CN212778046U - 一种下进下出式过冷器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种下进下出式过冷器，属于低温过冷领域。本实用新型为了克服现有的过冷器易开裂泄漏及液氮泄回时失压的问题，通过设计一种下进下出式过冷器，过冷器包括筒体、换热器和液氧管道，筒体的顶部设有上封头，筒体的底部设有下封头；下封头设有液氮加注阀和液氮泄回阀，上封头设有氮气排出阀；换热器位于筒体之内的中下部；液氧管道穿过筒体和换热器，液氧管道包括筒体进液口、筒体出液口、换热器进液口和换热器出液口；筒体进液口和筒体出液口位于同一高度，换热器进液口高于换热器出液口。本实用新型中，液氧管道采用下进下出式结构，可降低进出液管高差，避免低温液氧残留在换热器中，进而避免反向换热，实现液氮顺利泄回。

Description

一种下进下出式过冷器

技术领域

本实用新型属于低温过冷领域，具体涉及一种下进下出式过冷器。

背景技术

随着我国航天事业的发展，对运载火箭推力的需求也变得越来越高。液氢、 液氧低温推进剂由于具有无毒、无污染、高性能、低成本和大推力等优势，成 为应用于大型运载火箭最广泛的一组推进剂，其比冲比常温推进剂高30％～ 40％。低温推进剂在复杂的加注系统及长距离输送情况下，会产生间歇泉、水 锤、两相流、波状流、推进剂闪蒸等不稳定现象，为保证氢氧火箭涡轮泵工作 的净正吸入压头，使泵不发生气蚀，同时增加低温推进剂加注量和冷量，提高 运载火箭有效载荷和拓宽深空探测范围，需对推进剂进行过冷降低加注到贮罐 内的燃料温度。实际加注发射过程中通常使用液氮来过冷液氧，而液氧过冷在过冷器中进行。

为保证过冷器使用寿命，工程上低温过冷器设备常见的做法是将氧程进出 液管道设置在过冷器气枕封头处，简称上进上出式结构。即液氧管道从过冷器 上部进入，与壳体内的冷却剂液氮进行热交换后，再由上部流出，该结构避免 了氧程进出液管道与过冷器壳体焊接点受低温液体浸泡和外界高温环境应力交 变影响产生渗漏现象。现有的过冷器结构见图1。

现有技术的缺陷在于：

1、过冷器氧程进液管与地面管路高差较大，管路不利于液体自流预冷，在 预冷初期和液氧停放期间液氧进液口与地面间的管内流体回温幅度较大。当系 统开始液氧加注时，管路内高温液氧进入过冷器温度变化剧烈，管路震动明显。 换热器经受频繁冷热冲击，在管道冷热交变冲击作用下换热器板束体钎焊缝易 开裂泄漏。

2、氮泄回采用挤压泄回方式，通过外置汽化器在线制取常温低压氮气将加 注管内液氮挤回加注贮罐，从而达到液氮回收目的。现有技术过冷器上进上出 氧程管路U形弯结构易导致氧程管路低温液氧残留在换热器中。液氮泄回时，残 留低温液氧与增压氮气使氮气液化失压，该过程处于不可控状态，尤其在遇到 紧急泄回时，会增加液氮泄回时间，对整个加注系统的可靠性和安全性造成影 响。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是如何提供一种下进下出式过冷器，以克服 现有的过冷器易开裂泄漏及液氮泄回时失压的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提出一种下进下出式过冷器，所述过 冷器包括筒体(1)、换热器(2)和液氧管道(3)，其中，

所述筒体(1)的顶部设有上封头，所述筒体(1)的底部设有下封头；所 述下封头设有液氮加注阀(101)和液氮泄回阀(102)，所述上封头设有氮气排 出阀(103)；

