一种可用于过冷氧制取和无损贮存的多层低温贮罐

技术领域

本发明属于低温储运领域，具体涉及一种可用于过冷氧制取和无损贮存的多层低温贮罐。

背景技术

液氢、液氧低温推进剂由于具有无毒、元污染、高性能、低成本和大推力等优势，成为应用于大型运载火箭最广泛的一组推进剂，其比冲比常温推进剂高30％～40％。液氢、液氧低温推进剂沸点温度都极低(液氢沸点温度为20.368K。氧的沸点温度为90.18K)，往往外部漏热或阻力损失就会引起气化，出现气液两相流或喷泉现象，直接影响运载火箭的发射。采用推进剂过冷加注，不仅能避免上述情况发生，且还能增加低温推进剂质量和冷量，来提高运载火箭有效载荷和拓宽深空探测的范围。所谓过冷氧即是通过过冷技术将普通液氧温度(90K)降低至90K以下，目前国内水平能使过冷氧降低至最低67K。国内外低温火箭液氧贮箱大多采用了部分过冷加注，例如我国现役CZ-3A系列、CZ-5、CZ-6、CZ-7等火箭，美国的土星V、俄罗斯安加拉、欧洲阿里安火箭均在射前采用液氧过冷补加技术Falcon9火箭为提高运载能力，采用了全程低于液氮温度的过冷氧加注方案，大幅提高了加注质量，提高运载能力。

目前过冷氧的制取通常采用液氮换热、或者抽空制冷、或者制冷循环制冷等方式，国内使用的过冷氧暂无低于液氮温度的需求。由于过冷氧不易保存，常规的低温贮罐常采用发泡绝热、珠光砂堆积绝热或者真空绝热等方式，其中绝热性能最好的是真空绝热方式，均无法做到100％的绝热，过冷氧在贮存过程中，会因从外界环境吸热而逐渐升温，从而失去过冷度。因此如何实现过冷氧的无损贮存成为目前亟待解决的难题。图1为现有真空贮罐的流程示意图。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提供一种可用于过冷氧制取和无损贮存的多层低温贮罐，以解决过冷氧的无损贮存的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种可用于过冷氧制取和无损贮存的多层低温贮罐，该多层低温贮罐为三层结构，最内层为过冷氧贮罐，即氧程贮罐，中间层为液氮层，即氮程贮罐，液氮层外表面包覆绝热层；

过冷氧贮罐上部设置一路高压氦气气源接口；过冷氧贮罐左侧设置压力液位传感器，过冷氧贮罐右侧底部设置过冷氧真空绝热进出液管道，右上侧设置真空绝热排气管道，所有真空管上设置取样口；排气管道的排气口设置两路并联的安全装置，两路装置之间设置三通阀隔开；

液氮层上部设置高压氮气气源接口，气管末端连接喷淋装置主管道，通过喷淋装置喷口向液氮层内喷气，喷淋装置主管道为矩形结构，管道上均匀开孔；液氮层右上侧设置真空绝热排气管道，排气管道分支设预冷加注口，排气管末端连接喷淋装置主管道；贮罐左侧设置压力液位传感器；贮罐右侧底部设置液氮真空绝热进出液管道；

氧程贮罐置于氮程贮罐内部，在加注了液氧和液氮后，通过氧程贮罐的罐壁换热，自然获取液氮温度下的过冷氧。

进一步地，罐体采用玻璃钢支座支撑，根据受力情况设置三组，分别位于罐体左侧、中部和右侧，其中右侧的支座为固定连接，其他支座仅提供支撑力；内外罐之间连接不固定，可滑动，在低温状态下可允许内外罐收缩量不同而产生相对位移。

进一步地，氧程贮罐和氮程贮罐的进出液管和排气管均设置在贮罐的同侧封头，该封头处的氧程贮罐和氮程贮罐为固定支撑状态，另一侧的氧程贮罐和氮程贮罐为活动支撑状态，在低温状态时，氧程贮罐和氮程的贮罐向同侧收缩，形变不会对贮罐的连接部位产生较大的应力。

