一种小型氢浆制备可视化实验装置

摘要

一种小型氢浆制备可视化实验装置，包括氢气供给组件，带有制冷机和液氢杜瓦的液化组件，带有复温器、真空泵和搅拌装置的氢浆生成组件以及可视化组件；高压氢气调至适当压力进入液氢杜瓦，启动制冷机使氢气降温直至液化，再通过高压氦气挤压液氢杜瓦中的液氢至氢浆杜瓦中，真空泵抽除氢浆杜瓦中的气体，通过抽空减压闪蒸冷却使氢浆杜瓦内的温度降低，从而获得固氢，同时，采用带磁力联轴器密封的搅拌器打碎固氢，从而获得一定含固量的均匀氢浆；本发明直接采用氢气进行氢浆制取，使少量氢浆的制取更为便利，且氢浆生成速率和搅拌速率可调，可为开展氢浆制备技术、氢浆品质提升及氢浆贮存等各方面的研究提供便利。

说明书

技术领域

本发明涉及低温推进剂致密化获取技术领域，具体涉及一种小型氢浆制备可视化实验装置。

背景技术

由于低温推进剂(液氢/液氧)具有低成本、高比冲、大推力、无毒无污染等优势，在各国研发大型/重型运载火箭时得到了大规模的推广应用。虽然低温推进剂相较于常温燃料优势明显，但目前应用时的热力学状态大部分都处于沸点温度附近，仍然具有密度低、极易蒸发、难以贮存等不足。此时，研究者往往热衷于采用过冷低温推进剂或浆态低温推进剂作为推进燃料，其热力学性能相对于饱和状态会有显著改善，如自身密度增加、气化压力降低、单位体积冷量增大、运动粘度增加等，从而使火箭有效载荷提升、贮箱尺寸减小、贮箱厚度减薄、液体晃动减弱及深空探测范围拓宽等。例如，液氢推进剂从标准沸点(20.39K)过冷至三相点温度(13.8K)，其密度会增加8.8％，单位体积显冷量将会增加20％，从三相点处继续降温，直到出现60％的固氢(俗称氢浆)，密度将增加16.8％，单位体积显冷量增加34％。公开文献报道，液氢密度增加8％，液氧密度增加10％，运载火箭总的起飞重量将减少20％，应用价值相当可观。

随着航天事业的大力发展，氢浆作为一种最具应用前景的推进燃料，理应受到重视，尤其是氢浆制备技术。从理论上来说，氢浆制备可采用低温氦制冷机制备技术、液氢抽空减压制备技术和低温氦气鼓泡制备技术。申请人经过前期大量对比分析，得出氢浆大规模制备并应用于低温火箭燃料中时液氢抽空减压方法制备氢浆是一种最经济可行的方法。对于氢浆来说，其沉淀特性和输运特性是至关重要的，直接决定了其应用的可行性。氢浆中含固质量分数、固体颗粒大小、固体颗粒分布均匀性、氢浆密度分布均匀性对氢浆沉的沉淀特性和输运特性尚需要研究人员通过实验的手段进行深入探究。

目前对于氢浆的研究仅有美国NASA和日本学者开展了初步的工作，其大多都是采用大型氦制冷机方法或抽空减压方法对液氢直接进行冷却产生固氢。对于国内而言，尚未有氢浆制备的相关公开文献报道，因此，对于氢浆的研究目前仍存在诸多技术难题：①对于普通高校研究人员来说，实验研究氢浆最大的问题就是液氢的来源问题，即怎么获取液氢；②通过抽空减压方法怎么实现氢浆制备；③怎么保障固体颗粒大小和氢浆密度均匀性；④氢气泄漏和安全防范问题。因此，亟待开发一种实验用的小型氢浆制备可视化装置，使氢浆的小型制取及可视化观察成为可能。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种小型氢浆制备可视化实验装置，具有氢气液化、氢浆制备、氢浆搅拌、抽速控制、氢浆生产可视化、氢气泄漏保护等功能，为少量氢浆的制取及研究提供技术支持。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种小型氢浆制备可视化实验装置，包括氢气供给组件、液化组件、氢浆生成组件和可视化组件；

