專利名稱：一種噴淋式主動冷卻裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于空間低溫技術領域，特別涉及一種用于微重力空間下液氫低溫存儲的噴淋式主動冷卻裝置。
背景技術：
低溫推進劑被公認為是未來進入太空及空間軌道轉移最經(jīng)濟、效率最高的化學推進劑，也是進行星球探測的首選推進劑。在太空中，影響和制約低溫推進劑蒸發(fā)與放空的主要因素是微重力空間環(huán)境，同時低溫推進劑長時間在軌應用的核心是如何解決推進劑蒸發(fā)量的控制問題?？臻g系統(tǒng)上實現(xiàn)長周期、低蒸發(fā)損失的低溫流體貯存，是關系未來人類空間探索的重大關鍵技術之一，開展該領域的研究具有重要的學術價值和工程應用意義。而低溫推進劑無損存儲技術(ZBO)是指借助先進的低溫制冷和低溫絕熱等技術平衡低溫推進劑儲槽的漏熱損失，從而使得儲槽內(nèi)低溫推進劑的蒸發(fā)率顯著降低，甚至降低為零，并保持低溫推進劑儲槽內(nèi)部壓力恒定的一種儲存方法。我國載人航天工程已突破天地往返和出艙活動等技術，載人航天任務由中短期太空飛行轉為長期空間駐留，載人空間站工程等后續(xù)任務已提上日程。隨著我國空間技術的發(fā)展，微重力下ZBO儲存技術成為亟待突破的重大科學問題，這對于我國空間技術的突破和載人航天技術的安全實施有著重要的意義。目前針對ZBO技術，科技人員已做了大量的工作，例如美國專利US006073450A “Combined diffuser and recirculation manifold in a propellanttank”提出的ZBO儲倉模型結構包括推進劑儲箱、歧管、歧管管路、增壓氣體管路及排氣管路。歧管位于推進劑儲箱的上部，推進劑儲箱中的氣體通過歧管排出，在歧管孔口淹沒之前停止排氣。通過歧管引導儲箱中低溫液體推進劑的蒸汽再循環(huán)，引出儲箱，冷卻以及引導循環(huán)蒸汽返回儲箱的過程，從而使儲箱中的液體致密。美國專利US005644920A “Liquidpropellant densification”同樣提出一種低溫推進劑儲存系統(tǒng),該系統(tǒng)通過將低溫液體推進劑過冷的方式使其致密化，從而實現(xiàn)在降低蒸汽壓力和操作壓力的同時，同樣的儲箱體積能夠攜帶更多的推進劑。美國專利US20080134693Al“Storage tank for a cryogenicliquid and method of re-filling same”中描述了一種用于儲存低溫液體的低溫儲箱，以及一種低溫液體重注的方式。HoSon等在國際期刊International journal of hydrogenenergy33 (2008)878-888 中的“Nozzle injection displacement mixing in a zeroboil-off hydrogen storage tank”一文提出的ZBO儲倉結構形式包括倉體、換熱器、導管、分配器及噴嘴。由于飛行器在空中運行時，熱量從壁面導入，壁面的最高溫度就是整個流體區(qū)域的最高溫度。通過模擬及實驗可知，倉體中存在著兩個高溫的死滯區(qū)，分別位于貯倉的底部和頂部。如何降低這兩處及整體倉體的溫度就變得十分重要了，雖然HoSon提出的結構形式能降低倉體頂部的高溫及整體倉體溫度，但其中仍存在許多問題，如低溫流體從中間噴口噴出后要經(jīng)過很長的距離才能到達壁面上，此時速度已經(jīng)非常小，不僅起不到很好的冷卻效果，而且由于其方向垂直于貯倉底部壁面，還有可能將壁面上的形成的氣泡壓在壁面上使其更難脫離壁 面，或者將已經(jīng)脫離的氣泡帶回壁面附近，這對液氫的安全儲存非常不利。