所述换热器(2)位于所述筒体(1)之内的中下部；

所述液氧管道(3)穿过所述筒体(1)和所述换热器(2)，所述液氧管道 (3)包括筒体进液口(301)、筒体出液口(302)、换热器进液口(303)和换 热器出液口(304)；所述筒体进液口(301)和所述筒体出液口(302)均位于 所述筒体(1)的下部；所述换热器进液口(303)高于所述换热器出液口(304)。

进一步地，所述筒体进液口(301)和所述筒体出液口(302)位于同一高 度。

进一步地，所述换热器进液口(303)位于所述换热器(2)侧壁的中上部， 所述换热器出液口(304)位于所述换热器(2)侧壁的中下部。

进一步地，所述液氧管道(3)设有第一管线应力补偿结构和第二管线应力 补偿结构。

进一步地，所述第一管线应力补偿结构为金属软管，所述金属软管位于筒 体进液口管线与所述筒体(1)的连接处、以及筒体出液口管线与所述筒体(1) 的连接处。

进一步地，所述第二管线应力补偿结构为π形硬管(305)，所述π形硬 管(305)位于所述筒体(1)之内、所述换热器(2)之外的进液管，所述π形 硬管(305)竖直设置。

进一步地，所述过冷器还包括换热器支撑结构，所述换热器支撑结构位于 所述筒体(1)之内，包括上部支撑结构和下部支撑结构。

进一步地，所述上部支撑结构包括两根槽钢，所述筒体(1)上设有加强圈 (105)，所述槽钢的两端与所述加强圈(105)固定连接；所述下部支撑结构为 门形支架(401)，所述换热器(2)放置于所述门形支架(401)上，所述门形 支架(401)与所述下封头固定连接。

进一步地，所述换热器支撑结构还包括中间支撑结构，所述中间支撑结构 位于所述上部支撑结构和所述下部支撑结构之间。

进一步地，所述换热器(2)的支座设计腰型孔结构。

(三)有益效果

本实用新型提出一种下进下出式过冷器，筒体的作用是容纳液氮，给换热 器创造低温环境，以实现将液氧的温度降低，实现过冷。换热器进液口和换热 器出液口与管路等高，其远远小于上进上出式的高度差，可减少及避免低温液 氧残留在换热器。液氧管道采用下进下出式结构，可降低进出液管高差，避免 低温液氧残留在换热器中，进而避免反向换热，实现液氮顺利泄回。换热器进 液口高于换热器出液口，这样，液氧就不会在换热器之内的管道里积留，从而 避免反向换热。第一管线应力补偿结构为金属软管，金属软管位于筒体进液口 管线与筒体的连接处、以及筒体出液口管线与筒体的连接处；第二管线应力补偿结构为π形硬管，以减小管道腐蚀泄漏的风险。由于板式换热器自重较大， 所述过冷器还包括换热器支撑结构，所述换热器支撑结构位于所述筒体(1)之 内，包括上部支撑结构、下部支撑结构和中间支撑结构，该中间支撑结构可为 例如加强槽钢，以进一步增加换热器的结构强度。另外为降低低温收缩带来的 影响，板式换热器的支座设计腰型孔结构。

与现有技术相比，本实用新型具备以下有益效果：

本实用新型的下进下出式过冷器，液氧管道采用下进下出式结构，不仅可 靠性提升，管路震动减弱，而且显著改善了液氮泄回失压的状况。

附图说明

图1为现有技术上进上出式过冷器的示意图；

图2是本实用新型实施例1的下进下出式过冷器的结构示意图；

图3是本实用新型实施例1的下进下出式过冷器的另一结构示意图；

图4是本实用新型实施例1的过冷器与现有技术过冷器的泄回压力对比图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例， 对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。

