一种并行预冷的液氢加注系统及其方法与流程

本发明属于液氢，具体涉及一种并行预冷的液氢加注系统及其方法。

背景技术：

1、液氢加注系统主要功能是为运载火箭完成液氢的加注、泄回、信号联试以及管路气密性检查等工作。该系统确保液氢及氢气的安全排放，并实现液氢从贮存罐向目标罐转移。液氢加注工艺系统通常由贮罐、流量计、各类阀门和管路等组成。由于液氢的密度较小，通常采用挤压法进行加注。

2、液氢加注系统的加注工序主要包括整体置换、预冷、加注和脱落等步骤。其中，预冷阶段是指向置换完成后的系统先加注少量液氢。这些液氢在进入系统后会吸热汽化并排空，从而逐渐将整体系统的温度降低到液氢温度，有效减少液氢在加注过程中的损失。然而，在预冷的初期，由于管路和容器的温度较高，在预冷过程中壁面与低温介质接触导致剧烈的沸腾气化。这会在部分容器表面形成气膜，降低传热系数，从而延长预冷时间。因此，为了提高液氢加注系统的效率，满足不断增长的液氢使用需求，亟需设计一种更加高效的预冷系统及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中的不足，并提供一种并行预冷的液氢加注系统及其方法。该系统针对加注管路和加注箱进行并联预冷，同时利用差异化压力设计等技术，在对加注箱预冷时采用减压喷雾冷却方式，避免气膜弱化换热现象。

2、本发明所采用的具体技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供一种并行预冷的液氢加注系统，包括高压预冷管路、高压液氢罐、低压预冷管路、低压液氢罐、管阀子系统、液氢加注箱、引射子系统；所述引射子系统中包括引射管路、氢气引射器；

4、所述高压预冷管路为原始加注管路，依次连接高压液氢罐、高压液氢截止阀、管阀子系统、液氢三通阀和引射子系统中的引射管路；所述低压预冷管路为新增加注管路，依次连接低压液氢罐、低压液氢截止阀、液氢雾化阀和液氢加注箱内的雾化喷嘴阵列，将低压液氢罐中的液氢通过雾化的方式输入到液氢加注箱中；所述高压预冷管路和低压预冷管路之间设有设置液氢混合阀的支路，使得高压液氢罐和低压液氢罐并联，实现共同加注；

5、所述液氢加注箱顶部设置三个接口，第一接口连接低压预冷管路上的液氢雾化阀，第二接口连接排空管路，第三接口连接增压管路；所述排空管路和增压管路上分别设有排空阀和增压阀；所述液氢加注箱底部设置第四接口和第五接口，第四接口连接加注管路，第五接口连接供给管路；所述加注管路和供给管路上分别设有液氢加注阀和液氢供给阀；

6、所述引射管路的前端分为第一支路和第二支路，所述第一支路的进口与高压预冷管路中的液氢三通阀连通，将高压氢气作为氢气引射器的一次流体；所述第一支路上设有一次流进口阀；所述第二支路的进口与加注管路连通，将来自液氢加注箱的低压氢气作为氢气引射器的二次流体；所述第二支路上设有二次流进口阀。

7、作为优选，所述氢气引射器内包括一次流体喷嘴、二次流体管路、吸入腔、混合管和扩散管；所述一次流体喷嘴接收来自高压预冷管路的高压氢气，使得吸入腔形成一个低压区域；在压差作用下，所述二次流体管路吸入来自液氢加注箱的低压氢气，使得低压氢气和高压氢气在混合管内混合，在扩散管内降低流速后排出外部。