进一步地，所述绝热层为聚氨酯发泡层、粉末堆积绝热层或真空绝热层。

进一步地，氧程贮罐和氮程贮罐分别使用高压氦气和高压氮气气源，常温状态时可进行贮罐氧程和氮程的气检、吹除、置换工作，低温状态时可对氧程、氮程气枕增压，作为液氧、液氮输出的动力源。

进一步地，在过冷氧贮存期间，使用氦气增压将氧程贮罐的气枕保持在正压状态。

进一步地，贮罐预冷时通过喷淋装置使液氮均匀喷洒在过冷氧罐表面，提高预冷效率。

进一步地，氮程贮罐和氧程贮罐顶部设置排气管，罐内压力过高时通过排气管泄压，排气管上设置两组互为备份的安全装置，由爆破片和安全阀串联组成，通过三通阀实现切换。

进一步地，氮程贮罐排气管并联一路加注管，联通氮程喷淋装置用于给过冷氧程预冷。

进一步地，氧程贮罐和氮程贮罐的排气管上分别设置取样管和阀门，对各自贮罐内的气枕介质进行取样，化验检验罐内气相的品质；氧程贮罐和氮程贮罐的进出液管位于贮罐底部，用于过冷氧、液氮的加注和泄出，氧程和氮程的进出液管上分别设置取样管和阀门，对各自贮罐内的液体介质进行取样，化验检验罐内液相的品质。

(三)有益效果

本发明提出一种可用于过冷氧制取和无损贮存的多层低温贮罐，本发明通过常压下温度更低的液氮与过冷氧进行换热，保证了过冷氧的过冷度，降低过冷氧吸热量，延长过冷氧的贮存时间。

附图说明

图1为现有真空贮罐的流程示意图；

图2为本发明的多层低温贮罐示意图；

图3为本发明的喷淋装置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为延长过冷氧贮存时间，降低过冷氧吸热量，设计多层换热贮罐贮罐，通过常压下温度更低的液氮与过冷氧进行换热，保证了过冷氧的过冷度，延长过冷氧的贮存时间。

贮罐设计三层结构，最内程为过冷氧贮罐，采用304不锈钢材质，用于过冷氧的贮存；罐体采用玻璃钢支座支撑，根据受力情况设置三组，分别位于罐体左侧、中部和右侧，其中右侧(靠近进出液管侧氧程和氮程管路)的支座为固定连接，其他支座仅提供支撑力，内外罐之间连接不固定，可滑动，在低温状态下可允许内外罐收缩量不同而产生相对位移；过冷氧贮罐外为液氮程，液氮程填充液氮与过冷氧程换热，保证过冷氧的过冷度；液氮程外包覆发泡保温层，采用聚氨酯发泡，用于罐体保温。

多层低温贮罐为三层结构，最内层为过冷氧贮罐，中间层为液氮层，液氮层外表面包覆绝热层；绝热层为聚氨酯发泡层；

过冷氧贮罐上部设置一路高压氦气气源接口；过冷氧贮罐左侧设置压力液位传感器，过冷氧贮罐右侧底部设置过冷氧真空绝热进出液管道，右上侧设置真空绝热排气管道，所有真空管上设置取样口，方便确认贮罐内液体品质，排气口设置两路并联的安全装置(安全阀+爆破片)，两路装置之间设置三通阀隔开。

液氮层上部设置高压氮气气源接口，气管末端连接喷淋装置主管道，通过喷淋装置喷口向液氮层内喷气，喷淋装置主管道为矩形结构，管道上均匀开孔。液氮层右上侧设置真空绝热排气管道，排气管道分支设预冷加注口，排气管末端连接喷淋装置主管道；贮罐左侧设置压力液位传感器；贮罐右侧底部设置液氮真空绝热进出液管道，右侧最下方的管道即为液氮的进出液口，可以加注补充液氮，也可将不用的液氮排出。喷淋装置示意图见图3。

