CN103644450A - 一种液氢温区高压换热氦气储罐 - Google Patents

一种液氢温区高压换热氦气储罐 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液氢温区高压换热氦气储罐,包括壳体（1）、真空腔（2）、液氮预冷夹套腔（3）、高压腔（4）、换热管腔（5）、液氮入口（7）、液氮出口（6）、高压氦气进出口（8）、制冷剂入口（9）、制冷剂出口（10）、制冷剂汇总腔（11）、制冷剂分配腔（12）和抽真空口（13）；高压腔（4）用来储存高压氦气，降温时需要将低温制冷机组产生的13K制冷剂引入到换热管腔（5）内，通过辐射及对流换热对高压腔（4）内高压氦气进行降温，经过不断的循环降温使得高压氦气达到液氢温区；液氮预冷夹套腔（3）用于加快高压腔内氦气的降温速度。本发明同时具有储存高压氦气及对其换热降温的功能，可以使储存的高压氦气快速降温至液氢温区。

Description

一种液氢温区高压换热氦气储罐
技术领域
本发明涉及一种用于液体火箭冷氦增压实验中液氢温区高压换热氦气储罐。
背景技术
随着我国运载火箭的快速发展，高能低温推进剂液氢/液氧得到了广泛的应用，火箭增压输送***所涉及到的阀门、管路及***均需经历液氢温区（20K）的深冷高压工况，对增压输送***提出了更严格、更高的技术要求。为了确保火箭飞行时增压输送***能够正常工作，必须设法对该***在液氢温区下进行充分的模拟试验考核，如何获得且贮存液氢温区的高压氦气是尤为关键的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够储存高压氦气，并且同时满足换热降温的目的，使得储存的高压氦气快速降温至液氢温区的氦气储罐。
本发明包括如下技术方案：
一种液氢温区高压换热氦气储罐,包括壳体、真空腔、液氮预冷夹套腔、高压腔、换热管腔、液氮入口、液氮出口、高压氦气进出口、制冷剂入口、制冷剂出口、制冷剂汇总腔、制冷剂分配腔和抽真空口；
多个换热管腔均匀布置在高压腔内部，高压腔位于液氮预冷夹套腔内部；在液氮预冷夹套腔、制冷剂汇总腔、制冷剂分配腔外为真空腔，起到绝热作用；最外层为壳体；高压腔用于储存高压氦气，将低温制冷机组产生的制冷剂通过制冷剂入口引入到制冷剂分配腔，由制冷剂分配腔分配至多个换热管腔内进行换热，通过换热管腔对高压腔内高压氦气进行降温；换热管腔输出的制冷剂经过制冷剂汇总腔汇总，再由制冷剂出口输出；液氮预冷夹套腔分别与液氮入口、液氮出口相连，通过液氮入口向液氮预冷夹套腔加注液氮，通过液氮出口进行液氮预冷夹套腔内液氮的泄出与排气；高压腔与高压氦气进出口相连，通过高压氦气进出口向高压腔填充氦气或者从高压腔输出氦气；通过抽真空口使得真空腔保持真空状态。
液氮预冷夹套腔、制冷剂汇总腔和制冷剂分配腔均采用无碱布+铝箔多层缠绕的方式进行绝热。
在高压腔内设置测温口和测压口，用于测量高压腔内氦气的压力和温度。
在制冷剂汇总腔设置换热管腔安全阀，在液氮预冷夹套腔设置夹套腔安全阀；在高压氦气进出口的管路上设置高压腔安全阀，在每个安全阀上设置破裂膜片。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明的储罐包括高压腔、换热管腔、液氮预冷腔及真空腔；高压腔、换热管腔和液氮预冷腔三个腔体相互分开，介质不掺混；高压腔用来储存高压氦气，降温时需要将低温制冷机组产生的13K制冷剂引入到换热管腔内，通过辐射及对流换热对换热管外的高压腔内高压氦气进行降温，经过不断的循环降温使得高压氦气达到液氢温区（20K）；液氮预冷夹套腔用于加快高压腔内氦气的降温速度，通过液氮蒸发浸泡方式对高压腔内及腔内的氦气降温预冷。总之，本发明的储罐同时具有储存高压氦气及对其换热降温的功能，可以使储存的高压氦气快速降温至液氢温区。
