[发明专利]一种带有排气冷能利用的低温液氢储罐

说明书

本发明为一种带有排气冷能利用的低温液氢储罐，该装置包括低温液氢储罐、循环泵、节流阀、正仲氢转化装置、套管式换热器、排气冷却盘管、抽排气泵、排气阀、仲氢转化催化剂。本发明采用了逆流式套管换热器来提高换热器换热效率。饱和或过热氢气在排出罐体后进入正仲氢转化装置，在催化剂作用下，将仲氢催化转化为正氢。由于催化过程吸收了罐内热量，排气可以带走更多的气相热量。经催化转化后的正氢气体经缠绕在罐体外部绝热层中的冷却盘管形成一层冷屏，最大限度的减少外部漏热。本发明装置结构简单，换热效率较高，实现了氢气排放过程中冷能的充分利用并有效的控制了罐体压力，为低温推进剂长期储存及罐体压力控制提供了有效保障。

技术领域

本发明涉及一种低温推进剂储存装置，具体说是一种带有排气冷能利用的低温液氢储罐，属于低温推进剂储存以及流体管理领域。

背景技术

低温推进剂，具有高比冲、无毒无污染以及容易获得等优异特性，在航空航天领域得到了广泛应用。目前，低温液氢、液氧已被美国认为是未来深空探测的首选推进剂组合。然而，由于低温推进剂储存温度较低，受热很容易升温并带来流体热分层，进而造成罐体压力的升高，这对运行在空间轨道以及深空探测器上的低温推进剂储罐是极其危险的，一旦罐体压力超过极限，很容易造成航天器的失事爆炸，因此需采取有效的被动防绝热措施来减少罐体漏热，同时采用主动压力控制措施对罐体压力进行有效控制。

现有的低温贮箱被动防绝热措施包括采用高真空多层绝热材料以及蒸汽冷却屏绝热。罐体压力控制方式主要包括直接排气降压、采用喷射混合装置的喷射降压、采用带制冷机的主动制冷降压以及热力学排气控压。直接排气控压虽然操作简便，但会造成排气阀频繁启闭，同时带来较大的排气损失；喷射混合降压仅是实现了热量从气相到液相的转移，并没有从根本上消除外部漏热，不适于低温推进剂的长期储存；采用带制冷机的主动制冷技术可从根本上消除外部漏热并降低罐体压力，然而目前国际国内并不具备制造低温、大制冷量低温制冷机的能力，这也限制了主动制冷技术在低温推进剂罐体压力控制方面的应用。而热力学排气其通过节流一小部分流体，利用这部分流体的气化潜热以及显热来冷却箱内大部分流体，仅以牺牲小部分流体为代价，就可以实现箱内流体热分层的消除以及罐体压力的控制，是目前最具前景的低温推进剂罐体压力控制方式。

现有的热力学排气系统主要包括低温储罐体、循环泵、同心套管换热器、节流阀、排气阀以及其他管路设施。美国NASA所研究热力学排气系统中核心换热部件为顺流式同心套管换热器，其换热效率相对较低，并且没有考虑排气的冷能利用。因此，设计一套高效可靠的换热系统、冷却隔热系统，对有效降低罐体漏热，实现罐体压力良好控制具有重要价值及意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术所存在的缺陷，提出一种带有排气冷能利用的低温液氢储罐装置，将冷热流体高效换热的逆流式换热器与排气冷却屏隔热系统相耦合，低温氢气在排出罐体之前，经催化转化装置进行仲氢到正氢的转化，并吸收罐体内部大量气相热量，最大限度的移除罐体漏热，实现罐体压力的良好控制。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种带有排气冷能利用的低温液氢储罐，包括低温液氢储罐体、低温循环泵、节流阀、正仲氢转化装置、逆流式套管换热器、流体喷射棒、抽排气泵。

所述低温液氢储罐体，包括内罐以及外罐，内罐套装于外罐内，内罐和外罐之间的空间内均匀缠绕排气冷却盘管并填充绝热材料，所述排气冷却盘管处于绝热材料中间。所述逆流式套管换热器竖向置于内罐内部，逆流式套管换热器包括外管与内管。其特征是：

所述的低温循环泵的进口从下部连通内罐，其出口从上部接入逆流式套管换热器的内管，逆流式套管换热器的内管下端接所述流体喷射棒，构成大股流体循环回路。所述流体喷射棒为直立于逆流式套管换热器四周的竖向管路，管路上开设有多个细小的喷射口，被冷却流体经喷射口射入罐体内部。