本發(fā)明屬于預(yù)冷，尤其是涉及一種低溫液體輸送管干式預(yù)冷系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、液體火箭低溫推進(jìn)劑的輸送、加注速度是提升發(fā)射頻率的關(guān)鍵，當(dāng)前火箭主流推進(jìn)劑包含液氫、液氧、液態(tài)甲烷等，常壓下的液體飽和溫度分別為20.28k、90.19k、111.66k，均為低溫液體。這類低溫推進(jìn)劑發(fā)射準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、加注流程復(fù)雜，一般需花費(fèi)3-4天才能完成液相輸送管道置換預(yù)冷與箭體燃料貯箱加注。這是因?yàn)?，輸送低溫流體的管道必須確保高純度無(wú)氣體污染，具有嚴(yán)格氣體吹掃置換流程，避免雜質(zhì)氣體接觸低溫流體凝固形成顆粒，堵塞管道致使爆炸；另一方面，基于安全設(shè)計(jì)的大型低溫推進(jìn)劑儲(chǔ)罐與發(fā)射臺(tái)距離數(shù)百米，同時(shí)火箭燃料貯箱容積巨大，輸送管道與貯箱整體的熱容與漏熱較大，為避免低溫流體直接加注時(shí)發(fā)生劇烈沸騰，管道與貯箱短時(shí)承受過(guò)大熱應(yīng)力，管內(nèi)空間產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，減少低溫推進(jìn)劑消耗，要求預(yù)冷降溫需要逐步進(jìn)行。這又導(dǎo)致另一問(wèn)題：小流量低溫流體預(yù)冷下的管道處于分層流流型，管道頂?shù)诇夭畲?，同樣?huì)對(duì)管道性能產(chǎn)生不利影響。

2、綜上所述，提高低溫運(yùn)載火箭高頻、高效的發(fā)射任務(wù)，必須具有快速輸送與加注低溫推進(jìn)劑能力。傳統(tǒng)管道、貯箱預(yù)冷流程周期長(zhǎng)、復(fù)雜度高，發(fā)射任務(wù)間隔必須重復(fù)該流程，且以低溫流體作為預(yù)冷工質(zhì)的流程設(shè)計(jì)，具有難以彌補(bǔ)的短板問(wèn)題，無(wú)法滿足需求。低溫流體管道預(yù)冷，本質(zhì)是基于對(duì)流傳熱的低溫流體管內(nèi)強(qiáng)制流動(dòng)，因流固溫差大、湍流不穩(wěn)定性強(qiáng)、沸騰劇烈度高、管線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素疊加產(chǎn)生的不利現(xiàn)象如管道熱應(yīng)力、振動(dòng)、水錘、汽蝕不可避免。導(dǎo)熱是三種基本傳熱形式中最具穩(wěn)定性的形式，其烈度遠(yuǎn)低于同級(jí)對(duì)流與輻射傳熱，同時(shí)低溫液體輸送管一般使用金屬合金制作，為熱的良導(dǎo)體。

3、公開(kāi)號(hào)為cn116928574a的中國(guó)專利文獻(xiàn)公開(kāi)了加氣站液化氣管道預(yù)冷系統(tǒng)及預(yù)冷方法，應(yīng)用氣化器自增壓形式代替轉(zhuǎn)注泵，促使液氮流入液相管道內(nèi)，實(shí)際屬于傳統(tǒng)濕式預(yù)冷法。

4、公開(kāi)號(hào)為cn117419278a的中國(guó)專利文獻(xiàn)公開(kāi)了基于液氮預(yù)冷裝置的lng管道預(yù)冷方法，同樣屬于傳統(tǒng)濕式預(yù)冷法，應(yīng)用管線設(shè)計(jì)與閥門控制配合，使液氮以變流量形式在液相管道內(nèi)循環(huán)。但無(wú)法避免的，液氮接觸常溫管道產(chǎn)生巨大管道頂?shù)诇夭铑A(yù)冷不均、管內(nèi)出現(xiàn)沸騰氣液兩相流、管道出現(xiàn)壓力脈動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種低溫液體輸送管干式預(yù)冷系統(tǒng)，可以根本解決現(xiàn)有低溫液體輸送管內(nèi)部預(yù)冷流程復(fù)雜、兩相流不穩(wěn)定、低溫液體損失大等問(wèn)題。

2、一種低溫液體輸送管干式預(yù)冷系統(tǒng)，包括若干個(gè)密封連接的預(yù)冷管路子系統(tǒng)；每個(gè)預(yù)冷管路子系統(tǒng)都包括輸送管單元、制冷機(jī)導(dǎo)熱單元和冷箱單元；

