一种基于涡流管的液氢贮箱空间排气冷量利用系统技术方案

一种基于涡流管的液氢贮箱空间排气冷量利用系统，包括液氢贮箱，液氢贮箱的氢箱排气管路通过氢箱排气阀与涡流管高压入口连接，涡流管冷端液体出口和冷端气体出口通过氢箱三通管路与液氢贮箱外侧的氢箱蒸气冷却盘管入口连接；氢箱蒸气冷却盘管出口通过止回阀和氧箱三通管路一个入口连接，氧箱三通管路另一个入口和涡流管热端气体出口连接，氧箱三通管路出口与液氧贮箱外侧的氧箱蒸气冷却盘管入口连接，氧箱蒸气冷却盘管出口与氧箱排气管路连接；本发明专利技术利用涡流管热质分离特性实现对液氢贮箱排气冷能分级利用，将液氢贮箱壁面温度冷却至更低温度，进一步降低液氢贮箱漏热以降低液氢蒸发损失，提高液氢在轨储存时间及低温推进系统的在轨服务能力。进系统的在轨服务能力。进系统的在轨服务能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于涡流管的液氢贮箱空间排气冷量利用系统


[0001]本专利技术涉及低温推进剂空间热管理
，具体涉及一种基于涡流管的液氢贮箱空间排气冷量利用系统。

技术介绍

[0002]液氢、液氧等低温推进剂是运载火箭上面级、空间航天器及未来深空探测等大型空间任务的首选燃料。然而，低温推进剂具有温度低、沸点低等特殊物性，极易在空间复杂热环境下发生气化，造成液体推进剂的损失及推进剂贮箱压力升高，给低温推进剂长期储存及低温贮箱压力控制带来了诸多挑战。
[0003]在低温推进剂中，液氢的温度和沸点最低，最容易发生气化，若不采取任何热管理措施，液氢贮箱日蒸发量可能超过30％/天，无法保证航天任务的顺利进行。目前，在低温推进剂贮箱外包裹发泡层+真空多层绝热层(MLI)是低温推进系统主要采用的被动绝热方式，通过对绝热层材料、厚度、层数、间隔分配等关键参数的大量优化研究，液氢贮箱的在轨日蒸发量可以被控制在3％以内。近年来，研究人员提出了一种利用贮箱排气冷量的蒸气冷却屏装置，结合绝热层包裹可以进一步减少低温箱体的漏热。对于液氧贮箱，通过合理设计绝热层和蒸气冷却屏工作参数，已经能够实现蒸气冷却屏温度不高于液氧储存温度，从而有效阻止外界漏热、实现液氧在轨零蒸发贮存的目标。
[0004]然而，对于低温液氢贮箱，现有的绝热手段仍然无法避免液氢箱体漏热及液氢蒸发损失，需要进一步探究有效降低液氢在轨蒸发损失的热管理方案。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于涡流管的液氢贮箱空间排气冷量利用系统，利用涡流管热质分离特性实现对液氢贮箱排气冷能分级利用，通过进一步降低液氢贮箱外壁面温度实现液氢贮箱蒸发量和压力的有效管理，从而延长低温液氢的在轨储存与服务时间。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种基于涡流管的液氢贮箱空间排气冷量利用系统，包括液氢贮箱1，液氢贮箱1的氢箱排气管路3通过氢箱排气阀4与涡流管5的高压入口a连接，涡流管5的冷端液体出口b和冷端气体出口c通过氢箱三通管路6与液氢贮箱1外侧的氢箱蒸气冷却盘管7的入口连接；氢箱蒸气冷却盘管7出口通过止回阀8和氧箱三通管路9一个入口连接，氧箱三通管路9另一个入口和涡流管5的热端气体出口d连接，氧箱三通管路9出口与液氧贮箱2外侧的氧箱蒸气冷却盘管10的入口连接，氧箱蒸气冷却盘管10出口与氧箱排气管路13连接。
[0008]所述的氢箱排气阀4的开关通过液氢贮箱1的气枕压力反馈进行控制，当液氢贮箱1的气枕压力未达到压力控制上限时，氢箱排气阀4关闭，当液氢贮箱1的气枕压力超过压力控制上限时，氢箱排气阀4开启。
[0009]所述的涡流管5的长径比L/D根据下式设计：
[0010][0011]其中：L为涡流管长度，D为涡流管通径；高压入口a侧压力P
in
根据实际工况的压力控制上限确定，冷端液体出口b、冷端气体出口c、热端气体出口d侧压力P
out
取低于液体推进剂贮存温度对应饱和压力10％
‑
20％的值，当液氢工质与涡流管通径D一定时，涡流管长径比越大，其进出口压比越大，长径比依据涡流管进出口压比和涡流管通径D为自变量来确定，具体的依变函数f通过实验测量确定。
[0012]所述的涡流管5的冷端流量分配比例Q
cold
/Q
in
按下式设计：
[0013][0014]其中：Q
cold
为冷端气体出口c处流量，Q
in
为高压入口a处流量，T
cold
为液氢工质在涡流管冷端液体出口b、冷端气体出口c、热端气体出口d侧压力P
out
下对应的饱和温度，T
in
