工作于室温温区的用于热力学排气系统研究的模拟系统

摘要

本发明涉及一种工作于室温温区的用于热力学排气系统研究的模拟系统，其中储箱用于盛放推进剂，其上设置有推进剂输入管路与排气管路，换热喷射装置位于储箱内部，耦合了换热与喷射双重功能，加热器设置在储箱外侧，用于模拟储箱漏热，补气增压管路用于向储箱内增压，在储箱及储箱上设置的管路上设置有传感器，数据采集仪与传感器连接，采集传感器的数据并传输给计算机，计算机接收传感器的数据，并作逻辑判断后，通过逻辑控制器发送命令控制管路上阀门及循环泵的启闭，实现符合热力学排气规律要求的自动化控制。本发明工作在室温温区，系统结构简单、安全可靠，可有效用于实现流体在密闭容器内受热发生气液相变后的自增压及排气控压过程模拟。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于研究热力学排气系统的模拟系统，尤其是涉及一种工作于室温温区的用于热力学排气系统研究的模拟系统。

背景技术

低温推进剂(如液氢LH₂、液氧LO₂、液态甲烷LCH₄等)长期在轨贮存过程中，由于空间环境漏热，使得低温推进剂汽化从而造成储箱内压力升高，当达到储箱设计压力许用值时，必须给予排放。由于微重力下气液不明显分离，若采用定期直接放空的方法，则将导致大量液体排出箱外，造成推进剂质量损失。寻求一种既可以有效控制储箱压力又可以在相同条件下将低温推进剂损失最小化的新技术手段，对于低温推进剂的长期在轨贮存实为重要。由RockwellInternationnalCorporation在公开号为US5398515的美国专利中提出的热力学排气系统(ThermodynamicVentSystem,TVS)便是能够满足这一要求的有效解决方案之一，它能够在地面1g重力和空间0g重力环境下实现只排气不排液，还可以消除储箱内液体的热分层，在双重作用下控制储箱压力。但该专利是针对LO₂、LH₂等低温流体储箱的，实现技术难度大、安全要求高、造价昂贵，不适合热力学排气技术的共性规律基础研究。其储箱为封闭体，无法或者不方便更换内部换热单元部件或者对部件的配置进行操作；箱内不涉及能够实时反映储箱内流体热分层水平的温度测量系统和反映液体充注/剩余的液位测量系统；也缺少对储箱内气液两相流体热力学状态进行可视化观察的允许条件。由于低温流体与大气环境之间存在巨大温场，该专利的储箱系统绝热控制不易实现；工作于低温下的低功耗循环泵技术难度大。

经检索发现，国内外未有在地面利用沸点温度较高的制冷剂作为模拟工质来提供热力学排气共性技术研究的装置或者系统。这种装置或者系统要求能够方便、低成本地实现储箱内的介质热力学变化过程的测量观察和热力学排气各组成单元工作性能的评估，允许箱体频繁的开启并替换、配置内部的器件。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、安全可靠、成本低、易于拆装更换的工作于室温温区的用于热力学排气系统研究的模拟系统。本发明的模拟系统可有效用于实现流体在密闭容器内受热发生气液相变后的自增压及排气控压过程模拟。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种工作于室温温区的用于热力学排气系统研究的模拟系统，包括：

储箱：两端带有椭圆封头的圆筒体，用于盛放推进剂，其上设置有推进剂输入管路与排气管路，在推进剂输入管路与排气管路上设置阀门；

换热喷射装置：位于储箱内部，下端与储箱的内部通过管路连接为循环回路，在循环回路上设有电磁阀与循环泵，上端设置出口管，出口管与伸出储箱外部的推进剂输出管路连通，在推进剂输出管路上设置电磁阀；