3、所述的輸送管單元包括內(nèi)金屬管道和外金屬管道，內(nèi)金屬管道和外金屬管道的夾層空間設(shè)有多層絕熱材料；

4、所述的制冷機(jī)導(dǎo)熱單元包含制冷機(jī)和柔性熱橋；所述的制冷機(jī)安插在真空冷箱上，制冷機(jī)的冷頭布置在真空冷箱內(nèi)部，通過(guò)柔性熱橋與內(nèi)金屬管道表面連接導(dǎo)熱傳熱；

5、所述的冷箱單元包含真空冷箱和溫度控制模塊；所述的溫度控制單元用于監(jiān)測(cè)真空冷箱內(nèi)的傳感器參數(shù)變化并完成對(duì)制冷機(jī)的功率調(diào)控；

6、所述的真空冷箱設(shè)置在內(nèi)金屬管道的中間位置，并與兩側(cè)的外金屬管道連接，使得內(nèi)金屬管道和外金屬管道的夾層空間與真空冷箱相互連通，共用真空環(huán)境。

7、進(jìn)一步地，相鄰兩個(gè)預(yù)冷管路子系統(tǒng)的輸送管單元之間密封連接，包括但不限于使用真空法蘭和o型圈配合密封連接。

8、優(yōu)選地，所述的柔性熱橋選用高熱導(dǎo)率材料編織而成，如編織銅帶，以螺旋纏繞形式緊密包圍在內(nèi)金屬管道的表面。

9、優(yōu)選地，所述的多層絕熱材料為多層輻射層與間隔層組合，在纏繞柔性熱橋后的內(nèi)金屬管道表面包裹多層絕熱材料。

10、進(jìn)一步地，多層絕熱材料的輻射層采用金屬薄層材料包括但不限于鋁箔、雙面鍍鋁薄膜等，相鄰的兩層金屬薄層之間設(shè)有間隔層，不相互接觸。

11、進(jìn)一步地，所述真空冷箱的頂部包含抽真空口、電氣接口與緊急泄壓閥。抽真空口連接真空泵將腔室內(nèi)部抽至真空，電氣接口提供真空冷箱內(nèi)設(shè)備供電與反饋腔室內(nèi)傳感器實(shí)時(shí)參數(shù)至溫度控制模塊，緊急泄壓閥用于腔室異常壓力升高情況的壓力泄放。

12、進(jìn)一步地，所述的真空冷箱內(nèi)設(shè)有多型傳感器，包括但不限于溫度傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器和干度傳感器，這些傳感器通過(guò)電氣接口與溫度控制模塊連接。

13、進(jìn)一步地，所述的制冷機(jī)采用大冷量制冷機(jī)，如一級(jí)冷頭的大功率脈管制冷機(jī)，最低的制冷溫度應(yīng)匹配實(shí)際使用需求。

14、利用上述低溫液體輸送管干式預(yù)冷系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)冷，包括以下步驟：

15、s01，安裝輸送管單元、制冷機(jī)導(dǎo)熱單元、冷箱單元構(gòu)成預(yù)冷管路子系統(tǒng)，再將若干個(gè)預(yù)冷管路子系統(tǒng)密封連接，得到低溫液體輸送管單元干式預(yù)冷系統(tǒng)；可使用氦質(zhì)譜儀等檢漏設(shè)備對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行氣體檢漏，確保系統(tǒng)無(wú)明顯漏點(diǎn)；

16、s02，使用真空泵將真空冷箱內(nèi)部真空度抽至10e-3到10e-6托(torr)；

17、s03，運(yùn)行制冷機(jī)導(dǎo)熱單元，通過(guò)溫度控制模塊設(shè)定制冷機(jī)制冷目標(biāo)溫度，調(diào)節(jié)制冷機(jī)至預(yù)冷模式，此時(shí)制冷機(jī)輸入功率匹配最佳制冷量曲線，通過(guò)溫度控制模塊監(jiān)測(cè)真空冷箱內(nèi)傳感器參數(shù)變化直至內(nèi)金屬管道完成降溫；

18、s04，通過(guò)溫度控制模塊調(diào)節(jié)制冷機(jī)冷量至保冷模式，此時(shí)內(nèi)金屬管道所吸收漏熱量與制冷機(jī)冷量相當(dāng)，內(nèi)金屬管道溫度基本維持不變；

