本發(fā)明涉及低溫推進劑過冷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種液氫過冷度獲取裝置。
背景技術(shù)：
低溫推進劑(如液氫、液氧、液態(tài)甲烷等)由于具有無毒、無污染、低成本、高比沖和大推力等優(yōu)勢，成為應(yīng)用于大型運載火箭最廣泛的一組推進劑，其比沖比常溫推進劑高30％～40％。目前，低溫推進劑應(yīng)用時的熱力學(xué)狀態(tài)大部分都處于沸點溫度附近，其熱物理性能具有明顯不足，尤其是液氫，其突出缺點是：密度和單位體積顯冷量小。為了提高低溫推進劑熱力學(xué)性能，采用過冷的手段，來改善低溫推進劑自身的不足，效果非常顯著。
低溫推進劑過冷方式主要包括換熱過冷、抽空過冷和冷氦氣鼓泡過冷。對于重型運載火箭來說，其低溫推進劑過冷有兩個特點：①過冷度大，接近三相點溫區(qū)；②過冷量大，每發(fā)任務(wù)需要低溫推進劑1000m3以上，國外最大充注量達到8000m3。如果采用低溫制冷劑換熱過冷方式需要投入大型復(fù)雜的氦制冷機，造價高、投資大，不經(jīng)濟，低溫液體換熱過冷方式只適合用液氮來過冷液氧或液態(tài)甲烷；冷氦氣鼓泡過冷方式需要大量貴重又稀有的氦氣作為工作介質(zhì)，代價太大，耗費太高，同樣不經(jīng)濟，而抽空過冷方式不足之處就是抽空時間過長。因為低溫推進劑抽空過冷的速率不僅與真空泵的抽速有關(guān)，還與其自身的熱物性特點有關(guān)。當(dāng)真空泵抽速加大時，會給系統(tǒng)帶來兩個致命的后果：①引起貯罐巨烈振動，由于抽速加大，使貯罐內(nèi)氣枕壓力快速降低，貯罐內(nèi)氣液界面發(fā)生劇烈沸騰，如水在電壺中燒開的情形一樣，導(dǎo)致大型貯罐發(fā)生強烈振動，輕則螺絲松動，部件掉落，重則引起共振，焊縫開裂，低溫推進劑泄漏；②引起低溫推進劑溫度嚴(yán)重分層，尤其在三相點附近，由于抽速過快，會導(dǎo)致貯罐內(nèi)氣液界面處的液體凝固，而底部的液體過冷度其實并不大。
因此，則急需一種快速、經(jīng)濟、安全可靠的液氫過冷度獲取裝置，來保障未來運載火箭密集發(fā)射時，過冷低溫推進劑的高效利用。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種液氫過冷度獲取裝置，將液氫過冷的成本大大降低、過冷時間減少，抑制主體液氫沸騰，振動減小，且能將液氫過冷溫度降至近三相點溫度。
為達到此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種液氫過冷度獲取裝置，包括壓縮機1，壓縮機1的出口和連接在預(yù)冷系統(tǒng)中的預(yù)冷換熱器3的入口連接，預(yù)冷換熱器3的出口和節(jié)流裝置4的入口連接，節(jié)流裝置4的出口和鼓泡裝置5的入口連接，鼓泡裝置5位于過冷器10的液氫7中，鼓泡裝置5在液氫7內(nèi)形成氦氣泡6；
過冷器10的氣氫8出口和分離裝置12的入口連接，分離裝置12的氫氣出口進行氫氣回收，分離裝置12的氦氣出口和第四閥門14的出口、第五閥門15的入口連接，第四閥門14的入口和氦氣相通，第五閥門15的出口和壓縮機1的入口連接。
所述的壓縮機1為低溫氦氣壓縮機，其設(shè)置有預(yù)冷系統(tǒng)。
所述的預(yù)冷換熱器3為氦-氦低溫高壓換熱器。
所述的節(jié)流裝置4為低溫節(jié)流閥。
所述的鼓泡裝置5為圓盤形多孔結(jié)構(gòu)。
所述的過冷器10，氫在過冷器10中形成液氫7、氣氫8和氣液界面9，過冷器10為低溫貯罐，其絕熱方式為高真空多層絕熱。
所述的分離裝置12為氫-氦低溫分離或者膜分離。
本發(fā)明的有益效果：
本發(fā)明將鼓泡制冷和絕熱節(jié)流制冷過程結(jié)合在一起，并考慮了氫回收系統(tǒng)，使液氫獲取過冷度的成本大大降低、過冷時間減少、主體液氫沸騰程度減弱，過冷器的振動減小，液氫溫度場的分布更加均勻，且可將過冷溫度降至三相點溫度，甚至出現(xiàn)漿體液體，為大型運載火箭或重型運載火箭密集、高效的發(fā)射提供地面保障和技術(shù)支持。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖來對本發(fā)明作進一步說明。