加热器：设置在储箱外侧，用于模拟储箱漏热；

补气增压管路：与储箱内部相通，用于向储箱内增压；

传感器：包括监测储箱内部、推进剂输入管路、推进剂输出管路与排气管路上压力、流量、液位、温度的压力传感器、流量传感器、差压液位传感器及温度传感器；

数据采集仪：与传感器连接，采集传感器的数据并传输给计算机；

计算机：接收传感器的数据，并作逻辑判断后，通过逻辑控制器发送命令控制电磁阀与循环泵的开启与关闭，实现符合热力学排气规律要求的自动化控制。

所述的换热喷射装置包括三套管式换热器、分液器、安装法兰及喷射器，所述的三套管式换热器包括同心设置的内管、中间管及外管，所述的内管、所述的中间管与外管之间的夹层同时与所述的分液器连通，构成三套管式换热器的一个双程换热通道，所述的内管与中间管之间的夹层为三套管式换热器的另一个换热通道，且所述的内管与中间管之间的夹层连通入口管与出口管，所述的安装法兰同时与内管、中间管及外管焊接连接，且安装法兰中心开设与内管内部连通的开口，所述的喷射器安装在外管外壁上，并和中间管与外管之间的夹层相通。所述的内管与中间管之间的夹层沿轴向螺旋缠绕扰动丝，且该扰动丝紧贴内管外壁，所述的中间管与外管之间的夹层沿轴向螺旋缠绕扰动丝，且该扰动丝紧贴中间管外壁。所述的扰动丝为紫铜丝。通过设置扰动丝，增强流体扰动，提高了换热器效率。

所述的分液器为由顶面与底面组成的腔体结构，所述的分液器的底面同时与内管、中间管及外管连接，所述的分液器的底面中间开设有与内管相通的圆孔，在圆孔的周围开设有扇形开孔，所述的扇形开孔和中间管与外管之间的夹层相通。所述的分液器的顶面为外凸的曲面形状，曲面形状减少了流体经由所述分液器进入所述三套管式换热器外管与中间管之间的夹层时产生的能量损失。

所述的喷射器共有若干组，每组喷射器位于外管外壁的一个平面上，不同组喷射器之间平行设置，每组喷射器共有4个，沿外管外壁成四分圆周切向分布，所述的喷射器为光滑过渡的L形喷射管，入口端垂直连通在外管侧壁上，出口端平行于外管圆周切向方向。所述的喷射器在外管圆周方向相隔90度沿切向喷射流体，喷射器实现了低温推进剂在储箱内的扰动，增强了消除热分层的效果。所述的喷射器的出口端内侧开设有螺纹，可以通过在喷射器的出口端是否拧入螺纹堵头来实现按需的非均匀喷射，以适应实际在轨低温推进剂储箱太阳向背时非均匀热流密度的情况。同理，也可以在喷射器的出口端外侧开设螺纹，拧入封闭的螺帽来堵住喷射器。

所述的换热喷射装置实现了两股流体换热并将其中一股流体喷射返回储箱耦合为一体的双重功能。.

所述的储箱两端分别为上端封头与下端封头，上端封头通过连接法兰与储箱主体相连，实现储箱的敞开和密闭，当需要安装、更换储箱内部被测部件时，可通过打开连接法兰并移走上端封头实现；所述的安装法兰固定于储箱下端封头的内侧底部，且在储箱外部设有循环管路，该循环管路头端连接在下端封头上，并与储箱内部连通，该循环管路尾端通过安装法兰上的开口与内管内部连通。

由循环管路头端向尾端方向，在循环管路上顺序设置有电磁阀、阀门、过滤器、流量传感器、循环泵、流量传感器及电磁阀，在循环泵与流量传感器之间引出节流管路，并且该节流管路与入口管相连通，在节流管路上设有电磁阀及节流阀，过滤器用于防止杂质进入流量计中。

所述的排气管路上顺序设置有阀门、流量传感器及阀门，所述的推进剂输出管路上设有电磁阀，所述的补气增压管路上设有阀门，所述的补气增压管路与氮气瓶连接，所述的推进剂输入管路上设有阀门，所述的压力传感器通过管路直接与储箱内部连通。

所述的储箱外壁对称开设有两个观察窗，用于通过高速相机观察储箱内部气液两相流动规律。

所述的储箱底部设有三个带滚轮的支腿，使得储箱可以方便移动，三个支腿中部均有环氧板隔层以减少储箱通过支腿的漏热。

所述的差压液位传感器布置在储箱外底部，用于测量储箱的液位，与差压液位传感器相连的气相引压管与液相引压管均沿储箱内壁面布置，不仅降低了外界环境漏热的影响，也减少了对于储箱内流体流场及温场的影响。在储箱内设置一垂杆，在垂杆上等间距布置有温度传感器。垂杆为细环氧杆，降低了垂杆自身导热对于储箱内温场的影响。