为涡流管高压入口a流体温度，涡流管热端气体出口d的流量和温度分别通过涡流管进出口质量守恒与能量守恒求解得到。
[0015]所述的氢箱蒸气冷却盘管7、氧箱蒸气冷却盘管10外部分别包裹氢箱绝热层11、氧箱绝热层12，绝热层采用发泡材料或真空多层绝热材料。
[0016]本专利技术的有益效果为：
[0017]本专利技术通过蒸气冷却盘管结构使液氢贮箱排气依次与液氢贮箱壁面和液氧贮箱壁面进行换热，利用液氢贮箱排气的冷量进一步降低液氢和液氧贮箱外壁面温度，通过减小低温箱体漏热对低温推进剂蒸发量进行有效控制。
[0018]本专利技术利用涡流管的热质分离特性，将压力较高的液氢贮箱排气分流为一股低温低压流体和一股高温低压流体，对液氢贮箱排气的冷量进行了分级利用，相较于传统蒸气冷却屏等排气冷量利用装置，能够以更低温的流体对液氢贮箱壁面进行更强效的冷却降温，通过进一步降低液氢贮箱外壁面温度来降低液氢贮箱漏热量，从而进一步减小液氢的蒸发损失，延长液氢的在轨储存时间。
[0019]本专利技术提出了涡流管长径比和冷端流量比的设计，给涡流管冷端出口压力、温度和流量以及氢箱冷却盘管换热效果的优化设计提供计算依据。
附图说明
[0020]图1是本专利技术实施例的结构示意图。
具体实施方式
[0021]下面结合附图和实施例来进一步说明本专利技术的技术方案。
[0022]参照图1，一种基于涡流管的液氢贮箱空间排气冷量利用系统，包括液氢贮箱1，液氢贮箱1的氢箱排气管路3通过氢箱排气阀4与涡流管5的高压入口a连接，涡流管5的冷端液体出口b和冷端气体出口c通过氢箱三通管路6与液氢贮箱1外侧的氢箱蒸气冷却盘管7的入口连接；氢箱蒸气冷却盘管7出口通过止回阀8和氧箱三通管路9一个入口连接，氧箱三通管路9另一个入口和涡流管5的热端气体出口d连接，氧箱三通管路9出口与液氧贮箱2外侧的
氧箱蒸气冷却盘管10的入口连接，氧箱蒸气冷却盘管10出口与氧箱排气管路13连接。
[0023]所述的氢箱排气阀4的开关通过液氢贮箱1的气枕压力反馈进行控制，当液氢贮箱1的气枕压力未达到压力控制上限时，氢箱排气阀4关闭，当液氢贮箱1的气枕压力超过压力控制上限时，氢箱排气阀4开启。
[0024]所述的涡流管5的长径比L/D根据下式设计：
[0025][0026]其中：L为涡流管长度，D为涡流管通径。高压入口a侧压力P
in
根据实际工况的压力控制上限确定，冷端液体出口b、冷端气体出口c、热端气体出口d侧压力P
out
取低于液体推进剂贮存温度对应饱和压力10％
‑
20％的值，当液氢工质与涡流管通径D一定时，涡流管长径比越大，其进出口压比越大，长径比依据涡流管进出口压比和涡流管通径D为自变量来确定，具体的依变函数f通过实验测量确定。
[0027]所述的涡流管5的冷端流量分配比例Q
cold
/Q
in
按下式设计：
[0028][0029]其中：Q
cold
为冷端气体出口c处流量，Q
in
为高压入口a处流量，T
cold...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于涡流管的液氢贮箱空间排气冷量利用系统，包括液氢贮箱(1)，其特征在于：液氢贮箱(1)的氢箱排气管路(3)通过氢箱排气阀(4)与涡流管(5)的高压入口a连接，涡流管(5)的冷端液体出口b和冷端气体出口c通过氢箱三通管路(6)与液氢贮箱(1)外侧的氢箱蒸气冷却盘管(7)的入口连接；氢箱蒸气冷却盘管(7)的出口通过止回阀(8)和氧箱三通管路(9)的一个入口连接，氧箱三通管路(9)的另一个入口和涡流管(5)的热端气体出口d连接，氧箱三通管路(9)的出口与液氧贮箱(2)外侧的氧箱蒸气冷却盘管(10)的入口连接，氧箱蒸气冷却盘管(10)的出口与氧箱排气管路(13)连接。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的氢箱排气阀(4)的开关通过液氢贮箱(1)的气枕压力反馈进行控制，当液氢贮箱(1)的气枕压力未达到压力控制上限时，氢箱排气阀(4)关闭，当液氢贮箱(1)的气枕压力超过压力控制上限时，氢箱排气阀(4)开启。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的涡流管(5)的长径比L/D根据下式设计：其中：L为涡流管长度，D为涡流管通径；高压入口a侧压力P
in
根据实际工况的压力控制上限确定，冷端液体出口b、冷端气体出口c、热端气体出...

【专利技术属性】
技术研发人员：马原，宋昱龙，厉彦忠，王磊，谢福寿，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：