參照圖1，一種液氫過冷度獲取裝置，包括壓縮機1，壓縮機1的出口通過第一管道16和第一閥門2的入口連接，第一閥門2的出口通過第二管道17和連接在預(yù)冷系統(tǒng)中的預(yù)冷換熱器3的入口連接，預(yù)冷換熱器3的出口通過第三管道18和節(jié)流裝置4的入口連接，節(jié)流裝置4的出口通過第四管道19和鼓泡裝置5的入口連接，鼓泡裝置5位于過冷器10的液氫7中，鼓泡裝置5在液氫7內(nèi)形成氦氣泡6；
過冷器10的氣氫8出口通過第五管道20和第二閥門11的入口連接，第二閥門11的出口通過第六管道21和分離裝置12的入口連接，分離裝置12的氫氣出口進行氫氣回收，分離裝置12的氦氣出口通過第七管道22和第三閥門13的入口連接，第三閥門13的出口通過第八管道23和第四閥門14的出口、第五閥門15的入口連接，第四閥門14的入口通過第九管道25和氦氣相通，第五閥門15的出口通過第十管道24和壓縮機1的入口連接。
所述的壓縮機1為低溫氦氣壓縮機，其設(shè)置有預(yù)冷系統(tǒng)，防止壓縮機1損耗，其作用是提高低溫氦氣的壓頭，使低溫氦氣節(jié)流后的溫度更低。
所述的預(yù)冷換熱器3為氦-氦低溫高壓換熱器，其作用是降低從壓縮機1出來的高壓氦氣溫度，使節(jié)流前高壓氦氣溫度降至最高轉(zhuǎn)化點溫度以下。
所述的節(jié)流裝置4為低溫節(jié)流閥，其作用是通過壓降，獲取制冷量；
所述的鼓泡裝置5為圓盤形多孔結(jié)構(gòu)，其作用是將氦氣形成氦氣泡。
所述的過冷器10，氫在過冷器10中形成液氫7、氣氫8和氣液界面9，過冷器10為低溫貯罐，其絕熱方式為高真空多層絕熱，防止外界熱量侵入液氫內(nèi)，造成制冷負(fù)荷增加，過冷時間延長。
所述的分離裝置12為氫-氦低溫分離或者膜分離，其作用是將氫-氦混合氣體分離。
所述的第一閥門2、第二閥門11、第三閥門13、第四閥門14、第五閥門15為低溫截止閥。
所述的第一管道16、第二管道17、第三管道18、第四管道19、第五管道20、第六管道21、第七管道22、第八管道23、第九管道25、第十管道24為高真空多層絕熱低溫液體管道。
本發(fā)明的工作原理是：
液氫過冷之前，通過移動交通工具將溫度處于沸點狀態(tài)的液氫加注與過冷器10內(nèi)；然后打開第一閥門2、第二閥門11、第三閥門13、第四閥門14、第五閥門15，啟動壓縮機1；初始，氦氣從第九管道25中加注于循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，當(dāng)達到循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)氦氣所需流量時，關(guān)閉第四閥門14；氦氣經(jīng)過壓縮機1，提高自身壓力，通入預(yù)冷換熱器3，使氦氣經(jīng)歷一個等溫壓縮過程，到達節(jié)流裝置4入口處，其中預(yù)冷氦可通入過冷器10中液氫7內(nèi)，形成一個循環(huán)預(yù)冷自回路，來冷卻從壓縮機1中出來的高壓氦氣；根據(jù)焦耳-湯姆遜效應(yīng)可知，連續(xù)流動的高壓流體，在絕熱且不對外作功的情況下通過節(jié)流閥急劇膨脹到低壓時，會引起溫度發(fā)生變化，故在此通過控制節(jié)流裝置4兩端的壓力，使高壓氦氣流過節(jié)流裝置4時，進入制冷區(qū)，達到氦氣溫度降低的目的，節(jié)流后的低溫氦氣流入鼓泡裝置5，形成氦氣泡6，由于氦氣泡6的溫度低于液氫7的溫度，所以氦氣泡6會釋放顯冷量，帶走液氫7內(nèi)的能量，液氫7的溫度降低，此過程叫做絕熱節(jié)流制冷；同時，根據(jù)質(zhì)量擴散和熱力學(xué)原理可知，當(dāng)氦氣泡6內(nèi)的氫分壓力為零時，氦氣泡6周圍的氫分子將擴散到氦氣泡6內(nèi)，并流動到過冷器10中氣氫8內(nèi)，此時，液氫7將被蒸發(fā)，釋放潛熱，引起液氫7溫度降低，此過程叫做氦氣鼓泡制冷；接著，氫-氦混合氣體通入分離裝置12，將氫-氦混合氣體進行分離，分離后，氦氣通入壓縮機1進行循環(huán)利用，假如采用低溫分離，氫出來的產(chǎn)物為液氫，可直接回收到過冷器10內(nèi)，假如采用膜分離，氫出來的產(chǎn)物為氣氫，可通入過冷器10中液氫7內(nèi)進行再液化。本發(fā)明將鼓泡制冷和絕熱節(jié)流制冷過程結(jié)合在一起，并考慮了氫回收系統(tǒng)，使液氫獲取過冷度的成本大大降低、過冷時間減少、主體液氫沸騰程度減弱，過冷器的振動減小，液氫溫度場的分布更加均勻，且可將過冷溫度降至三相點溫度，甚至出現(xiàn)漿體液體。