液态甲烷的过冷方法及用于液态甲烷过冷的冷却系统与流程

本发明涉及火箭推进剂冷却技术领域，尤其涉及一种液态甲烷的过冷方法及用于液态甲烷过冷的冷却系统。

背景技术：

液氧甲烷推进剂以其低成本、无污染、易获取等特点，在商业航天中有着较为广阔的应用前景。目前，国外的私营航天公司包括spacex和蓝色起源等已经在其运载火箭中应用了液氧甲烷火箭发动机，以液氧甲烷为推进剂的液体火箭在国内尚无应用先例。

液体推进剂在火箭发动机燃烧过程会释放出大量热量，这种高热环境给火箭发动机相关部件(如推力室)带来较大的安全隐患。过冷的液态甲烷有利于发动机启动，降低涡轮泵泵前压力，改善对发动机的预冷效果。

亟需提供一种适用于液态甲烷冷却的方法，从而为液氧甲烷推进剂用于液体运载火箭打下基础。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种液态甲烷的过冷方法及用于液态甲烷过冷的冷却系统，其中，液态甲烷过冷方法将待过冷的液态甲烷分为至少两个流路，并至少对其中一个流路进行冷却，从而可以更好地控制液态甲烷的温度，改善液体火箭发动机的性能。

本发明的一个方面提供了一种液态甲烷的过冷方法，包括：使液态甲烷分为至少两个流路，所述两个流路包括第一流路和第二流路；对所述第一流路中的液态甲烷进行冷却处理；使所述第一流路中经过冷却后的液态甲烷与所述第二流路中的液态甲烷混合，形成过冷液态甲烷。

在一个实施例中，所述使液态甲烷分为至少两个流路包括：通过分流装置使液态甲烷分为至少两个流路；使所述第一流路中经过冷却后的液态甲烷与所述第二流路中的液态甲烷混合之后包括：检测混合后液态甲烷的温度；以及根据所述温度调整所述分流装置的状态，其中，在所述温度高于设定温度上限时，控制所述分流装置增大所述第一流路中液态甲烷的流量和/或减小所述第二流路中液态甲烷的流量。

在一个实施例中，所述对所述第一流路的液态甲烷进行冷却处理包括：以液氮作为冷却介质对所述第一流路中的液态甲烷进行冷却处理；所述以液氮作为冷却介质对所述第一流路中的液态甲烷进行冷却处理包括：使液氮分为至少第一液氮流路和第二液氮流路；对所述第一液氮流路进行升温处理，以及使所述第一液氮流路中经升温处理的液氮与所述第二液氮流路中的液氮混合，以及以混合液氮作为冷却介质对所述第一流路中的液态甲烷进行冷却处理。

在一个实施例中，所述对所述第一流路的液态甲烷进行冷却处理包括：使所述第一流路中的液态甲烷进入釜式再沸器的管程，以及使混合液氮进入釜式再沸器的壳程，从而位于管程的液态甲烷通过与位于壳程的混合液氮换热而被冷却。

在一个实施例中，过冷方法包括：通过液位计检测所述壳程内的混合液氮的液位高度，当液位高度低于设定范围下限时，增大液氮流量控制阀的开度，直至壳程内的液位高度上升到设定范围内。

在一个实施例中，所述对所述第一流路的液态甲烷进行冷却处理之前包括：设定壳程内的气枕压力参数范围，以提高液态甲烷的凝固点温度，防止液态甲烷凝固；所述对所述第一流路的液态甲烷进行冷却处理还包括：检测所述壳程内的气枕压力，以及根据所述气枕压力参数范围与检测到的气枕压力之间的关系控制设于所述壳程的排气管路压力控制阀状态，若气枕压力大于设定值上限，则打开压力控制阀排气，若气枕压力小于设定值下限，则关闭压力控制阀，以维持所述壳程内的气枕压力在设定范围之内。

在一个实施例中，所述第一液氮流路和所述第二液氮流路中控制阀的状态由混合后的液氮温度参数控制，如果混合后的液氮温度高于设定值上限，则增大第二液氮流路中液氮的流量和/或减小第一液氮流路中液氮的流量；如果混合后的液氮温度低于设定值下限，则增大第一液氮流路中液氮的流量和/或减小第二液氮流路中液氮的流量。

在一个实施例中，所述第二液氮流路中控制阀状态由混合后的液氮温度控制，如果混合后的液氮温度高于设定值上限，则增大所述第二液氮流路中的控制阀开度，以使低温液氮的比例增加；如果混合后的液氮温度低于设定值下限，则减小第二液氮流路的控制阀开度，以使低温液氮的比例减少。