由于上述專利和現(xiàn)有文獻中涉及的低溫儲箱，沒有充分考慮到儲箱內(nèi)部低溫流體的流場和熱場對于儲箱最高溫度及漏熱量的影響，不能有效地解決倉體底部或者其他位置的高溫區(qū)，這對飛行器的運行和低溫推進劑的消耗都會產(chǎn)生較大影響。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有低溫儲倉系統(tǒng)溫度分布不均勻的缺點，提供了一種冷卻低溫儲倉壁面溫度(尤其是底部壁面溫度)的噴淋式主動冷卻裝置。為了達到以上目的，本實用新型采用的技術方案是:包括倉體以及設置在倉體出口并與倉體相連通的換熱器及布置在換熱器內(nèi)的液體泵，在倉體內(nèi)設置有與換熱器相連通的導管，導管的另一端安裝有與導管相連通的水平環(huán)形分配器及與水平環(huán)形分配器相垂直的導引管，所述的水平環(huán)形分配器的外沿下表面開設有一環(huán)形噴嘴，導引管的下端開設有導引管噴嘴。所述的導引管位于環(huán)形分配器中心處，導引管的中線和環(huán)形分配器以及導管的中
線重合。所述的倉 體半徑為R，導引管出口距離倉體底部的距離為0.1-0.15R，導引管直徑取0.005-0.0lR ;水平環(huán)形分配器的半徑為0.75-0.85R ;環(huán)形噴嘴的寬度為0.01-0.03R ；導管長度為0.53R，直徑為0.0lR0所述的導引管噴嘴張角為0° 20°。所述的環(huán)形噴嘴噴射傾角為-15° 35°。所述的換熱器的換熱管與低溫制冷機相連通。本實用新型在環(huán)形分配器上增加了位于中心的導引管，這樣可以將中心的低溫液體引入倉體底部。經(jīng)過換熱器冷卻的低溫液體通過導管進入環(huán)形分配器，一部分通過周圍的噴嘴噴出，以冷卻周圍液體及壁面溫度，另一部分液體則經(jīng)過導引管進入倉體底部，降低倉體底部的溫度，以此降低了整個倉體的溫度。

圖1是本實用新型的整體結構示意圖；圖2是本實用新型的環(huán)形分配器和導引管出口處噴嘴不同的張角和傾角示意圖；圖3a是本實用新型的低溫流體跡線模擬圖，圖3b是本實用新型低溫流體流動的溫度場圖；圖4是本實用新型與HoSon結構形式儲箱的無量綱溫度比較圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細說明。參見圖1，本實用新型包括與低溫制冷機8相連通的換熱器3，換熱器3設置在倉體I出口并與倉體I相連通，在倉體I內(nèi)設置有與換熱器3相連通的導管2，導管2的另一端安裝有與導管2相連通的水平環(huán)形分配器4及與水平環(huán)形分配器4垂直的導引管6，導引管6位于環(huán)形分配器4中心處，導引管6的中線和環(huán)形分配器4以及導管2的中線重合，所述的水平環(huán)形分配器4的外沿下表面開設有一周環(huán)形噴嘴5，導引管6的下端開設有導引管噴嘴7，倉體I的半徑為R，導引管6出口距離倉體I底部的距離為0.1-0.15R;環(huán)形分配器4的半徑取0.75-0.85R ;環(huán)形噴嘴5的寬度取0.01-0.03R ;導引管6直徑取0.005-0.0lR ；導管2長度取0.53R ;導管2直徑取0.0lR時，冷卻效果達到最好。該系統(tǒng)在一定的工作條件下，開啟液體泵，將部分飽和低溫液體泵送至低溫制冷機8中，將其冷卻至過冷狀態(tài)，然后通過水平分配器和垂直導引管共同作用，將過冷液體噴射至倉內(nèi)，實現(xiàn)倉內(nèi)低溫液體的溫度和壓力控制。