工作于室溫溫區(qū)的用于熱力學(xué)排氣系統(tǒng)研究的模擬系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于研究熱力學(xué)排氣系統(tǒng)的模擬系統(tǒng)，尤其是涉及一種工作于室溫溫區(qū)的用于熱力學(xué)排氣系統(tǒng)研究的模擬系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]低溫推進(jìn)劑(如液氫LH2、液氧L02、液態(tài)甲烷L(zhǎng)CH4等)長(zhǎng)期在軌貯存過(guò)程中，由于空間環(huán)境漏熱，使得低溫推進(jìn)劑汽化從而造成儲(chǔ)箱內(nèi)壓力升高，當(dāng)達(dá)到儲(chǔ)箱設(shè)計(jì)壓力許用值時(shí)，必須給予排放。由于微重力下氣液不明顯分離，若采用定期直接放空的方法，則將導(dǎo)致大量液體排出箱外，造成推進(jìn)劑質(zhì)量損失。尋求一種既可以有效控制儲(chǔ)箱壓力又可以在相同條件下將低溫推進(jìn)劑損失最小化的新技術(shù)手段，對(duì)于低溫推進(jìn)劑的長(zhǎng)期在軌貯存實(shí)為重要。由Rockwe11 Internat1nnal Corporat1n在公開號(hào)為US5398515的美國(guó)專利中提出的熱力學(xué)排氣系統(tǒng)(Thermodynamic Vent System,TVS)便是能夠滿足這一要求的有效解決方案之一，它能夠在地面Ig重力和空間Og重力環(huán)境下實(shí)現(xiàn)只排氣不排液，還可以消除儲(chǔ)箱內(nèi)液體的熱分層，在雙重作用下控制儲(chǔ)箱壓力。但該專利是針對(duì)L02、LH2等低溫流體儲(chǔ)箱的，實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度大、安全要求高、造價(jià)昂貴，不適合熱力學(xué)排氣技術(shù)的共性規(guī)律基礎(chǔ)研究。其儲(chǔ)箱為封閉體，無(wú)法或者不方便更換內(nèi)部換熱單元部件或者對(duì)部件的配置進(jìn)行操作;箱內(nèi)不涉及能夠?qū)崟r(shí)反映儲(chǔ)箱內(nèi)流體熱分層水平的溫度測(cè)量系統(tǒng)和反映液體充注/剩余的液位測(cè)量系統(tǒng)；也缺少對(duì)儲(chǔ)箱內(nèi)氣液兩相流體熱力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行可視化觀察的允許條件。由于低溫流體與大氣環(huán)境之間存在巨大溫場(chǎng)，該專利的儲(chǔ)箱系統(tǒng)絕熱控制不易實(shí)現(xiàn);工作于低溫下的低功耗循環(huán)栗技術(shù)難度大。
[0003]經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外未有在地面利用沸點(diǎn)溫度較高的制冷劑作為模擬工質(zhì)來(lái)提供熱力學(xué)排氣共性技術(shù)研究的裝置或者系統(tǒng)。這種裝置或者系統(tǒng)要求能夠方便、低成本地實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)箱內(nèi)的介質(zhì)熱力學(xué)變化過(guò)程的測(cè)量觀察和熱力學(xué)排氣各組成單元工作性能的評(píng)估，允許箱體頻繁的開啟并替換、配置內(nèi)部的器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、成本低、易于拆裝更換的工作于室溫溫區(qū)的用于熱力學(xué)排氣系統(tǒng)研究的模擬系統(tǒng)。本發(fā)明的模擬系統(tǒng)可有效用于實(shí)現(xiàn)流體在密閉容器內(nèi)受熱發(fā)生氣液相變后的自增壓及排氣控壓過(guò)程模擬。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0006]—種工作于室溫溫區(qū)的用于熱力學(xué)排氣系統(tǒng)研究的模擬系統(tǒng)，包括:
