一种低温液体燃料间歇泉抑制管道

摘要

一种低温液体燃料间歇泉抑制管道，包括连接在低温液体燃料贮箱的下方的主体管道，主体管道外侧设有绝热层，主体管道内部设有回流挡板，回流挡板与主体管道连接，保证回流挡板处于主体管道的偏心位置，同时，回流挡板的长度小于主体管道总长度，确保主体管道底部留出液体回流间隙；本发明在主体管道内加入回流挡板，利用主体管道自身液体循环能力实现对间歇泉的抑制效果；具有结构简单、轻量化、工艺易实现以及安全可靠的特点，极大地减少了为抑制间歇泉而额外引入设备的重量，降低了设备运行和维护成本。

说明书

技术领域

本发明属于流体输送管道技术领域，具体涉及一种低温液体燃料间歇泉抑制管道。

背景技术

低温液体燃料(液氢、液氧、液化天然气)具有无毒、无污染高比冲的优异性能，被广泛应用于工业能源和航天推进领域。由于低温燃料沸点低、潜热小，在环境漏热作用下，低温燃料的输送管道中不可避免地会出现两相流现象，对流体的稳定输送产生不利影响；更为严重的是，在较长的竖直管道中，由于液体沸腾产生的气泡不能及时排出，可能会因此导致管内出现间歇泉现象。间歇泉过程中管道内气液混合物高速喷涌，造成管道和贮箱内气液界面剧烈波动并伴随大幅压力冲击，威胁设备结构安全。据文献分析表明，管道越长间歇泉效应越强，间歇泉出现的可能性以及强度越大。

在运载火箭的液氧燃料输送系统以及大型液化天然气储罐的输送管道中均有间歇泉现象的相关报道，相关学者也对间歇泉现象的抑制方案做了系统研究，并提出燃料输送系统间歇泉现象的抑制方案。间歇泉的产生本质上是由于管内流体处于静止不流动状态，使液体温度不断升高，沸腾产生的气泡在管道内不断累积，最终引发间歇泉的产生。而若液体在管道内能循环流动，一方面可以使液体温度处于较低的状态，另一方面可以使沸腾产生的气泡能及时排出，从而抑制间歇泉的产生。

根据上述间歇泉的产生和抑制机理，在工程实际中，例如在火箭低温燃料的主输送系统中，通过额外加入一根循环回流管道并辅以氦气注入使主输送管道和回流管之间产生流体的循环流动，来抑制间歇泉；该抑制方案系统工艺极为复杂，并且由于引入了另外的辅助设备，使火箭重量明显增加从而降低了火箭的有效载荷。公开号为205479929U的中国实用新型专利公开了“用于低温液体输送耐磨管道的安装结构”，该结构在液体输送主管道中加入了一根同心圆管用于产生流体的循环流动以抑制间歇泉，同样，由于同心管的引入使管道整体重量增大，同时使流体在管内的流动阻力增加，产生额外能耗。另外一种间歇泉抑制方案则是在主输送管道底部连续地加注低温液体，来保持管道内流体的流动状态；该方案由于需要持续地加入低温流体，一方面对低温液体造成了浪费，另一方面不利于长时间的运行和维护。因此，十分有必要设计新型的间歇泉抑制结构，以弥补上述工程中的不足。

发明内容

为了克服现有技术中存在缺点，本发明的目的在于提供一种低温液体燃料间歇泉抑制管道，在主体管道内加入回流挡板，利用主体管道自身液体循环能力实现对间歇泉的抑制效果；具有结构简单、轻量化、工艺易实现以及安全可靠的特点，极大地减少了为抑制间歇泉而额外引入设备的重量，降低了设备运行和维护成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种低温液体燃料间歇泉抑制管道，包括连接在低温液体燃料贮箱1的下方的主体管道2，主体管道2外侧设有绝热层4，主体管道2内部设有回流挡板3，回流挡板3与主体管道2连接，保证回流挡板3处于主体管道2的偏心位置，同时，回流挡板3的长度小于主体管道2总长度，确保主体管道2底部留出液体回流间隙。