換熱器3內(nèi)置有液體泵，泵送飽和低溫液體至換熱器3，并將低溫液體冷卻至過冷狀態(tài)。液體泵可以根據(jù)實際漏熱情況，進行變頻控制，改變液體泵送流量，提高系統(tǒng)能效。本實用新型的工作原理:倉體I由于壁面吸收熱量,使倉體I內(nèi)的液體蒸發(fā),蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體通過倉體I頂部的環(huán)形空隙進入換熱器3放出熱量，從而凝結成低溫液體。低溫液體再經(jīng)過導管2進入環(huán)形分配器4。其中大部分液體經(jīng)過環(huán)形分配器4周圍的噴嘴5噴出，另外的一部分則通過導引管6從倉體I底部的噴嘴噴出，這部分液體用于冷卻倉體底部的壁面，使底部倉體溫度均勻。同時，由于底部液體積聚，將增加對上部液體的擠壓作用，這樣可以延緩頂部流體于倉體壁面的分離速度，增加換熱效果。本實用新型所提供的改進噴淋式ZBO低溫儲倉在整個流體區(qū)域有六個較大的循環(huán)，絕大部分壁面附近的流體都有較高的切向速度。引入的低溫流體對壁面直接進行冷卻，冷卻效率較高，且減少了由于壁面的溫度大于液體的沸點而在壁面形成氣泡的可能。同時液體在壁面附近保持了較高的速度，即使產(chǎn)生了氣泡后也能夠很快的將氣泡帶走，避免氣泡在壁面長時間停留而造成壓力的迅速升高和脫離時產(chǎn)生的壓力波動，有利于延長儲倉的使用壽命。在空間中，由于儲箱的姿態(tài)以及外來輻射的變化，儲箱表面接受的來自外界的熱量也會隨著外界環(huán)境的變化而產(chǎn)生變化，因此可以在換熱效果最優(yōu)的前提下，在導引管出口配置不同張角的噴嘴，且在環(huán)形分配器上配置不同傾角的噴嘴，以有效地降低局部熱量造成的儲箱局部區(qū)域 的高溫，有效抑制熱分層，如圖2所示，導引管噴嘴的張角范圍為0°到20°，圖中所示為張角為10°和張角為20°的情況。環(huán)形分布器噴嘴的傾角范圍為-15°到35°，圖中所示分別為傾角為-15°和傾角為35°的情況。由于在不同時刻，儲箱表面接受的來自外界的熱量大小也會不相同，因此換熱器中配置的液體泵需要根據(jù)熱量隨時間的周期變化曲線進行變頻控制，改變循環(huán)流體的流量，從而將儲箱內(nèi)的低溫流體維持在一個恒定的較低的溫度下，從而避免冷量的浪費，進而提高系統(tǒng)能效。采用本實用新型降低了倉體底部壁面的最高溫度(0.1K)，也降低了整個倉體的平均溫度。圖3為改進后的倉體結構中低溫流體流動的跡線模擬圖和溫度場圖，從圖左中可看出整個流體區(qū)域有三個較大的循環(huán)，絕大部分壁面附近的流體都有較高的切向速度。從圖右可以看到，在貯倉頂部和底部有兩個高溫區(qū)域，其中頂部高溫區(qū)域的形成是由于流體在出口低壓牽引作用下做貼壁向上流動過程中，流體與壁面進行換熱，當流體到達頂部時與壁面發(fā)生了分離，此時此處流體的溫度已經(jīng)較高，冷卻作用下降，因此此處壁面的溫度較高；而底部高溫區(qū)形成的原因是與壁面進行換熱的兩股高溫流體在此處相遇，并形成滯止區(qū)，由于這里的熱量很難被流體帶走，從而使溫度升高。圖4所示為Hoson提出的結構形式和本實用新型結構的儲箱壁面最高無量綱溫度的對比。圖中可以看到，本實用新型結構壁面的最高溫度相較于HoSon中的最高溫度有較大幅度的下降，第一個峰值(底部高溫區(qū))的最大無量綱溫度值從0.045下降到0.038，降低幅度為15.6 %，第二個峰值的最大無量綱溫度值從0.044下降到0.034，降低幅度為22.7%。