采用增压液化的火星表面二氧化碳连续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增压液化的火星表面二氧化碳连续捕集系统及其方法。本发明专利技术采用多级增压液化的方法捕集火星表面二氧化碳，其中第一级压缩机出口的原料气热量用于对入口原料气进行预热，在提升第二级压缩机压缩效率的同时，可保证风机和压缩机等设备可以正常运行；而第二级压缩机出口原料气的高品质热量用于对吸附器进行加热解吸，同时加热恒温器，维持系统所处空间的合理温度。第二级压缩机出口原料气首先经过吸附器再生管路的换热介质初步冷却，随后再利用火星大气冷能进行二次冷却，并实现二氧化碳液化，整体过程实现了原料气的梯度降温，具有较高的热力学效率和经济性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
采用增压液化的火星表面二氧化碳连续捕集系统及其方法


[0001]本专利技术属于火星探测
，具体涉及一种采用增压液化的火星表面二氧化碳连续捕集系统及其方法。

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。
[0003]火星表面大气的主要成分是二氧化碳，占总量的95.32％，其次是氮气和氩气，分别为2.7％和1.6％，还有少量的氧、水、一氧化碳及其它气体。其中，含量较高的二氧化碳是最具潜力的火星推进剂原位制备原料。
[0004]然而，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，因为难以通过大气运动传递表面的热量，所以其昼夜温差高达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，地球常规的二氧化碳捕集方法难以应用于火星表面。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是解决现有技术中常规的二氧化碳捕集方法难以应用于火星表面低压和低温特殊环境的问题，并提供一种采用增压液化的火星表面二氧化碳连续捕集系统及其方法。本专利技术通过多级压缩的方式对原料气进行增压，利用火星大气中的冷能液化增压后的二氧化碳气体，并实现二氧化碳的连续捕集，可为火星表面推进剂原位制备提供所需的二氧化碳。
[0006]本专利技术拟用如下技术方案实现本专利技术的目的：
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种采用增压液化的火星表面二氧化碳连续捕集系统，其包括二氧化碳液化管路、吸附器再生管路、第一级间冷却器和第二级间冷却器；
[0008]所述第一级间冷却器和第二级间冷却器中均设有构成换热接触的第一通路和第二通路；
[0009]所述二氧化碳液化管路的入口端用于通入火星大气，出口端连接液态二氧化碳储罐；二氧化碳液化管路在入口端至出口端之间依次连接过滤器、电加热器、第一级间冷却器的第一通路、低温风机、第一级压缩机、第一级间冷却器的第二通路、第二级压缩机、第二级间冷却器的第一通路、吸附器组、二氧化碳冷凝器和低温气液分离器；
[0010]所述吸附器再生管路为依次连接第二级间冷却器的第二通路、恒温器、吸附器组、集水器的循环回路，循环回路中充满换热介质；
[0011]所述吸附器组中包含两个吸附器，两个吸附器以并联方式安装切换使用，且通过阀门切换择一接入二氧化碳液化管路，另一个接入吸附器再生管路；接入二氧化碳液化管
路的吸附器用于对原料气中的水汽进行吸附，接入吸附器再生管路的吸附器对内部已吸附水汽的吸附剂进行解吸再生；
[0012]所述循环回路中设有绕过恒温器的旁通管路，恒温器与旁通管路通过阀门切换择一接入循环回路中，当所述吸附器组中存在正在进行解吸再生的吸附器时，控制旁通管路接入循环回路并屏蔽恒温器，否则保持恒温器接入循环回路中吸收换热介质的热量。
[0013]作为上述第一方面的优选，所述过滤器采用静电除尘设备。
[0014]作为上述第一方面的优选，所述第一级压缩机和第二级压缩机采用容积式压缩机，且所述第二级压缩机出口压力应高于二氧化碳的三相点压力。
[0015]作为上述第一方面的优选，所述吸附器中填充的吸附剂为三氧化二铝。
[0016]作为上述第一方面的优选，所述集水器为水汽液化设备，其冷源为火星大气或液态二氧化碳。
[0017]作为上述第一方面的优选，所述换热介质为干燥气体，优选为火星大气或者二氧化碳气体或者低温气液分离器分离出的杂质气。
[0018]作为上述第一方面的优选，低温气液分离器为离心式气液分离器。
[0019]作为上述第一方面的优选，所述第一级间冷却器和第二级间冷却器采用气
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气板式换热器，所述二氧化碳冷凝器采用翅片管式换热器。
[0020]作为上述第一方面的优选，整个捕集系统中除二氧化碳冷凝器外均处于绝热容器中，并通过恒温器的供热维持容器内部的温度稳定；二氧化碳冷凝器的冷源为火星大气或者温度低于二氧化碳液化温度的低温介质。
[0021]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火星表面二氧化碳连续捕集方法，其包括：
[0022]S1、对于初始状态下均尚未吸附水汽的两个吸附器，通过阀门切换使得恒温器接入循环回路，吸附器组中的一个吸附器接入二氧化碳液化管路中进入吸附状态，另一个吸附器接入吸附器再生管路中；