本发明的另一个方面提供了一种用于液态甲烷过冷的冷却系统，、包括：分流模块、冷却模块以及混合模块；其中所述分流模块用于将待冷却的液态甲烷至少分为第一流路和第二流路；所述冷却模块用于对所述第一流路中的液态甲烷进行冷却；所述混合模块用于将所述第一流路中经过冷却后的液态甲烷与所述第二流路中的液态甲烷混合，以形成过冷液态甲烷。

在一个实施例中，所述混合模块还包括控制器和检测器，所述分流模块包括分流阀；所述检测器用于检测所述冷却模块冷却后的液态甲烷与所述第二流路中的液态甲烷的混合温度，所述控制器用于根据所述混合温度调整所述分流阀的开度；其中所述混合温度高于设定温度上限时，所述控制器控制所述分流阀增大所述第一流路中液态甲烷的流量和/或减小所述第二流路中液态甲烷的流量；所述混合温度低于设定温度下限时，所述控制器控制所述分流阀减小所述第一流路中液态甲烷的流量和/或增大所述第二流路中液态甲烷的流量。

在一个实施例中，所述冷却模块包括釜式再沸器；其中所述第一流路中的液态甲烷进入所述釜式再沸器的管程通过与进入所述釜式再沸器的壳程的混合液氮进行热交换而被冷却，从而形成过冷液态甲烷。

在一个实施例中，冷却系统还包括：液氮分流模块，用于将液氮至少分流为第一液氮流路和第二液氮流路；液氮预热模块，用于对所述第一液氮流路中的液氮进行升温处理；混合控制模块，用于将经升温处理的液氮以及流经第二液氮流路中的液氮进行混合，并且根据混合后的液氮温度调整所述第一液氮流路和/或所述第二液氮流路中液氮流量。

本发明实施例的液态甲烷的过冷方法及冷却系统，可以更好的控制液态甲烷的温度，从而改善液氧甲烷发动机的工作性能。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。

附图说明

下面的附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。

图1为本发明实施例的液态甲烷过冷方法的流程图。

图2为本发明实施例的过冷方法中混合液态甲烷温控流程图。

图3为本发明实施例的过冷方法中混合液氮生成流程图。

图4为本发明实施例的过冷方法中液氮所在的壳程气枕压力控制流程图。

图5-7为本发明实施例的冷却系统示意图。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

本发明的一个方面提供了一种液态甲烷的过冷方法。参见图1，过冷方法包括如下步骤：

步骤s100：使液态甲烷分为至少两个流路，所述两个流路包括第一流路和第二流路；

步骤s200：对所述第一流路中的液态甲烷进行冷却处理；

步骤s300：使所述第一流路中经过冷却后的液态甲烷与所述第二流路中的液态甲烷混合，形成过冷液态甲烷。

本发明的实施例，通过使液态甲烷分为两个流路，对其中一个流路的液态甲烷进行冷却处理，可以改善液态甲烷的冷却效果，提高液态甲烷过冷工艺过程的温控精度，从而改善火箭发动机的工作性能。

需要说明的是，在上述实施例中，也可以将液态甲烷分为多个流路，且对其中一部分流路中的液态甲烷进行温度差异冷却，并将这些经差异冷却的液态甲烷进行混合，形成最终的过冷液态甲烷。本发明的实施例，通过将多条流路的液态甲烷进行温度差异化冷却，进一步提高混合液态甲烷的混合温度控制精度，减少高低温液态甲烷混合时可能发生的气化现象，提高液态甲烷的利用率。

在一个实施例中，步骤s100使液态甲烷分为至少两个流路包括：

通过分流装置使液态甲烷分为至少两个流路。例如，分流装置可以是分流阀。例如，从单一流路进入分流阀的液态甲烷可以被分流阀分流为两个流路，其中一个流路中的液态甲烷被冷却后与另一个流路中的液态甲烷结合，形成混合液态甲烷。

参见图2，使第一流路中经过冷却后的液态甲烷与第二流路中的液态甲烷混合之后包括：

s201：检测混合后液态甲烷的温度；例如，可以通过温度传感器检测混合后的液态甲烷的温度。以及

s202：根据所述温度调整分流装置的状态，其中，在温度高于设定温度上限时，控制分流装置增大第一流路中液态甲烷的流量和/或减小第二流路中液态甲烷的流量。

本发明的实施例的液态甲烷过冷方法，通过检测混合后的液态甲烷温度，并根据检测结果调整分流阀的状态，改变不同流路的液态甲烷流量，可以提高液态甲烷冷却过程的温度控制精度，改善冷却效果。

在上述步骤s202中，如果检测器检测到的混合后的液态甲烷温度低于设定温度下限，可以控制分流阀减小第一流路的液态甲烷流量和/或增大第二流路中液态甲烷的流量，从而使经冷却后的液态甲烷温度上升到设定范围以内。