19、s05，輸送管單元上游開(kāi)啟截止閥與流量調(diào)節(jié)閥，控制低溫液體流入預(yù)冷完成的管道，直至轉(zhuǎn)注完畢。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

21、1、本發(fā)明中，冷量以固體導(dǎo)熱形式傳遞至內(nèi)金屬管道，制冷機(jī)導(dǎo)熱換熱相對(duì)于低溫流體對(duì)流、沸騰相變換熱更為溫和、穩(wěn)定，能減小管道驟冷產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)與熱應(yīng)力，避免產(chǎn)生管道共振與應(yīng)力破壞。

22、2、本發(fā)明中，柔性熱橋能將冷量均勻傳遞給管道表面，保冷階段，管道各處基本處于同一溫度，與柔性熱橋熱交換量非常小，處于熱穩(wěn)定狀態(tài)。避免低溫流體在管道內(nèi)的分層流流動(dòng)產(chǎn)生的管道上部空間與下部空間較大溫差進(jìn)而產(chǎn)熱應(yīng)力破壞。

23、3、本發(fā)明以制冷機(jī)輸入功轉(zhuǎn)換為管道固體冷能形式，代替低溫流體冷能轉(zhuǎn)為管道固體冷能形式，大大減少低溫流體在輸送管預(yù)冷中的質(zhì)量消耗，節(jié)省昂貴低溫液體如液氫、液氦的消耗。

技術(shù)特征：

1.一種低溫液體輸送管干式預(yù)冷系統(tǒng)，其特征在于，包括若干個(gè)密封連接的預(yù)冷管路子系統(tǒng)；每個(gè)預(yù)冷管路子系統(tǒng)包括輸送管單元以及設(shè)置在輸送管單元上的制冷機(jī)導(dǎo)熱單元和冷箱單元；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫液體輸送管干式預(yù)冷系統(tǒng)，其特征在于，相鄰兩個(gè)預(yù)冷管路子系統(tǒng)的輸送管單元密封連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫液體輸送管干式預(yù)冷系統(tǒng)，其特征在于，所述的柔性熱橋(22)選用高熱導(dǎo)率材料，緊密包圍在內(nèi)金屬管道(10)的表面。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低溫液體輸送管干式預(yù)冷系統(tǒng)，其特征在于，所述的多層絕熱材料(12)為多層輻射層與間隔層組合，在纏繞柔性熱橋后的內(nèi)金屬管道(10)表面包裹多層絕熱材料。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫液體輸送管干式預(yù)冷系統(tǒng)，其特征在于，所述真空冷箱(30)的頂部包含抽真空口(32)、電氣接口與緊急泄壓閥。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低溫液體輸送管干式預(yù)冷系統(tǒng)，其特征在于，所述的真空冷箱(30)內(nèi)設(shè)有多型傳感器，這些傳感器通過(guò)電氣接口與溫度控制模塊(31)連接。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫液體輸送管干式預(yù)冷系統(tǒng)，其特征在于，所述的制冷機(jī)(20)采用大冷量制冷機(jī)，最低制冷溫度匹配實(shí)際使用需求。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫液體輸送管干式預(yù)冷系統(tǒng)，其特征在于，預(yù)冷包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種低溫液體輸送管干式預(yù)冷系統(tǒng)，包括若干個(gè)密封連接的預(yù)冷管路子系統(tǒng)；每個(gè)預(yù)冷管路子系統(tǒng)包括輸送管單元、制冷機(jī)導(dǎo)熱單元和冷箱單元；輸送管單元包括內(nèi)金屬管道和外金屬管道，內(nèi)外金屬管道的夾層空間設(shè)有多層絕熱材料；制冷機(jī)導(dǎo)熱單元包含制冷機(jī)和柔性熱橋，冷箱單元包含真空冷箱和溫度控制模塊；真空冷箱設(shè)置在內(nèi)金屬管道中間位置，內(nèi)金屬管道和外金屬管道的夾層空間與真空冷箱共用真空環(huán)境；制冷機(jī)的冷頭布置在真空冷箱內(nèi)部，通過(guò)柔性熱橋與內(nèi)金屬管道表面連接導(dǎo)熱；溫度控制模塊用于監(jiān)測(cè)真空冷箱內(nèi)的傳感器參數(shù)變化并完成對(duì)制冷機(jī)的功率調(diào)控。本發(fā)明可以解決低溫液體輸送管預(yù)冷流程復(fù)雜、兩相流不穩(wěn)定、液體消耗量大等難題。

技術(shù)研發(fā)人員：邱利民,陸新宇,包士然,王凱,植曉琴
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/5