CN114791180B - 一种可调式低温储箱液体循环喷射系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调式低温储箱液体循环喷射系统，包括低温储箱、液体过冷器、循环泵、流量调节阀、多孔喷射杆及液氮储罐，低温储箱顶端连接排气管、充液管和增压管，充液管和增压管分别与液氮储罐相连，多孔喷射杆位于低温储箱内，低温储箱底部设置有液氮出口，液氮出口通过循环泵后分为两路液体，第一路液体经液体过冷器冷却后与第二路液体汇合，一起进入多孔喷射杆，经多孔喷射杆在低温储箱内喷射而出，用于降低低温储箱内的压力；流量调节阀用于控制第一路液体和第二路液体的比例，进而控制喷射液体的温度。本发明可以将饱和态液体冷却为可定量控制的过冷状态；对气液两相流场施加机械扰动和热扰动，从而实现贮箱内的均温和降压。

Description

一种可调式低温储箱液体循环喷射系统

技术领域

本发明涉及喷射混合系统，尤其是涉及一种可调式低温储箱液体循环喷射系统。

背景技术

随着低温推进剂在航空航天领域应用的不断发展，两相低温储箱的长期储存技术逐渐成为关键性瓶颈。空间热负荷容易引起储箱压力持续性升高，并伴随着温度分层的形成。现阶段正在发展的适用于空间微重力环境的压力管理技术有热力排气系统(TVS)、泵驱混合技术等。然而，以上技术涉及的喷射混合环节对两相贮箱施加的机械扰动和热扰动效应，及其带来的均温和降压特性仍未明确。分析喷射流速、喷射温度以及喷雾形态对罐内温度场和相变的影响是解决该问题的切入点。

现有技术中存在一些低温两相储箱循环喷射系统，然而，目前已公开的低温两相储箱循环喷射系统无法同时满足喷射流量和喷射温度独立调节、闭式循环喷射、贮存液体零损耗、喷射流束可视化的需求。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提出一种可调式低温储箱液体循环喷射系统。

本发明可调式低温储箱液体循环喷射系统，可以对沸点高于77K的两相低温流体储箱进行充分冷却，将饱和态液体冷却为可定量控制的过冷状态；对气液两相流场施加机械扰动和热扰动，从而实现贮箱内的均温和降压。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种可调式低温储箱液体循环喷射系统，包括：

低温储箱、液体过冷器、循环泵、流量调节阀、多孔喷射杆及液氮储罐，

所述低温储箱顶端连接排气管、充液管和增压管，所述充液管和增压管分别与液氮储罐的供液端和供气端相连，

所述多孔喷射杆位于低温储箱内，

所述低温储箱底部设置有液氮出口，所述液氮出口通过循环泵后分为两路液体，第一路液体进入液体过冷器中被冷却至过冷状态，第二路液体流经流量调节阀后与第一路液体汇合，一起进入多孔喷射杆，经多孔喷射杆在低温储箱内喷射而出，用于降低低温储箱内的压力；

其中，所述流量调节阀用于控制第一路液体和第二路液体的比例，进而控制喷射液体的温度。

在本发明的一个实施方式中，第二路液体流经流量调节阀后与第一路液体汇合后进入多孔喷射杆的管路前设置有温度计。

在本发明的一个实施方式中，所述低温储箱内设置有压力计。

在本发明的一个实施方式中，所述液体过冷器位于真空绝热腔内部，所述液体过冷器的顶端与真空绝热腔焊接密封，所述液体过冷器内为敞口液氮池，所述敞口液氮池内设置有换热器，所述敞口液氮池用于供给换热器冷量，将流经所述换热器的第一路液体冷却至过冷状态。