所述的回流挡板3处于偏心位置，保证b/D的值在1/4

所述的回流挡板3的形状为直板或者带有弧度的圆板。

所述的回流挡板3底部与主体管道2底部的液体回流间隙a在200mm-1000mm范围内。

所述的低温液体燃料贮箱1内低温液体燃料为液氧、液氢、液甲烷或液化天然气。

所述的低温液体燃料贮箱1、主体管道2以及回流挡板3材料为不锈钢或者铝合金。

所述的绝热层4为泡沫绝热层，均匀喷涂于主体管道2外表面；或为高真空多层绝热层，包裹在主体管道2外表面，高真空多层绝热层采用铝箔反射屏和双面镀铝涤纶薄膜制成。

本发明的技术效果为：

本发明通过使用偏心的回流挡板3将主体管道2内流体分割成一大一小两部分空间；在环境热流作用下，小空间部分的低温流体单位体积受到的环境热流更大，因而气化更快，气化量更大；大空间部分的低温流体气化量相对更小。由于大小两空间内的体积含气率不同，导致流体静压力不同，从而在主体管道2内含有回流挡板3的部分形成循环流动，进而抑制主体管道2内间歇泉的产生。本发明不引入额外间歇泉抑制管道，而是通过加入回流挡板3，利用主体管道2自身的循环回流能力，达到既可抑制间歇泉又可减小主体管道2整体重量的效果。本发明可减轻低温燃料输送系统的重量，降低运行维护成本，对低温燃料输送系统的安全具有重要作用。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意剖面图。

图2是图1中回流挡板与管道连接处的A部放大剖面图。

图3是图2的上视剖面图。

图4中(a)为主体管道2内流体速度图，(b)为(a)的上部流体速度图，(c)为(a)的底部流体速度图。

图5中(a)为未使用间歇泉抑制措施的主体管道2底部压力随时间的变化图；(b)为使用了本发明之后的主体管道2底部压力随时间的变化图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

参照图1、图2和图3，一种低温液体燃料间歇泉抑制管道，包括焊接在低温液体燃料贮箱1的下方的主体管道2，主体管道2外侧设有绝热层4，绝热层4均匀包覆在主体管道2外表面，用以阻隔环境漏热；主体管道2内部设有回流挡板3，回流挡板3与主体管道2焊接，保证回流挡板3处于主体管道2的偏心位置，同时，回流挡板3的长度小于主体管道2总长度，确保主体管道2底部留出液体回流间隙。

所述的低温液体燃料贮箱1内低温液体燃料为液氧、液氢、液甲烷或液化天然气，也能够用作液氩或液氮中的间歇泉抑制。

所述的低温液体燃料贮箱1、主体管道2以及回流挡板3材料为不锈钢或者铝合金。

所述的绝热层4为泡沫绝热层，均匀喷涂于主体管道2外表面；或为高真空多层绝热层，包裹在主体管道2外表面，高真空多层绝热层采用铝箔反射屏和双面镀铝涤纶薄膜制成。

参照图2，所述的回流挡板3处于偏心位置，即保证b/D的值在1/4

参照图1，所述的回流挡板3的形状为直板，回流挡板3底部与主体管道2底部的液体回流间隙a在200mm-1000mm范围内。

本发明的工作原理为：

回流挡板3处于偏心位置，将主体管道2内空间分割成一大一小两部分，形成流体循环通道，使回流挡板3底部与主体管道2底部形成管道底部回流间隙；在环境热流作用下，主体管道2内形成流体的循环流动回路，流体的循环流动方向为：流体从低温液体燃料贮箱1流入主体管道2内通过回流挡板3隔出的大空间内，经过主体管道2底部回流间隙流入小空间内，最终流体回流至低温液体燃料贮箱1内完成循环，主体管道2内流体形成循环流动后可有效抑制间歇泉的产生。

为了验证本发明的技术效果，通过CFD技术对主体管道2内流体整体进行了仿真分析。仿真中主体管道2内径D为50mm，总长度3.5m；回流挡板3厚3mm，底部液体回流间隙a为200mm。图4为主体管道2内流体速度图，从图中可见液体在主体管道2内形成了循环回流，液体从低温液体燃料贮箱1内流入主体管道2内大空间，经主体管道2底部液体回流间隙a和小空间回流至低温液体燃料贮箱1内，流动速度在0.4m/s左右；图4说明了加入回流挡板3后，可使主体管道2内有效地形成循环流动。

图5展示了未使用任何抑制措施和使用了本发明之后的主体管道2底部压力随时间的变化，图(a)中，未使用任何抑制措施的主体管道2内产生了明显的间歇泉现象，压力剧烈波动，产生了明显的压力冲击对主体管道2结构安全产生危害。而使用了本发明后，图(b)中主体管道2内压力无明显波动，间歇泉被有效抑制。这里需要说明的是，虽然图(b)的仿真时间短，小于(a)的仿真时间，但主体管道2内部的温度场、速度场和压力场均达到了稳定的状态，确定不会发生间歇泉现象。通过仿真验证了本发明的有效性。

去获取专利，查看全文>