所述的加热器由紧贴储箱外壁面的四片功率可调的半开式加热瓦组成，既可以模拟储箱均匀漏热，也可以模拟储箱非均匀漏热。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明中采用了新的换热喷射装置，将两股流体换热与其中一股返回储箱的流体喷射双重功能耦合为一体，并且换热喷射装置为独立的装置，采用法兰连接，方便安装、拆卸和更换。，换热喷射装置所用换热器为三套管式换热器，通过增加换热面积提高了换热效率。通过储箱内留存流体与排出流体之间的间壁式换热，实现留存流体的温度均匀化；换热喷射装置换热器中流道螺旋布有扰动丝，使得结构简单、紧凑、换热效率高；换热喷射装置采用四分圆周切向分布的若干组喷射器进行喷射，搅动效果明显，还可容易地改变喷射头的有效数量和分布，来实现按需的非均匀喷射，以适应实际在轨低温推进剂储箱太阳向背时非均匀热流密度的情况。换热喷射装置结构简单、换热效率高、喷射效果明显，可有效消除低温推进剂储箱中的热分层，达到辅助控制低温推进剂储箱压力的目的，有助于实现低温推进剂的长期存储。

2、本发明系统中，用于热力学排气系统研究的所有组件都在室温温区下工作，降低了对循环泵、液位计、流量计等设备的技术和成本要求，本发明系统试验安全性高，非常适合用于在安全可靠和低成本的先决条件下，摸索和揭示用于气液相变流体的热力学排气技术的基本共性规律。

3、本发明系统中，设置有多个包括监测储箱内部、推进剂输入管路、推进剂输出管路与排气管路上压力、流量、液位、温度的压力传感器、流量传感器、差压液位传感器及温度传感器，并且数据采集仪与传感器连接，采集传感器的数据并传输给计算机，计算机接收传感器的数据，并作逻辑判断后，通过逻辑控制器发送命令控制电磁阀与循环泵的开启与关闭，实现符合热力学排气规律要求的自动化控制。因此，本发明系统中采用自动化方式进行热力学排气系统研究。

附图说明

图1为本发明模拟系统的结构示意图；

图2为图1中虚线框I内的具体三维结构示意图；

图3为图2中虚线框II内局部剖视结构示意图；

图4为换热喷射装置的立体结构示意图；

图5为换热喷射装置的剖视结构示意图；

图6为图4中A-A面剖视结构示意图；

图7为图4中B-B面剖视结构示意图；

图8为图5中C处放大结构示意图。

图中标号：1为储箱，2为垂杆，3为换热喷射装置，4为差压液位传感器，5、10、13、19为电磁阀，6、16、18、21为截止阀、29为阀门，7为过滤器，8、11、17为流量传感器，9为循环泵，12为节流阀，14为加热器，15为压力传感器，20为补气增压管路，22为计算机，23为逻辑控制器，24为数据采集仪，25为隔层，26为观察窗，27为连接法兰，28为上端封头，30为安装法兰，31为三套管式换热器，32为分液器，33为喷射器，34为扇形开孔，35为内管，36为中间管，37为外管，38为出口管，39为扰动丝，40为入口管。

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。

实施例

一种工作于室温温区的用于热力学排气系统研究的模拟系统，如图1～图3所示，包括储箱1、换热喷射装置3、加热器14、补气增压管路20、数据采集仪24及计算机22，其中，储箱1两端带有椭圆封头的圆筒体，用于盛放推进剂，其上设置有推进剂输入管路与排气管路，在推进剂输入管路与排气管路上设置阀门；换热喷射装置3位于储箱1内部，下端与储箱1的内部通过管路连接为循环回路，在循环回路上设有电磁阀与循环泵9，上端设置出口管38，出口管38与伸出储箱1外部的推进剂输出管路连通，在推进剂输出管路上设置电磁阀；加热器14设置在储箱1外侧，用于模拟储箱1漏热；补气增压管路20与储箱1内部相通，用于向储箱1内增压；传感器包括监测储箱1内部、推进剂输入管路、推进剂输出管路与排气管路上压力、流量、液位、温度的压力传感器15、流量传感器8、11、17、差压液位传感器4及温度传感器；数据采集仪24与传感器连接，采集传感器的数据并传输给计算机22；计算机22接收传感器的数据，并作逻辑判断后，通过逻辑控制器23发送命令控制电磁阀、阀门与循环泵9的开启与关闭，实现符合热力学排气规律要求的自动化控制。