所述的氢气供给组件包括高压氢气瓶1，高压氢气瓶1的出口通过管道a

所述的液化组件包括液氢杜瓦5、制冷机6、氮气保护罩7和正仲转化器8，液氢杜瓦5的气体出口通过管道e

所述的氢浆生成组件包括氢浆杜瓦13、步进电机14、磁力联轴器15和搅拌器16，氢浆杜瓦13的顶部设有步进电机14，步进电机14的输出轴通过磁力联轴器15和搅拌器16连接，搅拌器16位于氢浆杜瓦13内；氢浆杜瓦13的出口和管道k

管道n

f

所述的可视化组件包括第一观察窗17、第二观察窗18、LED光源19、照相机20和电脑21，第一观察窗17、第二观察窗18、LED光源19设置在氢浆杜瓦13上，可透过观察窗观察氢浆杜瓦13内的氢浆生成情况；LED光源19为可视化提供冷光源；照相机20拍摄氢浆杜瓦13内的氢浆；电脑21可存储及处理照相机20拍摄到的图像。

所述的第一阀门2为减压阀。

所述的第二阀门4为常温调节阀。

第四阀门11、第七阀门25为截止阀。

所述的第五阀门12为低温截止阀。

所述的第六阀门23为调节阀。

所述的第三阀门9和第八阀门26为卸荷阀，在液氢杜瓦或氢浆杜瓦内压力过高时，开阀排气，从而使杜瓦气相内的压力位于限定值以内。

所述的液氢杜瓦5、氢浆杜瓦13为高真空多层绝热杜瓦，材料为不锈钢，液氢杜瓦5内部靠近上法兰处设置若干个铝制挡板，氢浆杜瓦13内部靠近上法兰处布置聚氨酯泡沫，防止内部冷气对法兰冲击造成表面结霜；杜瓦的绝热方式为高真空多层绝热，防止外界热量进入液氢或氢浆内，造成制冷负荷增加。

所述的制冷机6为G-M制冷机，给氢气液化提供冷量。

所述的氮气保护罩7为填充氮气的不锈钢结构，作用是稀释从制冷机接口处泄漏的氢气浓度，保障氢气的浓度一直处于爆炸浓度范围以下。

所述的正仲转化器8为填充了氧化铁催化剂的正仲转化器，因氢气在温度降低的过程中会发生正仲转化，放出热量，正仲转化器8加快此过程，使正仲氢转化能提前快速完成，利用制冷机6将这部分热量带走，从而使之后的降温过程少受正仲转化的干扰。

所述的步进电机14为防爆等级的步进电机，为搅拌器16提供动力；步进电机14与搅拌器16通过磁力联轴器15连接，步进电机14与搅拌器16分别位于法兰两侧，无直接接触，可避免搅拌器16与法兰之间的摩擦，同时使氢气不易泄露，在减少输入到氢浆杜瓦13中热量的同时会更为安全；步进电机14的转速可以调节，从而调节搅拌器16的搅拌速度。

