一种采用冷冻法的火星大气二氧化碳捕集系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种采用冷冻法的火星大气二氧化碳捕集系统及其方法。该系统利用低温冷机冷却的扩展表面捕集单元将流动的火星大气中的二氧化碳固化，冷冻层达到一定厚度后，采用加热的方式使固态二氧化碳气化并自增压，当压力达到设定值后，再将其通入后续设备。本发明专利技术采用冷冻法捕集火星大气中的二氧化碳，适用于火星大气的低温、低压环境特征，捕集效率高，且通过交替切换运行可实现二氧化碳连续供气并精确控制进入后续设备的二氧化碳气体压力。并精确控制进入后续设备的二氧化碳气体压力。并精确控制进入后续设备的二氧化碳气体压力。

【技术实现步骤摘要】
一种采用冷冻法的火星大气二氧化碳捕集系统及其方法


[0001]本专利技术涉及火星探测
，特指一种采用冷冻法的火星大气二氧化碳捕集系统。

技术介绍

[0002]火星推进剂原位制备是指勘探、获取和利用火星的天然资源在火星上原地制备运载火箭推进剂，是一种可持续性强和成本低的深空探测解决方案，能够有效降低对携带资源和地球补给的依赖，是实现地外载人探测和未来太空殖民等地外活动的关键技术手段。火星表面大气的主要成分是二氧化碳，占总量的95.32％，是最具潜力的火星推进剂原位制备原料。
[0003]火星表面气候环境具有较强的特殊性。火星大气层很薄，全年压力在680～1000Pa之间波动，不及地球大气压的百分之一；同时，火星表面昼夜温差高达80K，夏季温度变化范围约为185K～244K，冬季温度变化范围约为172K～252K，绝大多数时间段的温度均低于风机、压缩机等设备的低温启动极限。因此，火星大气的低温、低压特征使得常规的二氧化碳捕集方法难以应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种采用冷冻法的火星大气二氧化碳捕集系统，利用低温冷机冷却的扩展表面捕集单元将流动的火星大气中的二氧化碳固化，冷冻层达到一定厚度后，采用加热的方式使固态二氧化碳气化并自增压，当压力达到设定值后，再将其通入后续反应系统。
[0005]本专利技术拟用如下技术方案实现本专利技术的目的：
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种采用冷冻法的火星大气二氧化碳捕集系统，其包括：火星大气管路、第一冷冻捕集管路、第二冷冻捕集管路和二氧化碳管路；
[0007]所述火星大气管路依次连接过滤器、低温风机和三通阀，并在三通阀的切换控制下择一连通第一冷冻捕集管路和第二冷冻捕集管路；
[0008]所述的第一冷冻捕集管路的入口端连接三通阀，出口端依次连通第一吸附器、第一入口截止阀、第一冷冻捕集舱、第一出口截止阀和第一真空泵后放空；所述第一冷冻捕集舱上安装有第一恒温箱、第一低温冷机和第一压力传感器；第一低温冷机的冷头部分位于第一冷冻捕集舱内，第一低温冷机的主体部分位于第一恒温箱内；第一冷冻捕集舱内置第一扩展表面捕集单元，且第一扩展表面捕集单元与第一低温冷机的冷头构成换热接触，同时第一扩展表面捕集单元通过电源线连接变功率电源，第一低温冷机和变功率电源工作时分别用于对第一扩展表面捕集单元进行冷却和加热；所述第一压力传感器用于实时感应第一冷冻捕集舱内的压力；
[0009]所述的第二冷冻捕集管路的入口端连接三通阀，出口端依次连通第二吸附器、第二入口截止阀、第二冷冻捕集舱、第二出口截止阀和第二真空泵后放空；所述第二冷冻捕集
舱上安装有第二恒温箱、第二低温冷机和第二压力传感器；第二低温冷机的冷头部分位于第二冷冻捕集舱内，第二低温冷机的主体部分位于第二恒温箱内；第二冷冻捕集舱内置第二扩展表面捕集单元，且第二扩展表面捕集单元通过电源线连接变功率电源，第二低温冷机和变功率电源工作时分别用于对第二扩展表面捕集单元进行冷却和加热；所述第二压力传感器于实时感应第二冷冻捕集舱内的压力；
