一种带有喷射装置的控压低温储罐制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种带有喷射装置的控压低温储罐，包括罐体、低温循环泵、液体节流阀、换热器、流体喷射器和排气冷却系统，换热器包括逆流设置的第一换热通路和第二换热通路，罐体、低温循环泵、第一换热通路和流体喷射器依次相互连通形成大股流体循环回路，罐体、液体节流阀、第二换热通路和排气冷却系统依次相互连通形成节流制冷路径；流体喷射器设置在所述罐体内，流体喷射器至少在罐体内上部空间处设置有喷射口；排气冷却系统包括引射器、正仲氢转化装置和排气冷却盘管。本发明专利技术结构简单，喷射强度大，换热效率好，可有效的消除罐体漏热，实现罐体压力的良好控制，对低温推进剂的长期贮存具有较好的应用价值及推广前景。

A controlled pressure low temperature storage tank with injection device

The invention discloses a controlled pressure cryogenic storage tank with a spray device, which comprises a tank body, a cryogenic circulating pump, a liquid throttle valve, a heat exchanger, a fluid ejector and an exhaust cooling system. The heat exchanger comprises a first heat exchange passage and a second heat exchange passage provided with a countercurrent, a tank body, a cryogenic circulating pump, a first heat exchange passage and a fluid injection passage. The fluid ejector is arranged in the tank body, and the fluid ejector is provided with an ejector at least in the upper space of the tank body; and the exhaust cooling system package is provided with the exhaust cooling system. An ejector, a secondary hydrogen conversion device and an exhaust cooling coil are included. The invention has the advantages of simple structure, high injection intensity, good heat transfer efficiency, effective elimination of heat leakage of tank body, good control of tank pressure, and good application value and popularization prospect for long-term storage of cryogenic propellant.

【技术实现步骤摘要】
一种带有喷射装置的控压低温储罐
本专利技术涉及低温推进剂储存以及流体管理领域，具体涉及一种带有喷射装置的控压低温储罐。
技术介绍
由于具有高比冲、环境友好以及容易获得等优异特性，低温推进剂在航空航天领域得到了越来越多的应用。然而，低温推进剂储存温度较低，外部漏热很容易造成流体温度的升高和蒸发，并带来罐体压力的升高。为保证在轨安全运行，低温推进剂储罐压力需控制在一定范围内。罐体压力过高，会引起罐体超压爆炸，带来严重安全隐患；罐体压力过低，会造成装置结构的不稳定，也会带来不安全隐患。因此对于空间运行的航天器用低温推进剂储罐，需采用有效的主被动控压方式，将罐体压力维持在允许范围内。目前，低温推进剂储罐主要采用多层真空辐射屏进行有效隔热。然而对于多层真空绝热，当辐射屏的层数增加到一定数目后，绝热层的整体绝热效果将趋于稳定。也就是说存在一个最佳绝热层厚度，当绝热层的厚度高于或低于该最佳厚度时，罐体的绝热效果均会变差。因此，单纯采用多层真空绝热材料在阻挡罐体漏热时也存在一极限值。