在本发明的一个实施方式中，所述液氮储罐还设置有用于向敞口液氮池补充液氮的液氮补充管，当敞口液氮池因蒸发或冷却而消耗部分液氮时，由液氮储罐补液至常满状态。

在本发明的一个实施方式中，所述换热器为盘管换热器。

在本发明的一个实施方式中，所述换热器为紫铜材质，双向盘旋结构。

在本发明的一个实施方式中，所述低温储箱、循环泵、流量调节阀以及所述低温储箱与液体过冷器之间的管路位于真空绝热腔内部。

在本发明的一个实施方式中，在所述液氮出口与循环泵之间的管路上设置有过滤器，所述过滤器用于对液氮的杂质进行过滤。

在本发明的一个实施方式中，所述循环泵为小型低温离心泵，泵叶轮前段设有导流器。泵进出口的连接方式为超高密封性VCR接头，上游接入过滤器。泵的转速可由变频控制器调节。

在本发明的一个实施方式中，在第一路液体所在管路上设置有第一流量计，在第二路液体所在管路上设置有第二流量计。

所述第二流量计用于测得喷射流量，所述第一流量计用于测得被冷却液体的流量。

在本发明的一个实施方式中，所述多孔喷射杆为单根空心封顶杆，所述多孔喷射杆在每个水平高度上均开有朝向正交四方向的喷孔，所述多孔喷射杆垂直坐落在所述低温储箱的中心。

在本发明的一个实施方式中，所述多孔喷射杆底部通过CF法兰与低温储箱底端密封连接，所述多孔喷射杆进液接口为可拆装的高密封性VCR接头，便于更换不同喷孔密度和孔径的喷射杆。

在本发明的一个实施方式中，所述流量调节阀为精密气动式流量调节阀，通过输入电流信号来调节开度。

在本发明的一个实施方式中，可调式低温储箱液体循环喷射系统还包括COMS摄像头、数据采集与控制系统以及计算机，

所述低温储箱侧面设置有观察窗，所述COMS摄像头位于观察窗外侧，用于记录所述低温储箱的内部动态，

所述数据采集与控制系统分别与COMS摄像头、第二流量计、第一流量计、温度计、压力计、流量调节阀相连，所述数据采集与控制系统用于将COMS摄像头的图像、第二流量计、第一流量计、温度计、压力计、流量调节阀的读数统一采集并显示、保存至计算机，所述计算机与循环泵连接，通过计算机程序控制所述循环泵的启停。

在本发明的一个实施方式中，所述低温储箱侧面相对设置有同轴的观察窗和光窗，所述COMS摄像头和LED面光源通过环氧树脂细杆分别悬吊在所述观察窗和光窗的外侧，实时获取喷射流束图像。

在本发明的一个实施方式中，所述观察窗和光窗均采用CF平面玻璃法兰密封。

在本发明的一个实施方式中，所述低温储箱为中间直筒圆柱、两端椭圆封头结构，其外包裹多层绝热材料。

本发明提供的可调式低温储箱液体循环喷射系统使用时，

当低温储箱压力高于所设临界值时，所述循环泵启动，从低温储箱底部抽取液氮，经过滤器过滤杂质。液氮获得扬程后一分为二，第一路液体进入液体过冷器中被冷却至过冷状态，第二路液体流经流量调节阀后与第一路液体汇合，一起进入多孔喷射杆，经多孔喷射杆在低温储箱内喷射而出，用于降低低温储箱内的压力；

其中，所述流量调节阀用于控制第一路液体和第二路液体的比例，进而控制喷射液体的温度。所述流量调节阀为精密气动式流量调节阀，通过输入电流信号来调节开度。当需要调节喷射流量时，可改变循环泵的转速来实现。所述喷射流量由第二流量计测得。当需要调节喷射液体温度时，可改变流量调节阀的开度，进而调整被冷却液体的流量比例。所述喷射温度由第二路液体流经流量调节阀后与第一路液体汇合后进入多孔喷射杆的管路上的温度计测得，记为喷射温度Tp5，所述被冷却液体的流量由第一流量计测得。在本申请的技术方案中，将喷射温度Tp5作为反馈源，经过闭环PID模块输出电流信号至流量调节阀，从而自动控制喷射温度在设定值附近。