本实施例的储箱1为直径450mm，高790mm，壁厚3mm，两端带有长短轴2:1椭圆封头的圆筒体，储箱1两端分别为上端封头28与下端封头，上端封头28通过连接法兰27与储箱主体相连，实现储箱1的敞开和密闭，当需要安装、更换储箱内部被测部件时，可通过打开连接法兰27并移走上端封头实现；安装法兰30固定于储箱1下端封头的内侧底部，且在储箱1外部设有循环管路，该循环管路头端连接在下端封头上，并与储箱1内部连通，该循环管路尾端通过安装法兰30上的开口与内管35内部连通。

由循环管路头端向尾端方向，在循环管路上顺序设置有电磁阀5、截止阀6、过滤器7、流量传感器8、循环泵9、流量传感器11及电磁阀13，在循环泵9与流量传感器11之间引出节流管路，并且该节流管路与入口管40相连通，在节流管路上设有电磁阀10及节流阀12。

排气管路上顺序设置有截止阀16、流量传感器17及截止阀18，推进剂输出管路上设有电磁阀19，补气增压管路20上设有截止阀21，补气增压管路20与氮气瓶连接，推进剂输入管路上设有阀门29，压力传感器15通过管路直接与储箱1内部连通。流量传感器17测量的是从储箱蒸发出来的制冷剂气体流量，该流量计只在测量储箱实际漏热阶段使用，在TVS作用阶段该流量计是不使用的，此时储箱制冷剂气体通过电磁阀19所在管路排出。

储箱1外壁对称开设有两个观察窗26，用于通过高速相机观察储箱内部气液两相流动规律。储箱1底部设有三个带滚轮的支腿，使得储箱1可以方便移动，三个支腿中部均有厚度为50mm的环氧板隔层25以减少储箱1通过支腿的漏热。

差压液位传感器4布置在储箱1外底部，用于测量储箱1的液位，与差压液位传感器4相连的气相引压管与液相引压管均沿储箱1内壁面布置，不仅降低了外界环境漏热的影响，也减少了对于储箱1内流体流场及温场的影响。

在储箱1内设置一垂杆2，在垂杆2上等间距布置有温度传感器。垂杆2为直径5mm的细环氧杆，一端通过螺纹固定在储箱上端封头内侧顶部，竖直悬挂于储箱内部，可拆卸更换，降低了垂杆自身导热对于储箱1内温场的影响。

加热器14由紧贴储箱1外壁面的四片功率可调的半开式加热瓦组成，本实施例中，半开式加热瓦最高功率为220W，既可以模拟储箱均匀漏热，也可以模拟储箱非均匀漏热。

如图4-8所示，换热喷射装置3包括三套管式换热器31、分液器32、安装法兰30及喷射器33，三套管式换热器31包括同心设置的外径分别为φ14mm、φ19mm和φ24mm的内管35、中间管36及外管37，内管35、中间管36与外管37之间的夹层同时与分液器32连通，构成三套管式换热器31的一个双程换热通道，内管35与中间管36之间的夹层为三套管式换热器31的另一个换热通道，且内管35与中间管36之间的夹层连通入口管40与出口管38，安装法兰30同时与内管35、中间管36及外管37焊接连接，且安装法兰30中心开设与内管35内部连通的开口，喷射器33安装在外管37外壁上，并和中间管36与外管37之间的夹层相通。内管35与中间管36之间的夹层沿轴向螺旋缠绕扰动丝39，且该扰动丝39紧贴内管35外壁，中间管36与外管37之间的夹层沿轴向螺旋缠绕扰动丝39，且该扰动丝39紧贴中间管36外壁。扰动丝39为直径为1.5mm的紫铜丝。通过设置扰动丝39，增强流体扰动，提高了换热器效率。