[0023]S2、依次启动电加热器、低温风机、第一级压缩机、第二级压缩机和低温气液分离器，使火星大气在低温风机的作用下进入二氧化碳液化管路，首先流经过滤器去除杂质变成纯净原料气，随后依次进入电加热器和第一级间冷却器的第一通路进行预热；预热完成后的原料气在低温风机牵引下进入第一级压缩机中完成第一次增压，形成一次增压原料气；一次增压原料气进入第一级间冷却器的第二通路，与第一级间冷却器的第一通路中未预热的原料气进行换热冷却后，再进入第二级压缩机进行第二次增压，得到二次增压原料气；二次增压原料气进入第二级间冷却器的第一通路，与吸附器再生管路中的换热介质进行换热冷却，得到温度维持在273.15K以上的原料气继续进入接入二氧化碳液化管路中的吸附器去除水汽，得到二氧化碳原料气，而吸附器再生管路中的换热介质在循环过程中吸收第二级间冷却器的第一通路中二次增压原料气的热量，并将热量传递至恒温器；二氧化碳原料气继续进入二氧化碳冷凝器中进行液化，自二氧化碳冷凝器流出的气液两相混合物进入低温气液分离器进行气液分离，杂质气直接排出，液态二氧化碳则进入液态二氧化碳储罐进行存储；
[0024]S3、每当当前接入二氧化碳液化管路中的吸附器吸附饱和后，通过阀门切换使另一个吸附器被接入二氧化碳液化管路中进入吸附状态，而吸附饱和的吸附器则被切换接入
吸附器再生管路中进入解吸再生状态；再对吸附器再生管路中的恒温器与旁通管路进行阀门切换，控制旁通管路接入循环回路并屏蔽恒温器，循环回路中的换热介质吸收第二级间冷却器的第一通路中二次增压原料气的热量后，依次流经旁通管路、吸附器、集水器，将吸附器中的水汽解吸带出，并在集水器中被凝结和收集；待吸附饱和的吸附器完成解析再生后，重新控制恒温器接入循环回路中进行吸热。
[0025]火星表面大气的低压和低温是进行二氧化碳捕集的最大难点，本专利技术提出的二氧化碳捕集系统可以有效克服上述难点，并充分利用火星大气的低温特性。
[0026]本专利技术相比现有技术突出且有益的技术效果是：
[0027]1)本专利技术采用多级增压液化的方法捕集火星表面二氧化碳，实现火星表面二氧化碳的连续捕集，而液态存储可延长二氧化碳的储存时间。
[0028]2)本专利技术对第一级压缩机出口的原料气进行冷却，并应用其热量对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用增压液化的火星表面二氧化碳连续捕集系统，其特征在于，包括二氧化碳液化管路(1)、吸附器再生管路(13)、第一级间冷却器(4)和第二级间冷却器(8)；所述第一级间冷却器(4)和第二级间冷却器(8)中均设有构成换热接触的第一通路和第二通路；所述二氧化碳液化管路(1)的入口端用于通入火星大气，出口端连接液态二氧化碳储罐(12)；二氧化碳液化管路(1)在入口端至出口端之间依次连接过滤器(2)、电加热器(3)、第一级间冷却器(4)的第一通路、低温风机(5)、第一级压缩机(6)、第一级间冷却器(4)的第二通路、第二级压缩机(7)、第二级间冷却器(8)的第一通路、吸附器组、二氧化碳冷凝器(10)和低温气液分离器(11)；所述吸附器再生管路(13)为依次连接第二级间冷却器(8)的第二通路、恒温器(15)、吸附器组、集水器(14)的循环回路，循环回路中充满换热介质；所述吸附器组中包含两个吸附器(9)，两个吸附器(9)以并联方式安装切换使用，且通过阀门切换择一接入二氧化碳液化管路(1)，另一个接入吸附器再生管路(13)；接入二氧化碳液化管路(1)的吸附器(9)用于对原料气中的水汽进行吸附，接入吸附器再生管路(13)的吸附器(9)对内部已吸附水汽的吸附剂进行解吸再生；所述循环回路中设有绕过恒温器(15)的旁通管路，恒温器(15)与旁通管路通过阀门切换择一接入循环回路中，当所述吸附器组中存在正在进行解吸再生的吸附器(9)时，控制旁通管路接入循环回路并屏蔽恒温器(15)，否则保持恒温器(15)接入循环回路中吸收换热介质的热量。2.如权利要求1所述的采用增压液化的火星表面二氧化碳连续捕集系统，其特征在于，所述过滤器(2)采用静电除尘设备。3.如权利要求1所述的采用增压液化的火星表面二氧化碳连续捕集系统，其特征在于，所述第一级压缩机(6)和第二级压缩机(7)采用容积式压缩机，且所述第二级压缩机(7)出口压力应高于二氧化碳的三相点压力。4.如权利要求1所述的采用增压液化的火星表面二氧化碳连续捕集系统，其特征在于，所述吸附器(9)中填充的吸附剂为三氧化二铝。5.如权利要求1所述的采用增压液化的火星表面二氧化碳连续捕集系统，其特征在于，所述集水器(14)为水汽液化设备，其冷源为火星大气或液态二氧化碳。6.如权利要求1所述的采用增压液化的火星表面二氧化碳连续捕集系统，其特征在于，所述换热介质为干燥气体，优选为火星大气或者二氧化碳气体或者低温气液分离器(11)分离出的杂质气。7.如权利要求1所述的采用增压液化的火星表面二氧化碳连续捕集系统，其特征在于，低温气液分离器(11)为离心式气液分离器。8.如权利要求1所述的采用增压液化的火星表面二氧化碳连续捕集系统，其特征在于，所述第一级间冷却器(4)和第二级间冷却器(8)采用气
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气板式换热器，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春伟，马军强，樊凤彬，王克军，汪丽，曲捷，余海帅，宋建军，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：