本发明技术方案中，数据采集与控制系统、计算机以及涉及的数据材料、计算、控制等都为已知的技术，可以采用本领域常规技术手段实现。

本发明将喷射温度作为反馈源，经过闭环PID模块输出电流信号至所述气动式流量调节阀，从而将喷射温度控制在设定值附近。由于循环喷射总流量和喷射温度分别由所述循环泵和所述流量调节阀来控制，因此二者具有相对独立性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点以及有益效果：

1、可实现喷射流量和喷射温度独立调节。

2、整个喷射过程为闭式循环，可维持液位高度等实验变量恒定。

3、可视化观察和记录喷射流形、喷雾形态、雾化程度等特征，便于与仿真对比。

附图说明

图1为本发明实施例1中可调式低温储箱液体循环喷射系统的结构示意图；

图2为本发明实施例1中可调式低温储箱液体循环喷射系统的多孔喷射杆的结构示意图。

图中标号：

1、真空绝热腔，2、低温储箱，3、过滤器，4、循环泵，5、第二流量计，6、第一流量计，7、液体过冷器，8、换热器，9、敞口液氮池，10、流量调节阀，11、多孔喷射杆，12、LED面光源，13、光窗，14、COMS摄像头，15、观察窗，16、液氮储罐，17、数据采集与控制系统，18、计算机，19、排气管，20、充液管，21、增压管；

111、喷孔，112、CF法兰，113、VCR接头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例

参考图1，本实施例提供一种可调式低温储箱液体循环喷射系统，包括：低温储箱2、液体过冷器7、循环泵4、流量调节阀10、多孔喷射杆11及液氮储罐16，所述低温储箱2顶端连接排气管19、充液管20和增压管21，所述充液管20和增压管21分别与液氮储罐16的供液端和供气端相连，所述多孔喷射杆11位于低温储箱2内，所述低温储箱2底部设置有液氮出口，所述液氮出口通过循环泵4后分为两路液体，第一路液体进入液体过冷器7中被冷却至过冷状态，第二路液体流经流量调节阀10后与第一路液体汇合，一起进入多孔喷射杆11，经多孔喷射杆11在低温储箱2内喷射而出，用于降低低温储箱2内的压力；其中，所述流量调节阀10用于控制第一路液体和第二路液体的比例，进而控制喷射液体的温度。

进一步地，参考图1，在本实施例中，第二路液体流经流量调节阀10后与第一路液体汇合后进入多孔喷射杆11的管路前设置有温度计。

进一步地，参考图1，在本实施例中所述低温储箱2内设置有压力计。

进一步地，参考图1，在本实施例中所述液体过冷器7位于真空绝热腔1内部，所述液体过冷器7的顶端与真空绝热腔1焊接密封，所述液体过冷器7内为敞口液氮池9，所述敞口液氮池9内设置有换热器8，所述敞口液氮池9用于供给换热器8冷量，将流经所述换热器8的第一路液体冷却至过冷状态。

进一步地，参考图1，在本实施例中，所述液氮储罐16还设置有用于向敞口液氮池9补充液氮的液氮补充管，当敞口液氮池9因蒸发或冷却而消耗部分液氮时，由液氮储罐16补液至常满状态。

进一步地，参考图1，在本实施例中，所述换热器8为盘管换热器，为紫铜材质，双向盘旋结构。

进一步地，参考图1，在本实施例中，所述低温储箱2、循环泵4、流量调节阀10以及所述低温储箱2与液体过冷器7之间的管路位于真空绝热腔1内部。

进一步地，参考图1，在本实施例中，在所述液氮出口与循环泵4之间的管路上设置有过滤器3，所述过滤器3用于对液氮的杂质进行过滤。所述循环泵4为小型低温离心泵，泵叶轮前段设有导流器。泵进出口的连接方式为超高密封性VCR接头，上游接入过滤器3。泵的转速可由变频控制器调节。

进一步地，参考图1，在本实施例中，在第一路液体所在管路上设置有第一流量计6，在第二路液体所在管路上设置有第二流量计5。所述第二流量计5用于测得喷射流量，所述第一流量计6用于测得被冷却液体的流量。