在一个实施例中，步骤s200对第一流路的液态甲烷进行冷却处理包括：

以液氮作为冷却介质对第一流路中的液态甲烷进行冷却处理。

参见图3，以液氮作为冷却介质对第一流路中的液态甲烷进行冷却处理包括：

s204：使液氮至少分为第一液氮流路和第二液氮流路；

s205：对第一液氮流路进行升温处理，以及

s206：使第一液氮流路中经升温处理的液氮与第二液氮流路中的液氮混合，以及以混合液氮作为冷却介质对第一流路中的液态甲烷进行冷却处理。

本发明的实施例通过将液氮分为两个流路，并使其中一个流路升温处理后与另一流路液氮混合，可以改善混合液氮的温度控制精度，改善对液态甲烷的冷却效果。

在一个实施例中，对第一流路的液态甲烷进行冷却处理包括：使第一流路中的液态甲烷进入釜式再沸器的管程，以及使混合液氮进入釜式再沸器的壳程，从而位于管程的液态甲烷通过与位于壳程的混合液氮换热而被冷却。同样，本领域技术人员可知，液态甲烷也可以流入釜式再沸器的壳程，混合液氮进入釜式再沸器的管程。

在一个实施例中，过冷方法包括：通过液位计检测壳程内的混合液氮的液位高度，当液位高度低于设定范围下限时，增大液氮流量控制阀的开度(例如，该液氮流量控制阀可以设置在液氮分流之前的管路)，直至壳程内的液位高度上升到设定范围内。在对液态甲烷过冷操作之前，可以根据第一流路中液态甲烷的流量设定釜式再沸器中液位高度，以确保对液态甲烷进行充分冷却，同时确保液态甲烷的冷却过程安全可控。

在一个实施例中，步骤s200对第一流路的液态甲烷进行冷却处理之前包括：

设定壳程内的气枕压力参数范围，以缓解由于液氮在管程内的气化导致管程温度降低现象，从而防止液态甲烷凝固。液氮在对液态甲烷进行冷却的过程中，会发生气化现象，液氮的气化会吸收热量，从而导致壳程内的温度降低，进而使管程内的液态甲烷凝固，通常情况下，气枕压力越高，液氮的气化现象越弱，因此，通过设定气枕压力范围以及使液氮所在壳程压力维持在该范围内，可以缓解液氮气化现象，防止壳程内的温度显著降低，从而避免液态甲烷在冷却过程中，发生凝固现象，提高液态甲烷的利用率。

参见图4，步骤s200对第一流路的液态甲烷进行冷却处理还包括：

步骤s207：检测所述壳程内的气枕压力，以及

步骤s208：根据气枕压力参数范围与检测到的气枕压力之间的关系控制设于壳程的排气管路压力控制阀状态，若气枕压力大于设定值上限，则打开压力控制阀排气，若气枕压力小于设定值下限，则关闭压力控制阀，以维持壳程内的气枕压力在设定范围之内。本发明的实施例的液态甲烷过冷方法，通过设定液氮的气枕压力参考范围，可以有效避免液态甲烷在与液氮热交换过程中，发生凝固现象。

在一个实施例中，第一液氮流路和第二液氮流路中流量控制阀的状态由混合后的液氮温度参数控制。如果混合后的液氮温度高于设定值上限，则增大第二液氮流路中液氮的流量和/或减小第一液氮流路中液氮的流量。如果混合后的液氮温度低于设定值下限，则增大第一液氮流路中液氮的流量和/或减小第二液氮流路中液氮的流量。本发明的实施例的液态甲烷过冷方法，可以根据混合液氮温度调节两个液氮流路的流量，以使混合液氮温度在设定范围之内，从而改善液态甲烷的冷却精度。

在该实施例中，如果两个液氮流路由分流阀分流，则可以通过控调节分流阀，同时调节两个流路的流量。例如，通过调节分流阀，在使一个流路的流量增大的同时，可以使另一个流路的流量减小。如果两个流路分别设置流量阀，可以根据混合液氮温度，分别调节两个流量阀的开度，从而增大或减小或关闭某一液氮流路的流量。

例如，也可以仅通过控制一个液氮流路的流量，调节混合液氮温度。具体地，第二液氮流路中控制阀状态由混合后的液氮温度控制，如果混合后的液氮温度高于设定值上限，则增大第二液氮流路中的控制阀开度，以使低温液氮的比例增加，进而在第一液氮流路流量不变的情况下，降低混合液氮温度。如果混合后的液氮温度低于设定值下限，则减小第二液氮流路的控制阀开度或关闭第二液氮流路的控制阀，以使低温液氮的比例减少，进而在第一液氮流路流量不变的情况下，提高混合液氮温度。本发明实施例的液态甲烷过冷方法，通过仅调节其中一个液氮流路的流量，可以实现对混合液氮温度地快速调节，简化了液态甲烷的冷却工艺。