所述的搅拌器16用来搅拌氢浆液固两相，具有打碎固氢、控制固氢颗粒大小、维持固氢颗粒在液氢中均匀分布的作用，其结构可以是U型、螺旋纽带型、叶片型等。

所述的氢浆杜瓦13开有第一观察窗17、第二观察窗18，可摄制氢浆杜瓦13瓶内部的氢浆制备的动态过程。

所述的氢浆杜瓦13设置有LED冷光源19，可为照相机20提供明亮的拍摄环境。

所述的照相机20为高速摄像机，可拍摄氢浆杜瓦13内的氢浆制取过程。

所述的复温器22为低温换热器，使抽出的氢气在到达真空泵24前达到真空泵24可承受的温度。

所述的真空泵24为变频水环真空泵，作用是抽出氢浆杜瓦13中的氢气，通过抽空减压闪蒸降温的方式制备氢浆。

所述的阻火器27为安全装置，阻止氢气的火焰蔓延，具有防爆和耐烧性能。

所述的管道a

本发明的有益效果为：

本发明装置直接采用氢气进行氢浆制备及品质研究，首先通过G-M制冷机在液氢杜瓦5内获取液氢，采用氦气挤压的方法将液氢转运至氢浆杜瓦13内，再通过抽空减压闪蒸冷却+搅拌破碎的方法制取一定含固量的氢浆产品，解决了市面上液氢难以直接购置的难题，使少量氢浆的制取更为便利，有利于进行氢浆制备关键技术攻关及品质提升、高效贮存等各方面的研究。

本发明装置中的搅拌采用磁力带动叶片旋转的搅拌器16，选取了防爆等级的步进电机14，步进电机14与搅拌器16通过磁力联轴器15连接，步进电机14与搅拌器16分别位于法兰两侧，无直接接触，可避免搅拌器16与法兰之间的摩擦，同时使氢气不易泄露，从而在减少输入到氢浆杜瓦13中热量的同时拥有更高的安全系数。

本发明装置通过调节步进电机14的转速实现搅拌器16的转速控制，可进行氢浆高品质制备的研究。

本发明装置采用了变频水环真空泵与并联管路相结合的调节方式，来控制氢气抽气速率，以此控制氢浆生成的速度，可进行抽气速率与氢浆固体颗粒大小及均匀分布特性的研究。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是双级G-M制冷机双温区负载计算结果。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的技术方案。

参照图1，一种小型氢浆制备可视化实验装置，包括氢气供给组件、液化组件、氢浆生成组件和可视化组件；

所述的氢气供给组件包括高压氢气瓶1，高压氢气瓶1为高压气瓶，高压氢气在高压氢气瓶1中贮存；高压氢气瓶1的出口通过管道a

第一阀门2为减压阀，当第一阀门2打开时，从高压氢气瓶1中排出的高压氢气经管道a

所述的液化组件包括液氢杜瓦5、制冷机6、氮气保护罩7和正仲转化器8，液氢杜瓦5的气体出口通过管道e

第三阀门9为卸荷阀，当液氢杜瓦5内的压力高于限定值，打开第三阀门9以排出氢气，从而使液氢杜瓦5内的压力降低；高压氦气瓶10为高压气瓶，高压氦气由此排出，通过第四阀门11进入液氢杜瓦5，挤压液氢杜瓦5中的液氢至管道i

所述的氢浆生成组件包括氢浆杜瓦13、步进电机14、磁力联轴器15和搅拌器16，氢浆杜瓦13的顶部设有步进电机14，步进电机14的输出轴通过磁力联轴器15和搅拌器16连接，搅拌器16位于氢浆杜瓦13内；氢浆杜瓦13的出口和管道k

管道n

f

氢浆杜瓦13为高真空多层绝热容器，氢浆杜瓦13的顶部通过法兰进行密封，液氢由管道j

所述的可视化组件包括第一观察窗17、第二观察窗18、LED光源19、照相机20和电脑21，第一观察窗17、第二观察窗18、LED光源19设置在氢浆杜瓦13上，第一观察窗17、第二观察窗18为石英材质，可透过观察窗观察氢浆杜瓦13内的氢浆生成情况；LED光源19为可视化提供冷光源；照相机20为高速摄像机，拍摄氢浆杜瓦13内的氢浆；电脑21可存储及处理照相机20拍摄到的图像。