进一步地，参考图2，在本实施例中，所述多孔喷射杆11为单根空心封顶杆，所述多孔喷射杆11在每个水平高度上均开有朝向正交四方向的喷孔111，所述多孔喷射杆11垂直坐落在所述低温储箱2的中心。

进一步地，参考图2，在本实施例中，所述多孔喷射杆11底部通过CF法兰112与低温储箱2底端密封连接，所述多孔喷射杆11进液接口为可拆装的高密封性VCR接头113，便于更换不同喷孔密度和孔径的喷射杆。

进一步地，在本实施例中，所述流量调节阀10为精密气动式流量调节阀，通过输入电流信号来调节开度。

进一步地，参考图1，在本实施例中，可调式低温储箱液体循环喷射系统还包括COMS摄像头14、数据采集与控制系统17以及计算机18，所述低温储箱2侧面设置有观察窗15，所述COMS摄像头14位于观察窗15外侧，用于记录所述低温储箱2的内部动态，所述数据采集与控制系统17分别与COMS摄像头14、第二流量计5、第一流量计6、温度计、压力计、流量调节阀10相连，所述数据采集与控制系统17用于将COMS摄像头14的图像、第二流量计5、第一流量计6、温度计、压力计、流量调节阀10的读数统一采集并显示、保存至计算机18，所述计算机18与循环泵4连接，通过计算机程序控制所述循环泵4的启停。所述低温储箱2侧面相对设置有同轴的观察窗15和光窗13，所述COMS摄像头14和LED面光源12通过环氧树脂细杆分别悬吊在所述观察窗15和光窗13的外侧，实时获取喷射流束图像。

进一步地，参考图1，在本实施例中，所述观察窗15和光窗13均采用CF平面玻璃法兰密封。

进一步地，参考图1，在本实施例中，所述低温储箱2为中间直筒圆柱、两端椭圆封头结构，其外包裹多层绝热材料。

本实施例提供的可调式低温储箱液体循环喷射系统使用时，当低温储箱2压力高于所设临界值时，所述循环泵4启动，从低温储箱2底部抽取液氮，经过滤器3过滤杂质。液氮获得扬程后一分为二，第一路液体进入液体过冷器7中被冷却至过冷状态，第二路液体流经流量调节阀10后与第一路液体汇合，一起进入多孔喷射杆11，经多孔喷射杆11在低温储箱2内喷射而出，用于降低低温储箱2内的压力；其中，所述流量调节阀10用于控制第一路液体和第二路液体的比例，进而控制喷射液体的温度。所述流量调节阀10为精密气动式流量调节阀，通过输入电流信号来调节开度。当需要调节喷射流量时，可改变循环泵4的转速来实现。所述喷射流量由第二流量计5测得。当需要调节喷射液体温度时，可改变流量调节阀10的开度，进而调整被冷却液体的流量比例。所述喷射温度由第二路液体流经流量调节阀10后与第一路液体汇合后进入多孔喷射杆11的管路上的温度计测得，记为喷射温度Tp5，所述被冷却液体的流量由第一流量计6测得。在本申请的技术方案中，将喷射温度Tp5作为反馈源，经过闭环PID模块输出电流信号至流量调节阀10，从而自动控制喷射温度在设定值附近。

本实施例提供的技术方案中，数据采集与控制系统、计算机以及涉及的数据材料、计算、控制等都为已知的技术，可以采用本领域常规技术手段实现。

本实施例提供的方案将喷射温度作为反馈源，经过闭环PID模块输出电流信号至所述气动式流量调节阀，从而将喷射温度控制在设定值附近。由于循环喷射总流量和喷射温度分别由所述循环泵和所述流量调节阀来控制，因此二者具有相对独立性。

本实施例提供的整套循环喷射系统可以对沸点高于77K的两相低温流体储箱进行充分冷却，将饱和态液体冷却为可定量控制的过冷状态；对气液两相流场施加机械扰动和热扰动，从而实现贮箱内的均温和降压。并为储箱内气液喷射混合的可视化研究提供实验方案。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可调式低温储箱液体循环喷射系统，其特征在于，包括：