本实用新型提供了一种下进下出式过冷器，包括：

筒体，筒体的顶部设有上封头，筒体的底部设有下封头；下封头设有液氮 加注阀和液氮泄回阀，上封头设有氮气排出阀；

换热器(例如板式换热器)，其位于筒体之内的中下部；

液氧管道，其穿过筒体和换热器，其包括筒体进液口、筒体出液口、换热 器进液口和换热器出液口；筒体进液口和筒体出液口位于同一高度，换热器进 液口高于换热器出液口。

本实用新型中，筒体的作用是容纳液氮，给换热器创造低温环境，以实现 将液氧的温度降低，实现过冷。

本实用新型中，换热器进液口和换热器出液口与管路等高，其远远小于上 进上出式的高度差，可减少及避免低温液氧残留在换热器。

本实用新型中，液氧管道采用下进下出式结构，可降低进出液管高差，避 免低温液氧残留在换热器中，进而避免反向换热，实现液氮顺利泄回。

根据本实用新型另一种具体实施方式，筒体进液口和筒体出液口位于同一 高度。

根据本实用新型另一种具体实施方式，换热器进液口高于换热器出液口， 这样，液氧就不会在换热器之内的管道里积留，从而避免反向换热。

根据本实用新型另一种具体实施方式，换热器进液口位于换热器侧壁的中 上部，换热器出液口位于换热器侧壁的中下部。

根据本实用新型另一种具体实施方式，液氧管道设有第一管线应力补偿结 构和第二管线应力补偿结构。

根据本实用新型另一种具体实施方式，第一管线应力补偿结构为金属软管， 金属软管位于筒体进液口管线与筒体的连接处、以及筒体出液口管线与筒体的 连接处。

根据本实用新型另一种具体实施方式，第二管线应力补偿结构为π形硬管， 以减小管道腐蚀泄漏的风险。π形硬管位于筒体之内、换热器之外的进液管， π形硬管竖直设置。

根据本实用新型另一种具体实施方式，进一步包括换热器支撑结构，换热 器支撑结构位于筒体之内，其包括上部支撑结构和下部支撑结构。

根据本实用新型另一种具体实施方式，上部支撑结构包括两根槽钢(例如 不锈钢槽钢)，筒体上设有加强圈，槽钢的两端与加强圈固定连接。

根据本实用新型另一种具体实施方式，下部支撑结构为门形支架(例如不 锈钢槽钢制成)，换热器放置于门形支架上，门形支架与下封头固定连接(例如 焊接)。

由于板式换热器自重较大，根据本实用新型一个具体实施方式，所述过冷 器还包括换热器支撑结构，所述换热器支撑结构位于所述筒体(1)之内，包括 上部支撑结构、下部支撑结构和中间支撑结构。该中间支撑结构可为例如加强 槽钢，以进一步增加换热器的结构强度。

另外为降低低温收缩带来的影响，板式换热器的支座设计腰型孔结构。

实施例1

如图2-3所示，本实施例提出一种下进下出式过冷器，包括：筒体1、换热 器(例如板式换热器2)、液氧管道3、换热器支撑结构。

筒体1的顶部设有上封头，筒体的底部设有下封头；下封头设有液氮加注 阀101和液氮泄回阀102，上封头设有氮气排出阀103；筒体的侧面上部设有液 氮测满阀104。

板式换热器2位于筒体1之内的中下部。

液氧管道3穿过筒体1和换热器2，其包括筒体进液口301、筒体出液口302、 换热器进液口303和换热器出液口304；筒体进液口301、筒体出液口302位于 同一高度，均位于筒体1上的下部。换热器进液口303高于换热器出液口304， 换热器进液口303位于换热器2侧壁的中上部，换热器出液口304位于换热器2 侧壁的中下部。

液氧管道3设有第一管线应力补偿结构和第二管线应力补偿结构。第一管 线应力补偿结构为金属软管(图中未示)，金属软管位于筒体进液口管线与筒体 的连接处、以及筒体出液口管线与筒体的连接处。如图3所示，第二管线应力 补偿结构为π形硬管305，以减小管道腐蚀泄漏的风险。π形硬管305位于筒体 1之内、换热器2之外的进液管，π形硬管305竖直设置。