[0010]所述第一压力传感器、第二压力传感器、变功率电源通过信号线与控制器相连，控制器根据输入的压力信号调节变功率电源对两个扩展表面捕集单元的加热功率；
[0011]所述二氧化碳管路前端分为两条支路，第一支路上设有第一定压阀并连接第一冷冻捕集舱、第一出口截止阀之间的第一冷冻捕集管路，第二支路上设有第二定压阀并连接第二冷冻捕集舱、第二出口截止阀之间的第二冷冻捕集管路，所述第一定压阀和第二定压阀根据所在支路的内压大小控制开闭，当压力低于压力设定值时处于关闭状态，当压力高于压力设定值时处于打开状态；二氧化碳管路末端连通至外部二氧化碳用气设备或存储设备。
[0012]作为上述第一方面的优选，所述过滤器为静电除尘设备。
[0013]作为上述第一方面的优选，所述第一吸附器和第二吸附器中填充有能够吸收水分的吸附材料。
[0014]进一步的，所述吸附材料为三氧化二铝。
[0015]作为上述第一方面的优选，所述第一吸附器和第二吸附器采用电加热器作为再生热源。
[0016]作为上述第一方面的优选，所述第一低温冷机和第二低温冷机采用斯特林低温冷机。
[0017]作为上述第一方面的优选，所述第一扩展表面捕集单元和第二扩展表面捕集单元采用多孔导热介质加工而成。
[0018]作为上述第一方面的优选，所述第一冷冻捕集管路上串联有多个第一冷冻捕集舱，所述第二冷冻捕集管路上串联有多个第二冷冻捕集舱。
[0019]作为上述第一方面的优选，所述第一定压阀和第二定压阀的压力设定值小于二氧化碳的三相点压力。
[0020]第二方面，本专利技术提供了一种利用上述第一方面任一方案所述系统的采用冷冻法的火星大气二氧化碳捕集方法，其包括：
[0021]通过低温风机将火星大气引入火星大气管路中，由过滤器去除杂质后进入三通阀中，通过三通阀交替控制火星大气管路连通第一冷冻捕集管路和第二冷冻捕集管路；
[0022]在火星大气管路连通第一冷冻捕集管路过程中，第一冷冻捕集管路上的各组件执行冷冻捕集流程，第二冷冻捕集管路上的各组件执行加热汽化流程；
[0023]所述冷冻捕集流程为：打开第一入口截止阀和第一出口截止阀，启动第一低温冷机和第一真空泵。使来自火星大气管路的火星大气进入第一冷冻捕集管路，火星大气首先通过第一吸附器内部的吸附剂去除火星大气中的水汽，随后进入第一冷冻捕集舱，与预先在第一低温冷机作用下降温至二氧化碳气体凝华温度的第一扩展表面捕集单元接触，使二氧化碳凝华在第一扩展表面捕集单元的表面，而剩余火星大气依次通过第一出口截止阀和第一真空泵放空；
[0024]所述加热汽化流程如下：关闭第二低温冷机和第二入口截止阀，第二冷冻捕集管路和第二冷冻捕集舱内的残余火星大气在第二真空泵的作用下排空以提升二氧化碳气体的纯度，然后关闭第二出口截止阀和第二真空泵，保持第二冷冻捕集舱处于密闭状态；再启动变功率电源，使第二扩展表面捕集单元开始升温，凝固在第二扩展表面捕集单元的固态二氧化碳开始汽化，由第二压力传感器实时测量第二冷冻捕集舱内部的压力并将压力信号通过信号线传递到控制器，控制器通过信号线调节变功率电源的功率值，进而控制第二扩展表面捕集单元的温度，使第二冷冻捕集舱内压力维持在第二定压阀的设定压力值；当第二定压阀所在管路内的压力达到压力设定值后，第二定压阀打开，汽化后的二氧化碳气体通过二氧化碳管路进入外部二氧化碳用气设备或存储设备；当第二冷冻捕集舱内的压力无法达到第二定压阀的设定压力值后，关闭变功率电源，完成加热汽化流程；
[0025]在火星大气管路连通第二冷冻捕集管路过程中，第一冷冻捕集管路和第二冷冻捕集管路上的各组件所执行的流程互换，第二冷冻捕集管路上的各组件执行冷冻捕集流程，第一冷冻捕集管路上的各组件执行加热汽化流程。