低温储箱（2）、液体过冷器（7）、循环泵（4）、流量调节阀（10）、多孔喷射杆（11）及液氮储罐（16），

所述低温储箱（2）顶端连接排气管（19）、充液管（20）和增压管（21），所述充液管（20）和增压管（21）分别与液氮储罐（16）的供液端和供气端相连，

所述多孔喷射杆（11）位于低温储箱（2）内，

所述低温储箱（2）底部设置有液氮出口，所述液氮出口通过循环泵（4）后分为两路液体，第一路液体进入液体过冷器（7）中被冷却至过冷状态，第二路液体流经流量调节阀（10）后与第一路液体汇合，一起进入多孔喷射杆（11），经多孔喷射杆（11）在低温储箱（2）内喷射而出，用于降低低温储箱（2）内的压力；

其中，所述流量调节阀（10）用于控制第一路液体和第二路液体的比例，进而控制喷射液体的温度；

所述液体过冷器（7）位于真空绝热腔（1）内部，所述液体过冷器（7）内为敞口液氮池（9），所述敞口液氮池（9）内设置有换热器（8），所述敞口液氮池（9）用于供给换热器（8）冷量，将流经所述换热器（8）的第一路液体冷却至过冷状态；

所述低温储箱（2）、循环泵（4）、流量调节阀（10）以及所述低温储箱（2）与液体过冷器（7）之间的管路位于真空绝热腔（1）内部。

2.根据权利要求1所述的一种可调式低温储箱液体循环喷射系统，其特征在于，所述液氮储罐（16）还设置有用于向敞口液氮池（9）补充液氮的液氮补充管，当敞口液氮池（9）因蒸发或冷却而消耗部分液氮时，由液氮储罐（16）补液至常满状态。

3.根据权利要求1所述的一种可调式低温储箱液体循环喷射系统，其特征在于，在所述液氮出口与循环泵（4）之间的管路上设置有过滤器（3）。

4.根据权利要求1所述的一种可调式低温储箱液体循环喷射系统，其特征在于，所述多孔喷射杆（11）为单根空心封顶杆，所述多孔喷射杆（11）在每个水平高度上均开有朝向正交四方向的喷孔（111），所述多孔喷射杆（11）垂直坐落在所述低温储箱（2）的中心。

5.根据权利要求1所述的一种可调式低温储箱液体循环喷射系统，其特征在于，所述流量调节阀（10）为精密气动式流量调节阀，通过输入电流信号来调节开度。

6.根据权利要求1所述的一种可调式低温储箱液体循环喷射系统，其特征在于，在第一路液体所在管路上设置有第一流量计（6），在第二路液体所在管路上设置有第二流量计（5），所述第二流量计（5）用于测得喷射流量，所述第一流量计（6）用于测得被冷却液体的流量。

7.根据权利要求6所述的一种可调式低温储箱液体循环喷射系统，其特征在于，第二路液体流经流量调节阀（10）后与第一路液体汇合后进入多孔喷射杆（11）的管路前设置有温度计；

所述低温储箱（2）内设置有压力计。

8.根据权利要求7所述的一种可调式低温储箱液体循环喷射系统，其特征在于，可调式低温储箱液体循环喷射系统还包括COMS摄像头（14）、数据采集与控制系统（17）以及计算机（18），

所述低温储箱（2）侧面设置有观察窗（15），所述COMS摄像头（14）位于观察窗（15）外侧，用于记录所述低温储箱（2）的内部动态，

所述数据采集与控制系统（17）分别与COMS摄像头（14）、第二流量计（5）、第一流量计（6）、温度计、压力计、流量调节阀（10）相连，所述数据采集与控制系统（17）用于将COMS摄像头（14）的图像、第二流量计（5）、第一流量计（6）、温度计、压力计、流量调节阀（10）的读数统一采集并显示、保存至计算机（18），所述计算机（18）与循环泵（4）连接，通过计算机程序控制所述循环泵（4）的启停。

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