为进一步降低罐体漏热量，可在罐体内罐和外罐的空间中缠绕一层盘管，然后将罐体排出的低温气体引入盘管，构成一道冷却屏障，以更大限度的降低侵入罐体的漏热量。在低温储罐压力控制方面，现存的方法主要包括直接排气降压、采用喷射混合装置的喷射降压、采用带制冷机的主动制冷降压以及热力学排气控压四种方式。直接排气控压是在罐体顶部设置一排气阀，当罐体压力超过所设定的压力上限时，打开排气阀，通过排出部分气体来降低罐体压力；而当罐体压力低于所设定的压力值时，将排气阀关闭，罐体在外部漏热下升压，直至升高到所设定的罐体压力上限，排气阀再次打开。直接排气控压虽然操作简便，然而采用该方式控制罐体压力会造成排气阀的频繁启闭，同时带来较大的排气损失。喷射混合降压是通过循环泵将罐体底部过冷流体喷射到罐内高温气相，通过冷却气相温度达到降低罐体压力的目的。当罐体压力降低到所设置压力下限时，喷射停止，罐体在外部漏热下再次升压，直到升高到所设置罐体压力上限，喷射过程再次开启。该方式仅是实现了热量从气相到液相的转移，并没有从根本上消除外部漏热。当罐体内部流体达到饱和状态时，通过喷射已不能达到降低罐体压力的目的，并且喷射的饱和液体与过热气体接触后，会造成饱和液体的迅速蒸发，进一步促进罐体压力的升高，因此该方式不适于低温推进剂的长期储存。采用带制冷机的主动制冷技术通过热管或者其他方式将制冷机产生的冷量直接送入罐体内部，通过冷却罐体来达到控压的目的。该方式可以从根本上消除外部漏热来降低罐体压力，然而目前国际国内并不具备制造低温区、大制冷量的低温制冷机的能力，这也限制了主动制冷技术在低温推进剂罐体压力控制方面的应用。热力学排气方式则是通过节流一小部分流体，利用这部分流体的气化潜热以及显热来冷却箱内大部分流体，被冷却的大部分低温流体再次喷射到罐体内部，通过冷却罐体内气液相，来达到移除外部漏热，实现罐体压力控制的目的。该方式仅以牺牲小部分流体为代价，就可以实现罐体漏热的消除以及罐体压力的控制，是目前最具前景的罐体压力控制方式。然而，现有的热力学排气系统结构相对简单，没有考虑低温排气的合理有效利用，造成了大量冷能损失。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够高效可靠地控压、隔热，通过降低外部漏热实现对罐体压力良好控制的低温推进剂储罐。技术方案：本专利技术提供一种带有喷射装置的控压低温储罐，包括罐体、低温循环泵、液体节流阀、换热器、流体喷射器和排气冷却系统，换热器包括逆流设置的第一换热通路和第二换热通路，罐体、低温循环泵、第一换热通路和流体喷射器依次相互连通形成大股流体循环回路，罐体、液体节流阀、第二换热通路和排气冷却系统依次相互连通形成节流制冷路径；流体喷射器设置在所述罐体内，流体喷射器至少在罐体内上部空间处设置有喷射口；排气冷却系统包括引射器、正仲氢转化装置和排气冷却盘管，正仲氢转化装置设置在罐体内，正仲氢转化装置入口与第二换热通路出口相连，引射器设置有第一吸入口、第二吸入口和出口，第一吸入口与第二换热通路出口相连，第二吸入口与正仲氢转化装置出口相连，引射器出口与排气冷却盘管相连。上述大股流体循环回路和节流制冷路径中流体流量可根据罐体容量进行具体设置，例如，对于罐体容量在100～2000L的控压低温储罐，大股流体循环回路和节流制冷路径中流体流量之比约为9～8∶1，二者中流体流量主要由低温循环泵和液体节流阀控制。为了提高罐体的隔热性能和控压效率，罐体包括内罐和外罐，内罐用于储存低温推进剂，内罐和外罐之间填充有绝热材料。排气冷却盘管在绝热材料的空隙中盘绕内罐设置，优选地，排气冷却盘管中流体从盘绕内罐从上向下流动。低温循环泵为低温推进剂专用循环泵，其主要用于为整个系统提供动力，其通过管路与罐体、第一换热通路和流体喷射器构成大股流体循环回路。液体节流阀主要用于低温流体的节流降压，使来自罐体内的单相流体节流后变为气液两相流体，其与罐体、第二换热通路和排气冷却系统构成小股流体的节流制冷路径。换热器为设置在罐体内的套管式换热器，套管式换热器包括内管和外管，内管为第一换热通路，内管与外管之间的环形管为第二换热通路。内管与大股流体所经过的管路相连，构成套管式换热器内流通道；外管与内管之间的环形管与小股流体的节流制冷路径的管路相连，节流后的两相流体经管路后直接进入环形管，构成换热器外流通道。换热器内管与外管均为内螺纹管，可用来强化单相流体与内外管环形腔内的两相流间的流动换热。引射器主要用于高温高压气体引射低温低压气体，同时为直接从第二换热通路和从正仲氢转化装置中流出的两股气体的混合排气进入冷却盘管提供动力，其与排气冷却盘管构成高温气体排气回路。