因此，本實用新型所提出的新結構形式較HoSon結構對壁面的冷卻效果要好很多，從而可以更大程度上減小、液氫因過熱而蒸發(fā)的可能性，有利于液氫的安全儲存。與傳統(tǒng)的噴淋儲倉相比，本實用新型在所述的環(huán)形分配器中心連接一個導引管，這樣可使一部分低溫液體進入倉底，降低倉底的溫度，在儲箱壁面形成了良好的貼壁流動，削弱了壁面附近的滯止區(qū)，減小了壁面附近的高溫區(qū)域的溫度和面積，因此在同樣的漏熱情況下，可使倉體外殼的溫度更趨于均勻，有效抑制熱分層。本實用新型解決了常規(guī)低溫液體主動儲運系統(tǒng)的效率低下問題，對于深冷低溫液體(液氫、液氧、液氮、液氦)的長壽命無損儲運具有重要的現(xiàn)實意義，尤其適用于低溫液體的空間儲存，從而可有效地解決空間能源匱乏問題，提高系統(tǒng)·性能，并延長低溫存儲系統(tǒng)的有效工作周期。
權利要求1.一種噴淋式主動冷卻裝置，其特征在于:包括倉體(I)以及設置在倉體(I)出口并與倉體(I)相連通的換熱器(3 )及布置在換熱器(3 )內(nèi)的液體泵，在倉體(I)內(nèi)設置有與換熱器(3)相連通的導管(2)，導管(2)的另一端安裝有與導管(2)相連通的水平環(huán)形分配器(4)及與水平環(huán)形分配器(4)相垂直的導引管(6)，所述的水平環(huán)形分配器(4)的外沿下表面開設有一環(huán)形噴嘴(5)，導引管(6)的下端開設有導引管噴嘴(7)。
2.根據(jù)權利要求1所述的噴淋式主動冷卻裝置，其特征在于:所述的導引管(6)位于環(huán)形分配器(4)中心處，導引管(6)的中線和環(huán)形分配器(4)以及導管(2)的中線重合。
3.根據(jù)權利要求1所述的噴淋式主動冷卻裝置，其特征在于:所述的倉體(I)半徑為R，導引管(6)出口距離倉體(I)底部的距離為0.1-0.15R，導引管(6)直徑取0.005-0.0lR ；水平環(huán)形分配器(4)的半徑為0.75-0.85R ;環(huán)形噴嘴(5)的寬度為0.01-0.03R ;導管(2)長度為0.53R，直徑為0.0lR0
4.根據(jù)權利要求1所述的噴淋式主動冷卻裝置，其特征在于:所述的導引管噴嘴(7)張角為0° 20°。
5.根據(jù)權利要求1所述的噴淋式主動冷卻裝置，其特征在于:所述的環(huán)形噴嘴(5)噴射傾角為-15° 35°。
6.根據(jù)權利要求1所述的噴淋式主動冷卻裝置，其特征在于:所述的換熱器(3)的換熱管與低溫制冷機(8)相連 通。
專利摘要一種噴淋式主動冷卻裝置，包括倉體以及設置在倉體出口并與倉體相連通的換熱器及布置在換熱器內(nèi)的液體泵，在倉體內(nèi)設置有與換熱器相連通的導管，導管的另一端安裝有與導管相連通的水平環(huán)形分配器及與水平環(huán)形分配器相垂直的導引管，上述的水平環(huán)形分配器的外沿下表面開設有一環(huán)形噴嘴，導引管的下端開設有導引管噴嘴。與傳統(tǒng)的噴淋儲倉相比，本實用新型在環(huán)形分布器中心連接了一個導引管，可使一部分過冷低溫液體進入倉底，達到降低倉底溫度的效果，并在儲箱壁面形成了良好的貼壁流動，削弱了壁面附近的滯止區(qū)，減小了壁面附近高溫區(qū)域的溫度值和面積范圍，有效地抑制了低溫液體的熱分層，實現(xiàn)低溫液體的長壽命存儲和運輸。
文檔編號F17C13/00GK203131421SQ201320104700
公開日2013年8月14日 申請日期2013年3月7日 優(yōu)先權日2013年3月7日
發(fā)明者方明, 劉迎文 申請人:西安交通大學