换热器支撑结构位于筒体之内，其包括上部支撑结构(图中未示)、下部支 撑结构、中间支撑结构(图中未示)。上部支撑结构包括两根槽钢(例如不锈钢 槽钢)，筒体1上设有加强圈105，槽钢的两端与加强圈固定连接。下部支撑结 构为门形支架401(例如不锈钢槽钢制成)，换热器放置于门形支架上，门形支 架与下封头固定连接(例如焊接)。

在上部支撑和下部支撑之间设置有中间支撑结构，该中间支撑结构可为例 如加强槽钢，以进一步增加换热器的结构强度。另外为降低低温收缩带来的影 响，板式换热器的支座设计腰型孔结构。

图4是本实施例的过冷器(过冷器1)与现有技术过冷器(过冷器2)的泄 回压力对比图。两过冷器内均充注满液氮进行泄回实验。从曲线图中可以看出， 过冷器内压力增至0.16Mpa开始泄回后，过冷器1内压力随着时间增加逐渐降 低，无压力骤降现象。过冷器2压力增至0.16Mpa后，因增压氮气被过冷器氧 程管路中残留的液氧冷却，出现近20分钟失压，泄回时间较过冷器1增加25 分钟。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的 普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干 改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种下进下出式过冷器，其特征在于，所述过冷器包括筒体(1)、换热器(2)和液氧管道(3)，其中，

所述筒体(1)的顶部设有上封头，所述筒体(1)的底部设有下封头；所述下封头设有液氮加注阀(101)和液氮泄回阀(102)，所述上封头设有氮气排出阀(103)；

所述换热器(2)位于所述筒体(1)之内的中下部；

所述液氧管道(3)穿过所述筒体(1)和所述换热器(2)，所述液氧管道(3)包括筒体进液口(301)、筒体出液口(302)、换热器进液口(303)和换热器出液口(304)；所述筒体进液口(301)和所述筒体出液口(302)均位于所述筒体(1)的下部；所述换热器进液口(303)高于所述换热器出液口(304)。

2.如权利要求1所述的下进下出式过冷器，其特征在于，所述筒体进液口(301)和所述筒体出液口(302)位于同一高度。

3.如权利要求1所述的下进下出式过冷器，其特征在于，所述换热器进液口(303)位于所述换热器(2)侧壁的中上部，所述换热器出液口(304)位于所述换热器(2)侧壁的中下部。

4.如权利要求1所述的下进下出式过冷器，其特征在于，所述液氧管道(3)设有第一管线应力补偿结构和第二管线应力补偿结构。

5.如权利要求4所述的下进下出式过冷器，其特征在于，所述第一管线应力补偿结构为金属软管，所述金属软管位于筒体进液口管线与所述筒体(1)的连接处、以及筒体出液口管线与所述筒体(1)的连接处。

6.如权利要求4所述的下进下出式过冷器，其特征在于，所述第二管线应力补偿结构为π形硬管(305)，所述π形硬管(305)位于所述筒体(1)之内、所述换热器(2)之外的进液管，所述π形硬管(305)竖直设置。

7.如权利要求1所述的下进下出式过冷器，其特征在于，所述过冷器还包括换热器支撑结构，所述换热器支撑结构位于所述筒体(1)之内，包括上部支撑结构和下部支撑结构。

8.如权利要求7所述的下进下出式过冷器，其特征在于，所述上部支撑结构包括两根槽钢，所述筒体(1)上设有加强圈(105)，所述槽钢的两端与所述加强圈(105)固定连接；所述下部支撑结构为门形支架(401)，所述换热器(2)放置于所述门形支架(401)上，所述门形支架(401)与所述下封头固定连接。

9.如权利要求7所述的下进下出式过冷器，其特征在于，所述换热器支撑结构还包括中间支撑结构，所述中间支撑结构位于所述上部支撑结构和所述下部支撑结构之间。

10.如权利要求1所述的下进下出式过冷器，其特征在于，所述换热器(2)的支座设计腰型孔结构。

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