附图说明
图1为本发明的液氢温区高压换热氦气储罐示意图。
1.壳体 2.真空腔 3.液氮预冷夹套腔 4.高压腔 5.换热管腔 6.液氮出口6.液氮入口 8.高压氦气进出口 9.制冷剂入口 10.制冷剂出口 11.制冷剂汇总腔 12.制冷剂分配腔 13.抽真空口 14.换热管腔安全阀 15.夹套腔安全阀 16.测温口 17.测压口 18.高压腔安全阀
具体实施方式
下面就结合附图对本发明做进一步介绍。
如图1所示，本发明的液氢温区高压换热氦气储罐,包括壳体1、真空腔2、液氮预冷夹套腔3、高压腔4、换热管腔5、液氮入口7、液氮出口6、高压氦气进出口8、制冷剂入口9、制冷剂出口10、制冷剂汇总腔11、制冷剂分配腔12、抽真空口13、换热管腔安全阀14、夹套腔安全阀15、测温口16、测压口17、高压腔安全阀18。
换热管腔5位于高压腔4内部，高压腔4位于液氮预冷夹套腔3内部，在液氮预冷夹套腔3、制冷剂汇总腔11、制冷剂分配腔12及各接口管路外为真空腔2，起到绝热作用，最外层为壳体1；高压腔4用于储存高压氦气，将低温制冷机组产生的13K制冷剂通过制冷剂入口9引入到制冷剂分配腔12，由分配腔12分配至换热管腔5内进行换热，通过换热管腔5对高压腔4内高压氦气进行降温；换热管腔输出的制冷剂经过制冷剂汇总腔11汇总，再由制冷剂出口10输出；液氮预冷夹套腔3分别与液氮入口7、液氮出口6相连，通过液氮入口7向液氮预冷夹套腔3加注液氮，通过液氮出口6进行液氮预冷夹套腔3内液氮的泄出与排气；高压腔4与高压氦气进出口8相连，通过高压氦气进出口8向高压腔4填充氦气或者从高压腔4输出氦气；通过抽真空口13使得真空腔2保持真空状态；在高压腔4内设置测温口16和测压口17，用于测量高压腔内氦气的压力和温度；在制冷剂汇总腔11设置换热管腔安全阀14，在液氮预冷夹套腔3内设置夹套腔安全阀15；在安全阀上设置破裂膜片，用于保护储罐安全，消除了保险阀不开启造成的安全性事故。
真空腔2起到绝热作用；高压腔4、换热管腔5和液氮预冷夹套腔3三个腔体相互分开，介质不掺混。
高压腔4用来储存高压氦气，降温时需要将低温制冷机组产生的13K制冷剂引入到换热管腔5内，通过辐射及对流换热对换热管外的高压腔内高压氦气进行降温，经过不断的循环降温使得高压氦气达到液氢温区（20K）。液氮预冷夹套腔3用于加快高压腔内氦气的降温速度，高压腔4充氦气过程中，液氮预冷夹套腔3内加注有液氮，通过液氮蒸发浸泡方式对高压腔4内的氦气降温预冷。
真空腔2内的液氮预冷夹套腔3、制冷剂汇总腔11、制冷剂分配腔12及各接口管路外层均采用无碱布+铝箔多层缠绕的方式进行绝热，大幅度减少漏热。
在内部的高压腔4外侧设置液氮预冷夹套腔3，用于预冷高压腔4、换热管腔5和内部充装的高压氦气。制冷机组传输来的制冷剂，通过制冷剂分配腔12平均分配给换热管腔5。换热管腔5均匀排布在高压腔4内，这样可以使换热管周围的氦气温度分布更加均匀，减少氦气自身对流传热时间，达到快速、高效的对流换热效果。
考虑到氦气和储罐的降温温度梯度比较大（从常温降至液氢温区），为了减小压力容器的冷冲击，本发明的储罐工作过程如下：
