工作于室温温区的用于热力学排气系统研究的模拟系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于研究热力学排气系统的模拟系统，尤其是涉及一种工作于室温温区的用于热力学排气系统研究的模拟系统。
【背景技术】
[0002]低温推进剂(如液氢LH2、液氧L02、液态甲烷LCH4等)长期在轨贮存过程中，由于空间环境漏热，使得低温推进剂汽化从而造成储箱内压力升高，当达到储箱设计压力许用值时，必须给予排放。由于微重力下气液不明显分离，若采用定期直接放空的方法，则将导致大量液体排出箱外，造成推进剂质量损失。寻求一种既可以有效控制储箱压力又可以在相同条件下将低温推进剂损失最小化的新技术手段，对于低温推进剂的长期在轨贮存实为重要。由Rockwe11 Internat1nnal Corporat1n在公开号为US5398515的美国专利中提出的热力学排气系统(Thermodynamic Vent System,TVS)便是能够满足这一要求的有效解决方案之一，它能够在地面Ig重力和空间Og重力环境下实现只排气不排液，还可以消除储箱内液体的热分层，在双重作用下控制储箱压力。但该专利是针对L02、LH2等低温流体储箱的，实现技术难度大、安全要求高、造价昂贵，不适合热力学排气技术的共性规律基础研究。其储箱为封闭体，无法或者不方便更换内部换热单元部件或者对部件的配置进行操作;箱内不涉及能够实时反映储箱内流体热分层水平的温度测量系统和反映液体充注/剩余的液位测量系统；也缺少对储箱内气液两相流体热力学状态进行可视化观察的允许条件。由于低温流体与大气环境之间存在巨大温场，该专利的储箱系统绝热控制不易实现;工作于低温下的低功耗循环栗技术难度大。
[0003]经检索发现，国内外未有在地面利用沸点温度较高的制冷剂作为模拟工质来提供热力学排气共性技术研究的装置或者系统。这种装置或者系统要求能够方便、低成本地实现储箱内的介质热力学变化过程的测量观察和热力学排气各组成单元工作性能的评估，允许箱体频繁的开启并替换、配置内部的器件。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、安全可靠、成本低、易于拆装更换的工作于室温温区的用于热力学排气系统研究的模拟系统。本发明的模拟系统可有效用于实现流体在密闭容器内受热发生气液相变后的自增压及排气控压过程模拟。
[0005]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0006]—种工作于室温温区的用于热力学排气系统研究的模拟系统，包括:
[0007]储箱:两端带有椭圆封头的圆筒体，用于盛放推进剂，其上设置有推进剂输入管路与排气管路，在推进剂输入管路与排气管路上设置阀门；
[0008]换热喷射装置:位于储箱内部，下端与储箱的内部通过管路连接为循环回路，在循环回路上设有电磁阀与循环栗，上端设置出口管，出口管与伸出储箱外部的推进剂输出管路连通，在推进剂输出管路上设置电磁阀；
[0009]加热器:设置在储箱外侧，用于模拟储箱漏热；
[0010]补气增压管路:与储箱内部相通，用于向储箱内增压；
[0011]传感器:包括监测储箱内部、推进剂输入管路、推进剂输出管路与排气管路上压力、流量、液位、温度的压力传感器、流量传感器、差压液位传感器及温度传感器；
[0012]数据采集仪:与传感器连接，采集传感器的数据并传输给计算机；
[0013]计算机:接收传感器的数据，并作逻辑判断后，通过逻辑控制器发送命令控制电磁阀与循环栗的开启与关闭，实现符合热力学排气规律要求的自动化控制。
[0014]所述的换热喷射装置包括三套管式换热器、分液器、安装法兰及喷射器，所述的三套管式换热器包括同心设置的内管、中间管及外管，所述的内管、所述的中间管与外管之间的夹层同时与所述的分液器连通，构成三套管式换热器的一个双程换热通道，所述的内管与中间管之间的夹层为三套管式换热器的另一个换热通道，且所述的内管与中间管之间的夹层连通入口管与出口管，所述的安装法兰同时与内管、中间管及外管焊接连接，且安装法兰中心开设与内管内部连通的开口，所述的喷射器安装在外管外壁上，并和中间管与外管之间的夹层相通。所述的内管与中间管之间的夹层沿轴向螺旋缠绕扰动丝，且该扰动丝紧贴内管外壁，所述的中间管与外管之间的夹层沿轴向螺旋缠绕扰动丝，且该扰动丝紧贴中间管外壁。所述的扰动丝为紫铜丝。通过设置扰动丝，增强流体扰动，提高了换热器效率。
[0015]所述的分液器为由顶面与底面组成的腔体结构，所述的分液器的底面同时与内管、中间管及外管连接，所述的分液器的底面中间开设有与内管相通的圆孔，在圆孔的周围开设有扇形开孔，所述的扇形开孔和中间管与外管之间的夹层相通。所述的分液器的顶面为外凸的曲面形状，曲面形状减少了流体经由所述分液器进入所述三套管式换热器外管与中间管之间的夹层时产生的能量损失。
[0016]所述的喷射器共有若干组，每组喷射器位于外管外壁的一个平面上，不同组喷射器之间平行设置，每组喷射器共有4个，沿外管外壁成四分圆周切向分布，所述的喷射器为光滑过渡的L形喷射管，入口端垂直连通在外管侧壁上，出口端平行于外管圆周切向方向。所述的喷射器在外管圆周方向相隔90度沿切向喷射流体，喷射器实现了低温推进剂在储箱内的扰动，增强了消除热分层的效果。所述的喷射器的出口端内侧开设有螺纹，可以通过在喷射器的出口端是否拧入螺纹堵头来实现按需的非均匀喷射，以适应实际在轨低温推进剂储箱太阳向背时非均匀热流密度的情况。同理，也可以在喷射器的出口端外侧开设螺纹，拧入封闭的螺帽来堵住喷射器。
[0017]所述的换热喷射装置实现了两股流体换热并将其中一股流体喷射返回储箱耦合为一体的双重功能。.
