一种低温液体输送管干式预冷系统

本发明属于预冷，尤其是涉及一种低温液体输送管干式预冷系统。

背景技术：

1、液体火箭低温推进剂的输送、加注速度是提升发射频率的关键，当前火箭主流推进剂包含液氢、液氧、液态甲烷等，常压下的液体饱和温度分别为20.28k、90.19k、111.66k，均为低温液体。这类低温推进剂发射准备周期长、加注流程复杂，一般需花费3-4天才能完成液相输送管道置换预冷与箭体燃料贮箱加注。这是因为，输送低温流体的管道必须确保高纯度无气体污染，具有严格气体吹扫置换流程，避免杂质气体接触低温流体凝固形成颗粒，堵塞管道致使爆炸；另一方面，基于安全设计的大型低温推进剂储罐与发射台距离数百米，同时火箭燃料贮箱容积巨大，输送管道与贮箱整体的热容与漏热较大，为避免低温流体直接加注时发生剧烈沸腾，管道与贮箱短时承受过大热应力，管内空间产生压力脉动，减少低温推进剂消耗，要求预冷降温需要逐步进行。这又导致另一问题：小流量低温流体预冷下的管道处于分层流流型，管道顶底温差大，同样会对管道性能产生不利影响。

2、综上所述，提高低温运载火箭高频、高效的发射任务，必须具有快速输送与加注低温推进剂能力。传统管道、贮箱预冷流程周期长、复杂度高，发射任务间隔必须重复该流程，且以低温流体作为预冷工质的流程设计，具有难以弥补的短板问题，无法满足需求。低温流体管道预冷，本质是基于对流传热的低温流体管内强制流动，因流固温差大、湍流不稳定性强、沸腾剧烈度高、管线设计结构复杂等因素叠加产生的不利现象如管道热应力、振动、水锤、汽蚀不可避免。导热是三种基本传热形式中最具稳定性的形式，其烈度远低于同级对流与辐射传热，同时低温液体输送管一般使用金属合金制作，为热的良导体。

3、公开号为cn116928574a的中国专利文献公开了加气站液化气管道预冷系统及预冷方法，应用气化器自增压形式代替转注泵，促使液氮流入液相管道内，实际属于传统湿式预冷法。

4、公开号为cn117419278a的中国专利文献公开了基于液氮预冷装置的lng管道预冷方法，同样属于传统湿式预冷法，应用管线设计与阀门控制配合，使液氮以变流量形式在液相管道内循环。但无法避免的，液氮接触常温管道产生巨大管道顶底温差预冷不均、管内出现沸腾气液两相流、管道出现压力脉动。

技术实现思路

1、本发明提供了一种低温液体输送管干式预冷系统，可以根本解决现有低温液体输送管内部预冷流程复杂、两相流不稳定、低温液体损失大等问题。

2、一种低温液体输送管干式预冷系统，包括若干个密封连接的预冷管路子系统；每个预冷管路子系统都包括输送管单元、制冷机导热单元和冷箱单元；

3、所述的输送管单元包括内金属管道和外金属管道，内金属管道和外金属管道的夹层空间设有多层绝热材料；

4、所述的制冷机导热单元包含制冷机和柔性热桥；所述的制冷机安插在真空冷箱上，制冷机的冷头布置在真空冷箱内部，通过柔性热桥与内金属管道表面连接导热传热；

5、所述的冷箱单元包含真空冷箱和温度控制模块；所述的温度控制单元用于监测真空冷箱内的传感器参数变化并完成对制冷机的功率调控；

6、所述的真空冷箱设置在内金属管道的中间位置，并与两侧的外金属管道连接，使得内金属管道和外金属管道的夹层空间与真空冷箱相互连通，共用真空环境。

7、进一步地，相邻两个预冷管路子系统的输送管单元之间密封连接，包括但不限于使用真空法兰和o型圈配合密封连接。

8、优选地，所述的柔性热桥选用高热导率材料编织而成，如编织铜带，以螺旋缠绕形式紧密包围在内金属管道的表面。

9、优选地，所述的多层绝热材料为多层辐射层与间隔层组合，在缠绕柔性热桥后的内金属管道表面包裹多层绝热材料。

10、进一步地，多层绝热材料的辐射层采用金属薄层材料包括但不限于铝箔、双面镀铝薄膜等，相邻的两层金属薄层之间设有间隔层，不相互接触。

11、进一步地，所述真空冷箱的顶部包含抽真空口、电气接口与紧急泄压阀。抽真空口连接真空泵将腔室内部抽至真空，电气接口提供真空冷箱内设备供电与反馈腔室内传感器实时参数至温度控制模块，紧急泄压阀用于腔室异常压力升高情况的压力泄放。