[0007]儲(chǔ)箱:兩端帶有橢圓封頭的圓筒體，用于盛放推進(jìn)劑，其上設(shè)置有推進(jìn)劑輸入管路與排氣管路，在推進(jìn)劑輸入管路與排氣管路上設(shè)置閥門；
[0008]換熱噴射裝置:位于儲(chǔ)箱內(nèi)部，下端與儲(chǔ)箱的內(nèi)部通過(guò)管路連接為循環(huán)回路，在循環(huán)回路上設(shè)有電磁閥與循環(huán)栗，上端設(shè)置出口管，出口管與伸出儲(chǔ)箱外部的推進(jìn)劑輸出管路連通，在推進(jìn)劑輸出管路上設(shè)置電磁閥；
[0009]加熱器:設(shè)置在儲(chǔ)箱外側(cè)，用于模擬儲(chǔ)箱漏熱；
[0010]補(bǔ)氣增壓管路:與儲(chǔ)箱內(nèi)部相通，用于向儲(chǔ)箱內(nèi)增壓；
[0011]傳感器:包括監(jiān)測(cè)儲(chǔ)箱內(nèi)部、推進(jìn)劑輸入管路、推進(jìn)劑輸出管路與排氣管路上壓力、流量、液位、溫度的壓力傳感器、流量傳感器、差壓液位傳感器及溫度傳感器；
[0012]數(shù)據(jù)采集儀:與傳感器連接，采集傳感器的數(shù)據(jù)并傳輸給計(jì)算機(jī)；
[0013]計(jì)算機(jī):接收傳感器的數(shù)據(jù)，并作邏輯判斷后，通過(guò)邏輯控制器發(fā)送命令控制電磁閥與循環(huán)栗的開啟與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)符合熱力學(xué)排氣規(guī)律要求的自動(dòng)化控制。
[0014]所述的換熱噴射裝置包括三套管式換熱器、分液器、安裝法蘭及噴射器，所述的三套管式換熱器包括同心設(shè)置的內(nèi)管、中間管及外管，所述的內(nèi)管、所述的中間管與外管之間的夾層同時(shí)與所述的分液器連通，構(gòu)成三套管式換熱器的一個(gè)雙程換熱通道，所述的內(nèi)管與中間管之間的夾層為三套管式換熱器的另一個(gè)換熱通道，且所述的內(nèi)管與中間管之間的夾層連通入口管與出口管，所述的安裝法蘭同時(shí)與內(nèi)管、中間管及外管焊接連接，且安裝法蘭中心開設(shè)與內(nèi)管內(nèi)部連通的開口，所述的噴射器安裝在外管外壁上，并和中間管與外管之間的夾層相通。所述的內(nèi)管與中間管之間的夾層沿軸向螺旋纏繞擾動(dòng)絲，且該擾動(dòng)絲緊貼內(nèi)管外壁，所述的中間管與外管之間的夾層沿軸向螺旋纏繞擾動(dòng)絲，且該擾動(dòng)絲緊貼中間管外壁。所述的擾動(dòng)絲為紫銅絲。通過(guò)設(shè)置擾動(dòng)絲，增強(qiáng)流體擾動(dòng)，提高了換熱器效率。
[0015]所述的分液器為由頂面與底面組成的腔體結(jié)構(gòu)，所述的分液器的底面同時(shí)與內(nèi)管、中間管及外管連接，所述的分液器的底面中間開設(shè)有與內(nèi)管相通的圓孔，在圓孔的周圍開設(shè)有扇形開孔，所述的扇形開孔和中間管與外管之間的夾層相通。所述的分液器的頂面為外凸的曲面形狀，曲面形狀減少了流體經(jīng)由所述分液器進(jìn)入所述三套管式換熱器外管與中間管之間的夾層時(shí)產(chǎn)生的能量損失。
[0016]所述的噴射器共有若干組，每組噴射器位于外管外壁的一個(gè)平面上，不同組噴射器之間平行設(shè)置，每組噴射器共有4個(gè)，沿外管外壁成四分圓周切向分布，所述的噴射器為光滑過(guò)渡的L形噴射管，入口端垂直連通在外管側(cè)壁上，出口端平行于外管圓周切向方向。所述的噴射器在外管圓周方向相隔90度沿切向噴射流體，噴射器實(shí)現(xiàn)了低溫推進(jìn)劑在儲(chǔ)箱內(nèi)的擾動(dòng)，增強(qiáng)了消除熱分層的效果。所述的噴射器的出口端內(nèi)側(cè)開設(shè)有螺紋，可以通過(guò)在噴射器的出口端是否擰入螺紋堵頭來(lái)實(shí)現(xiàn)按需的非均勻噴射，以適應(yīng)實(shí)際在軌低溫推進(jìn)劑儲(chǔ)箱太陽(yáng)向背時(shí)非均勻熱流密度的情況。同理，也可以在噴射器的出口端外側(cè)開設(shè)螺紋，擰入封閉的螺帽來(lái)堵住噴射器。
[0017]所述的換熱噴射裝置實(shí)現(xiàn)了兩股流體換熱并將其中一股流體噴射返回儲(chǔ)箱耦合為一體的雙重功能。.
