支路与设置在低温浆体制备区上方的载冷剂喷嘴(4)连通，第二支路与低温浆体制备区下方连通，第三支路与低温浆体浓度调节区连通；其中，绝热容器(17)分为上下两部分，上部分为低温浆体制备区，下部分为低温浆体浓度调节区；载冷剂管路(1)第一支路上设有第一低温调节阀(3)，第二支路上设有第二低温调节阀(5)，第三支路上设有第三低温调节阀(6)；
冷却剂管路(8)为温度低于载冷剂的冷却剂流通管路，其与设置在低温浆体制备区上方的冷却剂喷嘴(10)连通，且冷却剂管路(8)上设有第五低温调节阀(9)；
所述低温浆体制备区与低温浆体浓度调节区通过隔板分离，隔板上设有用于连通上下两部分的浆体管道，同时，浆体管道上设有第六低温调节阀(12)；
所述电磁体(16)布置在低温浆体浓度调节区外壁，通过控制电磁体(16)的通电顺序实现位于低温浆体浓度调节区内部的磁性粒子(15)运动轨迹的调控。
2.如权利要求1所述的低温浆体制备和浓度调节装置，其特征在于，还包括：浓度传感器(14)，其设置在低温浆体浓度调节区；所述浓度传感器(14)通过控制信号线(13)与第六低温调节阀(12)连接，根据浓度传感器(14)实时监测的数据能够对第六低温调节阀(12)开度进行反馈控制。
3.如权利要求1所述的低温浆体制备和浓度调节装置，其特征在于，所述绝热容器(17)的低温浆体制备区上方还设有超压阀(11)及其管路。
4.如权利要求1所述的低温浆体制备和浓度调节装置，其特征在于，所述绝热容器(17)的低温浆体浓度调节区还设有第四低温调节阀(7)及其管路。
5.如权利要求1所述的低温浆体制备和浓度调节装置，其特征在于，所述预冷器(2)所需冷量由液态冷却剂或载冷剂与冷却剂的混合气提供，或者对载冷剂进行抽空减压获得。
6.如权利要求1所述的低温浆体制备和浓度调节装置，其特征在于，所述冷却剂的沸点温度低于载冷剂的沸点温度，所述冷却剂为氧-氮或氮-氢或氢-氦的组合。
7.如权利要求1所述的低温浆体制备和浓度调节装置，其特征在于，所述磁性粒子(15)进行外部包覆。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的低温浆体制备和浓度调节装置，其特征在于，所述载冷剂喷嘴(4)和冷却剂喷嘴(10)相向且向下倾斜设置。
9.一种低温浆体制备和浓度调节方法，其特征在于，它使用如权利要求1所述的装置，并假设在低温浆体制备和浓度调节之前所有低温调节阀均处于关闭状态，所述方法包括如下步骤：
步骤一：打开第二低温调节阀(5)，预冷器(2)运行提供冷量，载冷剂通过载冷剂管路(1)进入预冷器(2)进行预冷，从预冷器(2)流出的载冷剂通过载冷剂管路(1)第二支路进入绝热容器(17)的低温浆体制备区底部，作为载冷剂基液，当载冷剂基液达到设定液位后，关闭第二低温调节阀(5)，并转入步骤二；其中，预冷后的载冷剂温度临近但不低于其对应压力下的三相点温度；
步骤二：打开第一低温调节阀(3)和第五低温调节阀(9)；预冷后的载冷剂通过载冷剂管路(1)第一支路进入载冷剂喷嘴(4)进行喷淋；冷却剂通过冷却剂管路(8)进入冷却剂喷嘴(10)进行喷淋；载冷剂颗粒与冷却剂颗粒直接接触后，液体冷却剂蒸发成为气态，液态载冷剂形成固态颗粒并与下方的载冷剂基液混合，形成初级载冷剂浆体；气化后的冷却剂与载冷剂形成混合气，达到设定压力后，通过设有超压阀(11)的管路排出；当初级载冷剂浆体达到设定容积后，关闭第一低温调节阀(3)、第五低温调节阀(9)和超压阀(11)，并转入步骤三；
步骤三：打开第三低温调节阀(6)、第四低温调节阀(7)和第六低温调节阀(12)，启动电磁体(16)，将预冷后的载冷剂通过载冷剂管路(1)第三支路送入绝热容器(17)的低温浆体浓度调节区，低温浆体制备区的初级载冷剂浆体通过浆体管道进入低温浆体浓度调节区，两者在电磁体(16)控制下的磁性粒子(15)的作用下形成均匀低温浆体；随后低温浆体通过设有第四低温调节阀(7)的管路排出，排出结束后，关闭第三低温调节阀(6)、第四低温调节阀(7)、第六低温调节阀(12)以及电磁体(16)。
10.一种低温浆体制备和浓度调节方法，其特征在于，它使用如权利要求1所述的装置，并假设在低温浆体制备和浓度调节之前所有低温调节阀均处于关闭状态，所述方法包括如下步骤：
步骤一：同时打开第一低温调节阀(3)、第二低温调节阀(5)、第三低温调节阀(6)、第五低温调节阀(9)和第六低温调节阀(12)；
预冷器(2)运行提供冷量，载冷剂通过载冷剂管路(1)进入预冷器(2)进行预冷，从预冷器(2)流出的载冷剂通过载冷剂管路(1)第二支路进入绝热容器(17)的低温浆体制备区底部，作为载冷剂基液；
预冷后的载冷剂通过载冷剂管路(1)第一支路进入载冷剂喷嘴(4)进行喷淋；冷却剂通过冷却剂管路(8)进入冷却剂喷嘴(10)进行喷淋；载冷剂颗粒与冷却剂颗粒直接接触后，液体冷却剂蒸发成为气态，液态载冷剂形成固态颗粒并与下方的载冷剂基液混合，形成初级载冷剂浆体；气化后的冷却剂与载冷剂形成混合气，达到设定压力后，通过设有超压阀(11)的管路排出；
将预冷后的载冷剂通过载冷剂管路(1)第三支路送入绝热容器(17)的低温浆体浓度调节区，低温浆体制备区的初级载冷剂浆体通过浆体管道进入低温浆体浓度调节区，启动电磁体(16)，将预冷后的载冷剂和初级载冷剂浆体在电磁体(16)控制下的磁性粒子(15)的作用下形成均匀低温浆体；
步骤二：当低温浆体达到设定容积后，打开第四低温调节阀(7)，通过设有第四低温调节阀(7)的管路排出，排出结束后，关闭所有低温调节阀及电磁体(16)。
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