12、进一步地，所述的真空冷箱内设有多型传感器，包括但不限于温度传感器、压力传感器、振动传感器和干度传感器，这些传感器通过电气接口与温度控制模块连接。

13、进一步地，所述的制冷机采用大冷量制冷机，如一级冷头的大功率脉管制冷机，最低的制冷温度应匹配实际使用需求。

14、利用上述低温液体输送管干式预冷系统进行预冷，包括以下步骤：

15、s01，安装输送管单元、制冷机导热单元、冷箱单元构成预冷管路子系统，再将若干个预冷管路子系统密封连接，得到低温液体输送管单元干式预冷系统；可使用氦质谱仪等检漏设备对系统进行气体检漏，确保系统无明显漏点；

16、s02，使用真空泵将真空冷箱内部真空度抽至10e-3到10e-6托(torr)；

17、s03，运行制冷机导热单元，通过温度控制模块设定制冷机制冷目标温度，调节制冷机至预冷模式，此时制冷机输入功率匹配最佳制冷量曲线，通过温度控制模块监测真空冷箱内传感器参数变化直至内金属管道完成降温；

18、s04，通过温度控制模块调节制冷机冷量至保冷模式，此时内金属管道所吸收漏热量与制冷机冷量相当，内金属管道温度基本维持不变；

19、s05，输送管单元上游开启截止阀与流量调节阀，控制低温液体流入预冷完成的管道，直至转注完毕。

20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

21、1、本发明中，冷量以固体导热形式传递至内金属管道，制冷机导热换热相对于低温流体对流、沸腾相变换热更为温和、稳定，能减小管道骤冷产生的压力脉动与热应力，避免产生管道共振与应力破坏。

22、2、本发明中，柔性热桥能将冷量均匀传递给管道表面，保冷阶段，管道各处基本处于同一温度，与柔性热桥热交换量非常小，处于热稳定状态。避免低温流体在管道内的分层流流动产生的管道上部空间与下部空间较大温差进而产热应力破坏。

23、3、本发明以制冷机输入功转换为管道固体冷能形式，代替低温流体冷能转为管道固体冷能形式，大大减少低温流体在输送管预冷中的质量消耗，节省昂贵低温液体如液氢、液氦的消耗。

技术特征：

1.一种低温液体输送管干式预冷系统，其特征在于，包括若干个密封连接的预冷管路子系统；每个预冷管路子系统包括输送管单元以及设置在输送管单元上的制冷机导热单元和冷箱单元；

2.根据权利要求1所述的低温液体输送管干式预冷系统，其特征在于，相邻两个预冷管路子系统的输送管单元密封连接。

3.根据权利要求1所述的低温液体输送管干式预冷系统，其特征在于，所述的柔性热桥(22)选用高热导率材料，紧密包围在内金属管道(10)的表面。

4.根据权利要求3所述的低温液体输送管干式预冷系统，其特征在于，所述的多层绝热材料(12)为多层辐射层与间隔层组合，在缠绕柔性热桥后的内金属管道(10)表面包裹多层绝热材料。

5.根据权利要求1所述的低温液体输送管干式预冷系统，其特征在于，所述真空冷箱(30)的顶部包含抽真空口(32)、电气接口与紧急泄压阀。

6.根据权利要求5所述的低温液体输送管干式预冷系统，其特征在于，所述的真空冷箱(30)内设有多型传感器，这些传感器通过电气接口与温度控制模块(31)连接。

7.根据权利要求1所述的低温液体输送管干式预冷系统，其特征在于，所述的制冷机(20)采用大冷量制冷机，最低制冷温度匹配实际使用需求。

8.根据权利要求1所述的低温液体输送管干式预冷系统，其特征在于，预冷包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种低温液体输送管干式预冷系统，包括若干个密封连接的预冷管路子系统；每个预冷管路子系统包括输送管单元、制冷机导热单元和冷箱单元；输送管单元包括内金属管道和外金属管道，内外金属管道的夹层空间设有多层绝热材料；制冷机导热单元包含制冷机和柔性热桥，冷箱单元包含真空冷箱和温度控制模块；真空冷箱设置在内金属管道中间位置，内金属管道和外金属管道的夹层空间与真空冷箱共用真空环境；制冷机的冷头布置在真空冷箱内部，通过柔性热桥与内金属管道表面连接导热；温度控制模块用于监测真空冷箱内的传感器参数变化并完成对制冷机的功率调控。本发明可以解决低温液体输送管预冷流程复杂、两相流不稳定、液体消耗量大等难题。

技术研发人员：邱利民,陆新宇,包士然,王凯,植晓琴
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5