本发明的工作原理是：

在开始进行氢浆制备前，先用高纯氮气充满整个装置，进行一段时间的吹除，以除去装置内的杂质及其余气体。经氮气吹除置换后，不断通入氦气，启动G-M制冷机降低氦气温度，以起到一定的降温预冷作用。经过预冷后，高压高纯氢气从高压氢气瓶1中排出，经过过滤器3后通过第二阀门4调至适当压力，然后进入液氢杜瓦5中，采用双级G-M制冷机6提供冷量，使常温氢气的温度不断降低，最终降至饱和温度，使其液化，液化后的液氢储存在液氢杜瓦5之中。随后高压氦气瓶10中排出的高压氦气挤压液氢杜瓦5中的液氢经第五阀门12进入氢浆杜瓦13中，真空泵24抽除氢浆杜瓦13中的气体，使氢浆杜瓦13内的压力降低，从而通过抽空减压闪蒸降温的方式获取氢浆。之后由步进电机14通过磁力联轴器15带动搅拌器16使固氢颗粒在氢浆杜瓦13中均匀分布，从而获得均匀的氢浆。LED冷光源19开启照明，照相机20可通过第一观察窗17、第二观察窗18拍摄氢浆杜瓦13内的氢浆生成情况。

氢的液化过程采用双级G-M制冷机来实现，假设其中间温度为60K温区，液氢杜瓦5内胆内为20K温区，外部为300K温区。对实验装置的整体漏热进行计算，得到表1结果。

假设氢气的液化量要求为0.5L/h，则可得氢的质量流量为0.01g/s，装置液化时液氢容器的压力为微正压，依据以上数据计算60K温区和20K温区的负载，计算结果如图2所示，通过计算结果可知，只要选择的双级G-M制冷机冷量大于计算结果，就可以满足液氢的液化需求。

表1液氢杜瓦总漏热计算结果

氢浆制备过程采用真空泵抽除氢浆杜瓦13中的气体，通过抽空减压的方式来实现。基于热力学原理，当氢浆杜瓦13内气枕区的压力减小时，所对应的液体的饱和温度将会降低，原本气液界面处热力平衡状态将被打破，气液界面处开始气化，气化吸热使低温推进剂的温度降低到此压力对应的饱和温度时，系统重新进入热力平衡状态，进而温度逐步降低，获得固氢颗粒。获得一定比例的氢浆后，还需要维持一段时间以便于之后进行的观察及研究，对于氢浆杜瓦13的漏热进行计算，得到结果如下表2。

表2氢浆杜瓦总漏热计算结果

假设需要在3.5min内制备出1L氢浆且维持时间不少于6min，依据以上数据进行核算。

在氢浆的制备过程中，通过氢的气化潜热来抵消漏热和液氢凝固成固氢时释放的热量，即：杜瓦漏热·制备时间+凝固热＝气化潜热·气化速率·制备时间。计算得到气化速率为0.042g/s，转换为标况下的抽速为0.467L/s，即只需真空泵的抽速大于0.467L/s即可于3.5min内制备1L氢浆。

获得氢浆后，还需维持一段时间的氢浆状态以进行后续工作，获得的1L氢浆贮存于氢浆杜瓦13之中，氢浆杜瓦13容积相比氢浆体积设有50％的余量，即氢浆杜瓦13容积为1.5L。此时有两种维持固体颗粒的方法，第一种是继续采用抽空减压的方式，用气化潜热来维持，选择抽空减压的抽速为0.001g/s以抵消外界漏热；第二种是不继续用真空泵抽出气体，利用氢浆中固体颗粒的熔化潜热来维持，表3为这两种方法的计算结果。

通过计算可知，方法一需在固氢颗粒体积比大于13.93％时使用，方可满足维持时间的要求，如需在固体颗粒体积比小于13.93％时维持时间更长，则可增大真空泵的抽速以获得更长的维持时间。方法二则需在固氢颗粒体积比大于17.14％时使用，如需在固体颗粒体积比小于17.14％时满足维持时间的要求，可增大氢浆杜瓦容积。

表3固体颗粒维持时间计算结果

通过以上计算，验证了本发明装置采用制冷机液化+真空泵抽空减压的方法制备少量氢浆的可行性，可使用本发明装置进行氢浆制备关键技术、氢浆品质、氢浆贮存等各方面的研究。

以上实施事例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述事例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。