[0018]所述的儲(chǔ)箱兩端分別為上端封頭與下端封頭，上端封頭通過(guò)連接法蘭與儲(chǔ)箱主體相連，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)箱的敞開和密閉，當(dāng)需要安裝、更換儲(chǔ)箱內(nèi)部被測(cè)部件時(shí)，可通過(guò)打開連接法蘭并移走上端封頭實(shí)現(xiàn);所述的安裝法蘭固定于儲(chǔ)箱下端封頭的內(nèi)側(cè)底部，且在儲(chǔ)箱外部設(shè)有循環(huán)管路，該循環(huán)管路頭端連接在下端封頭上，并與儲(chǔ)箱內(nèi)部連通，該循環(huán)管路尾端通過(guò)安裝法蘭上的開口與內(nèi)管內(nèi)部連通。
[0019]由循環(huán)管路頭端向尾端方向，在循環(huán)管路上順序設(shè)置有電磁閥、閥門、過(guò)濾器、流量傳感器、循環(huán)栗、流量傳感器及電磁閥，在循環(huán)栗與流量傳感器之間引出節(jié)流管路，并且該節(jié)流管路與入口管相連通，在節(jié)流管路上設(shè)有電磁閥及節(jié)流閥，過(guò)濾器用于防止雜質(zhì)進(jìn)入流量計(jì)中。
[0020]所述的排氣管路上順序設(shè)置有閥門、流量傳感器及閥門，所述的推進(jìn)劑輸出管路上設(shè)有電磁閥，所述的補(bǔ)氣增壓管路上設(shè)有閥門，所述的補(bǔ)氣增壓管路與氮?dú)馄窟B接，所述的推進(jìn)劑輸入管路上設(shè)有閥門，所述的壓力傳感器通過(guò)管路直接與儲(chǔ)箱內(nèi)部連通。
[0021]所述的儲(chǔ)箱外壁對(duì)稱開設(shè)有兩個(gè)觀察窗，用于通過(guò)高速相機(jī)觀察儲(chǔ)箱內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)規(guī)律。
[0022]所述的儲(chǔ)箱底部設(shè)有三個(gè)帶滾輪的支腿，使得儲(chǔ)箱可以方便移動(dòng)，三個(gè)支腿中部均有環(huán)氧板隔層以減少儲(chǔ)箱通過(guò)支腿的漏熱。
[0023]所述的差壓液位傳感器布置在儲(chǔ)箱外底部，用于測(cè)量?jī)?chǔ)箱的液位，與差壓液位傳感器相連的氣相引壓管與液相引壓管均沿儲(chǔ)箱內(nèi)壁面布置，不僅降低了外界環(huán)境漏熱的影響，也減少了對(duì)于儲(chǔ)箱內(nèi)流體流場(chǎng)及溫場(chǎng)的影響。在儲(chǔ)箱內(nèi)設(shè)置一垂桿，在垂桿上等間距布置有溫度傳感器。垂桿為細(xì)環(huán)氧桿，降低了垂桿自身導(dǎo)熱對(duì)于儲(chǔ)箱內(nèi)溫場(chǎng)的影響。
[0024]所述的加熱器由緊貼儲(chǔ)箱外壁面的四片功率可調(diào)的半開式加熱瓦組成，既可以模擬儲(chǔ)箱均勻漏熱，也可以模擬儲(chǔ)箱非均勻漏熱。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0026]1、本發(fā)明中采用了新的換熱噴射裝置，將兩股流體換熱與其中一股返回儲(chǔ)箱的流體噴射雙重功能耦合為一體，并且換熱噴射裝置為獨(dú)立的裝置，采用法蘭連接，方便安裝、拆卸和更換。，換熱噴射裝置所用換熱器為三套管式換熱器，通過(guò)增加換熱面積提高了換熱效率。通過(guò)儲(chǔ)箱內(nèi)留存流體與排出流體之間的間壁式換熱，實(shí)現(xiàn)留存流體的溫度均勻化;換熱噴射裝置換熱器中流道螺旋布有擾動(dòng)絲，使得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、換熱效率高；換熱噴射裝置采用四分圓周切向分布的若干組噴射器進(jìn)行噴射，攪動(dòng)效果明顯，還可容易地改變噴射頭的有效數(shù)量和分布，來(lái)實(shí)現(xiàn)按需的非均勻噴射，以適應(yīng)實(shí)際在軌低溫推進(jìn)劑儲(chǔ)箱太陽(yáng)向背時(shí)非均勻熱流密度的情況。換熱噴射裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、換熱效率高、噴射效果明顯，可有效消除低溫推進(jìn)劑儲(chǔ)箱中的熱分層，達(dá)到輔助控制低溫推進(jìn)劑儲(chǔ)箱壓力的目的，有助于實(shí)現(xiàn)低溫推進(jìn)劑的長(zhǎng)期存儲(chǔ)。
[0027]2、本發(fā)明系統(tǒng)中，用于熱力學(xué)排氣系統(tǒng)研究的所有組件都在室溫溫區(qū)下工作，降低了對(duì)循環(huán)栗、液位計(jì)、流量計(jì)等設(shè)備的技術(shù)和成本要