[0018]所述的储箱两端分别为上端封头与下端封头，上端封头通过连接法兰与储箱主体相连，实现储箱的敞开和密闭，当需要安装、更换储箱内部被测部件时，可通过打开连接法兰并移走上端封头实现;所述的安装法兰固定于储箱下端封头的内侧底部，且在储箱外部设有循环管路，该循环管路头端连接在下端封头上，并与储箱内部连通，该循环管路尾端通过安装法兰上的开口与内管内部连通。
[0019]由循环管路头端向尾端方向，在循环管路上顺序设置有电磁阀、阀门、过滤器、流量传感器、循环栗、流量传感器及电磁阀，在循环栗与流量传感器之间引出节流管路，并且该节流管路与入口管相连通，在节流管路上设有电磁阀及节流阀，过滤器用于防止杂质进入流量计中。
[0020]所述的排气管路上顺序设置有阀门、流量传感器及阀门，所述的推进剂输出管路上设有电磁阀，所述的补气增压管路上设有阀门，所述的补气增压管路与氮气瓶连接，所述的推进剂输入管路上设有阀门，所述的压力传感器通过管路直接与储箱内部连通。
[0021]所述的储箱外壁对称开设有两个观察窗，用于通过高速相机观察储箱内部气液两相流动规律。
[0022]所述的储箱底部设有三个带滚轮的支腿，使得储箱可以方便移动，三个支腿中部均有环氧板隔层以减少储箱通过支腿的漏热。
[0023]所述的差压液位传感器布置在储箱外底部，用于测量储箱的液位，与差压液位传感器相连的气相引压管与液相引压管均沿储箱内壁面布置，不仅降低了外界环境漏热的影响，也减少了对于储箱内流体流场及温场的影响。在储箱内设置一垂杆，在垂杆上等间距布置有温度传感器。垂杆为细环氧杆，降低了垂杆自身导热对于储箱内温场的影响。
[0024]所述的加热器由紧贴储箱外壁面的四片功率可调的半开式加热瓦组成，既可以模拟储箱均匀漏热，也可以模拟储箱非均匀漏热。
[0025]与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果:
[0026]1、本发明中采用了新的换热喷射装置，将两股流体换热与其中一股返回储箱的流体喷射双重功能耦合为一体，并且换热喷射装置为独立的装置，采用法兰连接，方便安装、拆卸和更换。，换热喷射装置所用换热器为三套管式换热器，通过增加换热面积提高了换热效率。通过储箱内留存流体与排出流体之间的间壁式换热，实现留存流体的温度均匀化;换热喷射装置换热器中流道螺旋布有扰动丝，使得结构简单、紧凑、换热效率高；换热喷射装置采用四分圆周切向分布的若干组喷射器进行喷射，搅动效果明显，还可容易地改变喷射头的有效数量和分布，来实现按需的非均匀喷射，以适应实际在轨低温推进剂储箱太阳向背时非均匀热流密度的情况。换热喷射装置结构简单、换热效率高、喷射效果明显，可有效消除低温推进剂储箱中的热分层，达到辅助控制低温推进剂储箱压力的目的，有助于实现低温推进剂的长期存储。
[0027]2、本发明系统中，用于热力学排气系统研究的所有组件都在室温温区下工作，降低了对循环栗、液位计、流量计等设备的技术和成本要