分液器32为由顶面与底面组成的腔体结构，分液器32的底面同时与内管35、中间管36及外管37连接，分液器32的底面中间开设有与内管35相通的圆孔，在圆孔的周围开设有扇形开孔34，扇形开孔34和中间管36与外管37之间的夹层相通。分液器32的顶面为外凸的曲面形状，曲面形状减少了流体经由所述分液器进入所述三套管式换热器外管与中间管之间的夹层时产生的能量损失。

喷射器33共有若干组，每组喷射器33位于外管37外壁的一个平面上，不同组喷射器33之间平行设置，轴向距离为24mm，每组喷射器33共有4个，沿外管37外壁成四分圆周切向分布，喷射器33为光滑过渡的L形喷射管，入口端垂直连通在外管37侧壁上，出口端平行于外管37圆周切向方向。喷射器在外管圆周方向相隔90度沿切向喷射流体，喷射器实现了低温推进剂在储箱内的扰动，增强了消除热分层的效果。喷射器的出口端内径为2mm，内侧开设有螺纹，可以通过在喷射器的出口端是否拧入螺纹堵头来实现按需的非均匀喷射，以适应实际在轨低温推进剂储箱太阳向背时非均匀热流密度的情况。同理，也可以在喷射器的出口端外侧开设螺纹，拧入封闭的螺帽来堵住喷射器。

换热喷射装置3实现了两股流体换热并将其中一股流体喷射返回储箱1耦合为一体的双重功能。

本发明的模拟系统使用时的操作如下：

最初截止阀6、16、18、21、29均处于关闭，电磁阀5、10、13、19均处于关闭状态，首先打开阀门29通过充灌口将R141b制冷剂工质加入储箱1中，加注过程中通过差压液位传感器4读取储箱中实时液位，直到储箱液位达到预定值，停止加注，关闭阀门29。将加热器14调到预定功率，开启截止阀16、18，待流量传感器17读数稳定后，分别记录流量传感器17的读数v、压力传感器15的读数P及压力传感器17之前的温度计的读数T。通过式(1)计算实际进入储箱的热量

Q＝v.ρ.Δh(1)

式中ρ为工质在压力P、温度T状态下的密度，Δh为工质在压力P下的汽化潜热。

获得实际进入储箱的热量后，关闭截止阀16、18，进行热力学排气系统(TVS)作用下的压力控制过程：随着热量不断进入储箱，箱内的压力逐渐升高，当由压力传感器15测得的气枕压力P_气枕达到预定压力控制带的上限P_max时，在逻辑控制器23作用下开启电磁阀5、13及循环泵9，运行喷射器33，循环泵9抽取储箱中的液体或气液两相流，将它直接压入喷射器33后喷出返回储箱，以此搅动储箱内的液体，消除热分层，降低储箱的压力，直到储箱的压力降低到压力带下限P_min。在喷射器33工作过程中，当储箱液体介质温度对应的饱和压力P_sat达到压力带的下限时，通过逻辑控制器23开启电磁阀10、19，运行节流阀12和套管式换热器31，循环泵9送出的部分液体通过节流阀12降温得到过冷流体，并进入套管式换热器31冷端与换热器热端流动的液体进行热交换，吸收热量后自身温度升高并完全汽化，排出储箱；而换热器热端的流体则被冷却后回到储箱内与其余储液混合，电磁阀10、19随之后的电磁阀5、13及循环泵9的关闭而关闭。在完成一个上述TVS作用下的压力控制周期后，储箱压力重新开始升高，直至再次达到压力带上限P_max，进入下一个TVS作用下的压力控制周期。如此连续运行，便可实现TVS作用下储箱压力长时间连续周期性变化的模拟。试验过程中通过差压液位传感器4、压力传感器15、流量传感器8、11可以实时获得储箱中液位、气隙压力、泵流量、节流抽比等物理量，通过布置在储箱内壁面、流量传感器前后、节流阀前后、排气口处以及垂杆上的温度传感器可获得相应位置的温度和储箱中的热分层情况。另外，试验过程中还可以利用高速相机通过观察窗26进行储箱内气液相变规律的可视化研究。试验完成后开启阀门6，可以将储箱剩余工质排出。

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。