a)首先通过高压氦气进出口8向高压腔4内充高压氦气，然后通过液氮入口7向液氮预冷夹套腔3内加注液氮，通过液氮浸泡的方式对高压腔4、换热管腔5和内部充装的高压氦气进行降温；
b)通过测温口16的温度传感器监测高压腔4内氦气温度，当冷却降温至80K时，通过液氮出口6泄出液氮预冷夹套腔3内的液氮，以免冷却液氮预冷夹套腔3内的液氮消耗额外的制冷剂冷量，通过制冷剂入口9向高压腔4内的换热管腔5引入制冷机组产生的13K的低温制冷剂，换热管腔5通过对流换热的方式对高压腔4内的氦气降温至20K液氢温区；
c)经过换热后的温度较高的制冷剂通过制冷剂出口10流出至制冷机组继续降温，形成制冷剂循环回路；
d)降温过程中，高压腔4内高压氦气会随着温度降低而压力降低，通过高压氦气进出口8，继续向高压腔4内充氦气，使得氦气的压力满足要求，通过测压口17的压力传感器监测高压腔4内的氦气压力；
e)在制冷剂汇总腔11、液氮预冷夹套腔3和高压氦气进出口8的管路上都设有安全阀，其大小满足储罐安全泄放量，确保了储罐的安全泄放；
f)当储罐内高压氦气的温度降低至液氢温区，压力满足试验要求，可以通过高压氦气进出口8引出液氢温区高压氦气作为试验气源使用。本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种液氢温区高压换热氦气储罐,其特征在于，包括壳体（1）、真空腔（2）、液氮预冷夹套腔（3）、高压腔（4）、换热管腔（5）、液氮入口（7）、液氮出口（6）、高压氦气进出口（8）、制冷剂入口（9）、制冷剂出口（10）、制冷剂汇总腔（11）、制冷剂分配腔（12）和抽真空口（13）；
多个换热管腔（5）均匀布置在高压腔（4）内部，高压腔（4）位于液氮预冷夹套腔（3）内部；在液氮预冷夹套腔（3）、制冷剂汇总腔（11）、制冷剂分配腔（12）外为真空腔（2），起到绝热作用；最外层为壳体（1）；高压腔（4）用于储存高压氦气，将低温制冷机组产生的制冷剂通过制冷剂入口（9）引入到制冷剂分配腔（12），由制冷剂分配腔（12）分配至多个换热管腔（5）内进行换热，通过换热管腔（5）对高压腔（4）内高压氦气进行降温；换热管腔（5）输出的制冷剂经过制冷剂汇总腔（11）汇总，再由制冷剂出口（10）输出；液氮预冷夹套腔（3）分别与液氮入口（7）、液氮出口（6）相连，通过液氮入口（7）向液氮预冷夹套腔（3）加注液氮，通过液氮出口（6）进行液氮预冷夹套腔（3）内液氮的泄出与排气；高压腔（4）与高压氦气进出口（8）相连，通过高压氦气进出口（8）向高压腔（4）填充氦气或者从高压腔（4）输出氦气；通过抽真空口（13）使得真空腔（2）保持真空状态。
2.根据权利要求1所述的一种液氢温区高压换热氦气储罐,其特征在于，液氮预冷夹套腔（3）、制冷剂汇总腔（11）和制冷剂分配腔（12）均采用无碱布+铝箔多层缠绕的方式进行绝热。
3.根据权利要求1所述的一种液氢温区高压换热氦气储罐,其特征在于，在高压腔（4）内设置测温口（16）和测压口（17），用于测量高压腔内氦气的压力和温度。
4.根据权利要求1所述的一种液氢温区高压换热氦气储罐,其特征在于，在制冷剂汇总腔（11）设置换热管腔安全阀（14），在液氮预冷夹套腔（3）设置夹套腔安全阀（15）；在高压氦气进出口（8）的管路上设置高压腔安全阀（18），在每个安全阀上设置破裂膜片。
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