本发明的另一个方面提供了一种用于液态甲烷过冷的冷却系统。参见图5，冷却系统包括：分流模块10、冷却模块20以及混合模块30。其中分流模块10用于将待冷却的液态甲烷至少分为第一流路c1和第二流路c2。冷却模块20用于对第一流路c1中的液态甲烷进行冷却。混合模块30用于将第一流路c1中经过冷却后的液态甲烷与所述第二流路c2中的液态甲烷混合，以形成过冷液态甲烷。本发明实施例的冷却系统，通过将液态甲烷分为两个流路，并对两个流路采用不同处理方式，可以改善液态甲烷的冷却效果。

继续参见图6，在一个实施例中，混合模块30还包括控制器、温度检测器31，32(图6所示的te、tt、和ti)。分流模块10包括分流阀tv。温度检测器用于检测经冷却模块20冷却后的液态甲烷与第二流路c2中的液态甲烷的混合温度，控制器用于根据混合温度调整分流阀tv的开度。混合温度高于设定温度上限时，控制器控制分流阀tv增大第一流路c1中液态甲烷的流量和/或减小第二流路c2中液态甲烷的流量。混合温度低于设定温度下限时，控制器控制分流阀tv减小第一流路c1中液态甲烷的流量和/或增大第二流路c2中液态甲烷的流量。本发明的实施例通过混合液态甲烷温度调节分流阀状态，可以改善液态甲烷的冷却效果，从而提高火箭发动机的工作性能。

继续参见图6，在一个实施例中，冷却模块20包括釜式再沸器e1。其中第一流路c1中的液态甲烷进入釜式再沸器e1的管程通过与进入釜式再沸器e1的壳程的混合液氮进行热交换而被冷却，从而形成过冷液态甲烷。同样，液态甲烷也可以进入程，并通过与进入管程的液氮进行热交换而被冷却。在位于釜式再沸器的管程中的液态甲烷与壳程的液氮换热而被冷却后经由流量阀xv后与第二流路c2的液态甲烷混合，且混合后的液态甲烷流量由混合模块30中的流量阀xv调节。

参见图7，在一个实施例中，冷却系统还包括：液氮分流模块40，用于将液氮至少分流为第一液氮流路n1和第二液氮流路n2。液氮预热模块50，用于对第一液氮流路n1中的液氮进行升温处理(例如，第一液氮流路中地液氮可以由如图所示的空温器e2加热)。混合控制模块60，用于将经升温处理的液氮以及流经第二液氮流路n2中的液氮进行混合，并且根据混合后的液氮温度调整第一液氮流路n1和/或第二液氮流路n2中液氮流量。本发明实施例的冷却系统，通过将液氮分为至少两个流路，并对两个流路的液氮进行不同处理，可以提高液氮冷却控温精度及控温速度，从而改善对液态甲烷的冷却效果。

例如，混合控制模块60可以包括温度传感器和控制器，即图7混合液氮进入釜式再沸器壳程之前所示的te、tt、ti，以调整第二液氮流路n2的流量阀xv。具体地，例如，温度传感器可以测量混合液氮温度，且在混合液氮温度高于设定值上限时，控制器可以接收温度传感器信号，增大第二液氮流路的流量阀tv的开度，从而降低混合液氮温度。在混合液氮温度低于设定值下限时，控制器可以接收温度传感器信号，减小第二液氮流路的流量阀tv的开度或关闭第二液氮流路的流量阀tv，从而增加混合液氮温度。

本领域技术人员可知，第一液氮流路和第二液氮流路可以由分流阀控制，从而在混合液氮温度高于设定范围上限时，通过调节分流阀，同时使第一液氮流路n1的液氮流量减小和使第二液氮流路n2的液氮流量增大，或者在混合液氮温度低于设定范围下限时，通过调节分流阀，同时使第一液氮流路n1的液氮流量增大和使第二液氮流路n2的液氮流量减小。本发明实施例的冷却系统，混合控制模块可以根据混合液氮出口温度，调整第一液氮流路和/或第二液氮流路的流量，从而可靠地控制混合液氮温度，改善对液态甲烷地冷却效果。

如图7所示，前文中的釜式再沸器e1的液位检测由液位计it检测，液位高度控制通过调整流量阀lv控制，在釜式再沸器的液位低于设定值时，增大流量阀lv的开度，反之亦然。此外，釜式再沸器的壳程压力通过如图7所示的pe、pi、pv调节，即壳程内压力高于设定温度范围上限时，壳程的排气管路打开，确保壳程压力在设定范围之内。

本发明实施例的液态甲烷过冷方法及冷却系统，可以更好的控制液态甲烷的温度，从而改善液氧甲烷发动机的工作性能。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。