[0026]本专利技术相比现有技术突出且有益的技术效果是：采用冷冻法捕集火星大气中的二氧化碳，适用于火星大气的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用冷冻法的火星大气二氧化碳捕集系统，其特征在于，包括：火星大气管路(1)、第一冷冻捕集管路(5)、第二冷冻捕集管路(16)和二氧化碳管路(27)；所述火星大气管路(1)依次连接过滤器(2)、低温风机(3)和三通阀(4)，并在三通阀(4)的切换控制下择一连通第一冷冻捕集管路(5)和第二冷冻捕集管路(16)；所述的第一冷冻捕集管路(5)的入口端连接三通阀(4)，出口端依次连通第一吸附器(6)、第一入口截止阀(7)、第一冷冻捕集舱(8)、第一出口截止阀(13)和第一真空泵(14)后放空；所述第一冷冻捕集舱(8)上安装有第一恒温箱(9)、第一低温冷机(10)和第一压力传感器(12)；第一低温冷机(10)的冷头部分位于第一冷冻捕集舱(8)内，第一低温冷机(10)的主体部分位于第一恒温箱(9)内；第一冷冻捕集舱(8)内置第一扩展表面捕集单元(11)，且第一扩展表面捕集单元(11)与第一低温冷机(10)的冷头构成换热接触，同时第一扩展表面捕集单元(11)通过电源线(30)连接变功率电源(31)，第一低温冷机(10)和变功率电源(31)工作时分别用于对第一扩展表面捕集单元(11)进行冷却和加热；所述第一压力传感器(12)用于实时感应第一冷冻捕集舱(8)内的压力；所述的第二冷冻捕集管路(16)的入口端连接三通阀(4)，出口端依次连通第二吸附器(17)、第二入口截止阀(18)、第二冷冻捕集舱(19)、第二出口截止阀(24)和第二真空泵(25)后放空；所述第二冷冻捕集舱(19)上安装有第二恒温箱(20)、第二低温冷机(21)和第二压力传感器(23)；第二低温冷机(21)的冷头部分位于第二冷冻捕集舱(19)内，第二低温冷机(21)的主体部分位于第二恒温箱(20)内；第二冷冻捕集舱(19)内置第二扩展表面捕集单元(22)，且第二扩展表面捕集单元(22)通过电源线(30)连接变功率电源(31)，第二低温冷机(21)和变功率电源(31)工作时分别用于对第二扩展表面捕集单元(22)进行冷却和加热；所述第二压力传感器(23)于实时感应第二冷冻捕集舱(19)内的压力；所述第一压力传感器(12)、第二压力传感器(23)、变功率电源(31)通过信号线(28)与控制器(29)相连，控制器(29)根据输入的压力信号调节变功率电源(31)对两个扩展表面捕集单元的加热功率；所述二氧化碳管路(27)前端分为两条支路，第一支路上设有第一定压阀(15)并连接第一冷冻捕集舱(8)、第一出口截止阀(13)之间的第一冷冻捕集管路(5)，第二支路上设有第二定压阀(26)并连接第二冷冻捕集舱(19)、第二出口截止阀(24)之间的第二冷冻捕集管路(16)，所述第一定压阀(15)和第二定压阀(26)根据所在支路的内压大小控制开闭，当压力低于压力设定值时处于关闭状态，当压力高于压力设定值时处于打开状态；二氧化碳管路(27)末端连通至外部二氧化碳用气设备或存储设备。2.如权利要求1所述的采用冷冻法的火星大气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述过滤器(2)为静电除尘设备。3.如权利要求1所述的采用冷冻法的火星大气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述第一吸附器(6)和第二吸附器(17)中填充有能够吸收水分的吸附材料。4.如权利要求3所述的采用冷冻法的火星大气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述吸附材料为三氧化二铝。5.如权利要求1所述的采用冷冻法的火星大气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述第一吸附...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春伟，柴栋栋，李山峰，温鹏飞，李玮，曲捷，杨行，杨晓阳，时云卿，
申请(专利权)人：北京航天试验技术研究所，
类型：发明
国别省市：