正仲氢转化装置中填充有仲氢转化固体催化剂，仲氢转化固体催化剂为氢氧化铁、氢氧化锰、氢氧化铬或氢氧化钴，其形状为粉末状、颗粒状、微球状或条块状。正仲氢转化装置入口连接套管式换热器外管上端，出口连接排气冷却盘管上端入口。排气冷却系统还包括排气阀，排气阀入口与排气冷却盘管下端出口相连，构成高温气体排气回路，排气主要用于带走罐体壁面漏热。排气阀用于对经过冷却盘管后过热排气进行流量的控制。流体喷射器包括多个围绕换热器竖直设置的薄壁不锈钢管，所述薄壁不锈钢管从上到下分布有多个细小的喷射口，流体喷射器与第一换热通路底端相连，从第一换热通路流出的被冷却流体经喷射口射入罐体内部。优选地，流体喷射器包括4个或6个竖直对称设置在罐体内部的薄壁不锈钢管。罐体底部设置有第一流体出口和第二流体出口，第一流体出口通过管路与低温循环泵相互连通，低温循环泵通过管路从罐体上部与设置在罐体内的第一换热通路相互连通；第二流体出口通过管路与液体节流阀相互连通，液体节流阀通过管路从罐体底部与设置在罐体内的第二换热通路相互连通。低温循环泵从罐体底部抽吸的大股流体经管路直接进入换热器内管；而小股流体经节流阀后，变为气液两相流体，进入套管换热器内管与外管之间的环管。在换热器内，大股的单相流体与小股的两相流体进行逆向换热。优选地，低温循环泵为液氢专用循环泵，液体节流阀为低温针阀，引射器为气气引射器，排气阀为安全排气阀。上述带有喷射装置的控压低温储罐优选用于低温推进剂，更优选用于储存液氢。本专利技术的工作原理是：低温推进剂在低温循本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带有喷射装置的控压低温储罐，其特征在于，该控压低温储罐包括罐体(1)、低温循环泵(2)、液体节流阀(3)、换热器(6)、流体喷射器(7)和排气冷却系统，所述换热器(6)包括逆流设置的第一换热通路和第二换热通路，所述罐体(1)、低温循环泵(2)、第一换热通路和流体喷射器(7)依次相互连通形成大股流体循环回路，所述罐体(1)、液体节流阀(3)、第二换热通路和排气冷却系统依次相互连通形成节流制冷路径；所述流体喷射器(7)设置在所述罐体(1)内，所述流体喷射器(7)至少在所述罐体(1)内上部空间处设置有喷射口；所述排气冷却系统包括引射器(4)、正仲氢转化装置(5)和排气冷却盘管(12)，所述正仲氢转化装置(5)设置在罐体(1)内，所述正仲氢转化装置(5)入口与所述第二换热通路出口相连，所述引射器(4)设置有第一吸入口、第二吸入口和出口，所述第一吸入口与所述第二换热通路出口相连，所述第二吸入口与所述正仲氢转化装置(5)出口相连，所述引射器(4)出口与所述排气冷却盘管(12)入口相连。

【技术特征摘要】
1.一种带有喷射装置的控压低温储罐，其特征在于，该控压低温储罐包括罐体(1)、低温循环泵(2)、液体节流阀(3)、换热器(6)、流体喷射器(7)和排气冷却系统，所述换热器(6)包括逆流设置的第一换热通路和第二换热通路，所述罐体(1)、低温循环泵(2)、第一换热通路和流体喷射器(7)依次相互连通形成大股流体循环回路，所述罐体(1)、液体节流阀(3)、第二换热通路和排气冷却系统依次相互连通形成节流制冷路径；所述流体喷射器(7)设置在所述罐体(1)内，所述流体喷射器(7)至少在所述罐体(1)内上部空间处设置有喷射口；所述排气冷却系统包括引射器(4)、正仲氢转化装置(5)和排气冷却盘管(12)，所述正仲氢转化装置(5)设置在罐体(1)内，所述正仲氢转化装置(5)入口与所述第二换热通路出口相连，所述引射器(4)设置有第一吸入口、第二吸入口和出口，所述第一吸入口与所述第二换热通路出口相连，所述第二吸入口与所述正仲氢转化装置(5)出口相连，所述引射器(4)出口与所述排气冷却盘管(12)入口相连。2.根据权利要求1所述的带有喷射装置的控压低温储罐，其特征在于，所述罐体(1)包括内罐(13)和外罐(14)，所述内罐(13)用于储存低温推进剂，所述内罐(13)和外罐(14)之间填充有绝热材料，所述排气冷却盘管(12)在所述绝热材料的空隙中盘绕所述内罐(13)设置。3.根据权利要求1所述的带有喷射装置的控压低温储罐，其特征在于，所述换热器(6)为设置在罐体(1)内的套管式换热器，所述套管式换热器中，所述第一换热通路为内管(16)，所述第二换热通路为内管(16)与外管(15)之间的环形空间。4.根据权利要求3所述的带有喷射装置的控压低温储罐，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘展，周国庆，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32