氧程贮罐置于氮程贮罐内部，在加注了液氧和液氮后，可通过氧程贮罐的罐壁换热，自然获取液氮温度下的过冷氧。

氧程贮罐置于氮程贮罐内部，在长期贮存的过程中，氧程贮罐全部浸泡在液氮中，通过与液氮换热，液氧可一直保持在液氮沸点的过冷态温度，实现无损贮存，氮程贮罐同时与罐内的氧程贮罐和罐外的环境大气换热，当液氧和液氮温度一致后内部换热达到稳态，但外部换热会持续进行，液氮会蒸发减少，须对氮程贮罐的液位进行监测，及时补充液氮，以维持罐内液氧的过冷度。本设计方案中氮程贮罐采用了发泡绝热的方式，为提升氮程贮罐的绝热性能、减少液氮存放时的消耗，还可以采取粉末堆积绝热或真空绝热的方式。

氧程和氮程贮罐分别使用高压氦气和高压氮气气源，常温状态时可进行贮罐氧程和氮程的气检、吹除、置换等工作，低温状态时可对氧程、氮程气枕增压(装载低温液体不可能全满，液面以上的罐内空间就是气枕)，作为液氧、液氮输出的动力源。氮程气枕可使用高压氮气进行增压，氧程气枕的增压管由于须穿过液氮区域，使用高压氮气会被液化，因此必须使用熔点更低的氦气作为增压气源(氦气难溶于液氧，不会对液氧的品质有影响)。同时，在过冷氧贮存期间，由于其气枕的饱和压力低，相对于环境大气的压力会处于负压状态，为避免环境中的气体进入氧程贮罐，可使用氦气增压将氧程贮罐的气枕保持在正压状态，且不会影响液氧的过冷度。

液氮程顶部设置喷淋装置，贮罐预冷时可使液氮均匀喷洒在过冷氧罐表面，提高预冷效率，且能有效减少氧程和氮程贮罐局部骤冷导致低温应力集中的风险。

液氮程和过冷氧程顶部设置排气管，罐内压力过高时可通过排气管泄压，排气管上设置两组互为备份的安全装置，由爆破片和安全阀串联组成，通过三通阀实现切换。

液氮程排气管并联一路加注管，联通氮程喷淋装置用于给过冷氧程预冷。

氧程和氮程的排气管上分别设置取样管和阀门，可对各自贮罐内的气枕介质进行取样，化验检验罐内气相的品质。

氧程和氮程贮罐的进出液管位于贮罐底部，主要用于过冷氧、液氮的加注和泄出。氧程和氮程的进出液管上分别设置取样管和阀门，可对各自贮罐内的液体介质进行取样，化验检验罐内液相的品质。为便于液氧、液氮的排出以及取样，进出液管的设置应低于贮罐下沿。

氧程和氮程的进出液管和排气管均设置在贮罐的同侧封头，该封头处的氧程和氮程贮罐为固定支撑(连接)状态，另一侧的氧程和氮程贮罐为活动支撑(连接)状态，在低温状态时，氧程和氮程的贮罐向同侧收缩，形变不会对贮罐的连接部位产生较大的应力。

阀门编号规则，Y01～Y10表示过冷氧程相关阀门，N01～N11表示液氮程相关阀门，Z01～Z04表示阻火器，S01～S04表示安全阀，H01～H04表示爆破片，C01～C02表示止回阀。

Y01～Y04，N01～N04为液氮层仪器仪表阀，主要用于监测过冷氧程和液氮程的液位和压力，以过冷氧程仪器仪表为例，正常状态下Y01～Y04阀门为打开状态，遇故障或超过使用年限需检修时，关闭仪表前后阀门，即可进行仪表拆卸检修。液氮程N01～N04与过冷氧程仪器仪表阀功能一致。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。