8、作为优选，所述管阀子系统包括依次连接的液氢阀门和液氢计量单元。

9、进一步的，所述液氢阀门采用球阀、截止阀、调节阀或安全阀。

10、进一步的，所述液氢计量单元采用质量流量计、液位计、流速计、温度传感器或压力传感器。

11、作为优选，所述管阀子系统还包括设置在液氢阀门和液氢计量单元之间的液氢功能部件，所述液氢功能部件采用压力调控类部件、温度调控类部件或泵类部件。

12、作为优选，所述雾化喷嘴阵列内包括若干个可旋转的雾化喷嘴，将来自低压液氢罐中的液氢多角度输入液氢加注箱中冷却。

13、作为优选，所述供给管路的出口设有用于连接外部设备的法兰。

14、作为优选，所述高压预冷管路、低压预冷管路和液氢加注箱外部设置绝热材料，防止漏热；所述高压液氢罐和低压液氢罐采用自增压的方式进行液氢输送。

15、第二方面，本发明提供一种利用第一方面所述并行预冷的液氢加注系统的方法，包括预冷阶段和加注阶段；

16、所述预冷阶段具体如下：

17、打开高压液氢截止阀、管阀子系统中的液氢阀门和一次流进口阀，所述液氢三通阀连接管阀子系统和一次流进口阀；高压液氢罐通过自增压进入高压供液状态，高压液氢通过高压液氢截止阀进入管阀子系统，转化为高压氢气，实现管阀子系统的整体预冷；随后高压氢气通过液氢三通阀和一次流进口阀进入氢气引射器的一次流体喷嘴；

18、打开低压液氢截止阀、液氢雾化阀、液氢加注阀和二次流进口阀；低压液氢罐通过自增压进入低压供液状态，低压液氢通过低压液氢截止阀和液氢雾化阀进入雾化喷嘴阵列，雾化后的液氢颗粒接触液氢加注箱壁面后迅速汽化为低压氢气；随后低压氢气通过液氢加注阀、二次流进口阀进入氢气引射器的二次流体管路；

19、所述氢气引射器开始运行，一次流体喷嘴接收来自高压预冷管路的高压氢气和二次流体管路吸入的低压氢气在混合管内混合，随后在扩散管内降低流速后排出外部；直至通过一次流进口阀、二次流进口阀的介质均为液氢，预冷结束，关闭液氢雾化阀、一次流进口阀、二次流进口阀；

20、所述加注阶段具体如下：

21、高压液氢罐通过自增压转变为低压供液状态，打开排空阀和液氢混合阀；所述液氢三通阀连接管阀子系统和液氢加注阀，来自高压液氢罐的液氢介质与来自低压液氢罐的液氢介质通过液氢混合阀合并，随后通过管阀子系统、液氢三通阀、液氢加注阀进入液氢加注箱，进行液氢加注；加注过程产生的氢气通过排空阀排空；

22、当液氢加注箱内部的液氢达到目标液位后，关闭高压液氢截止阀、液氢阀门、低压液氢截止阀、液氢加注阀和液氢混合阀，排空阀保持常开，加注完成。

23、本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

24、(1)本发明提供的液氢加注系统能够减少预冷时间、提高预冷效率。通过对液氢加注管路和液氢加注箱进行同步并联预冷，可以显著减少系统的整体预冷时间；对于预冷时间较长的液氢加注箱，采用外部液氢罐直接喷雾冷却的方式，可以有效避免传统预冷过程中产生气膜，从而降低预冷效率的问题；通过分别设置高压预冷和低压预冷，并利用氢气引射器部件，可以降低液氢加注箱内部压力，进一步提升雾化后的液氢汽化效率，加快液氢加注箱整体冷却；

25、(2)本发明提供的液氢加注系统设置了以氢气引射器为核心的引射子系统，具有无需外部能量消耗、方便移动拆卸、可重复使用等优点，增加了系统的灵活性和经济性。

技术特征：

1.一种并行预冷的液氢加注系统，其特征在于，包括高压预冷管路(1)、高压液氢罐(2)、低压预冷管路(9)、低压液氢罐(10)、管阀子系统(4)、液氢加注箱(13)、引射子系统(20)；所述引射子系统(20)中包括引射管路(21)、氢气引射器(24)；

2.根据权利要求1所述的并行预冷的液氢加注系统，其特征在于，所述氢气引射器(24)内包括一次流体喷嘴、二次流体管路、吸入腔、混合管和扩散管；所述一次流体喷嘴接收来自高压预冷管路(1)的高压氢气，使得吸入腔形成一个低压区域；在压差作用下，所述二次流体管路吸入来自液氢加注箱(13)的低压氢气，使得低压氢气和高压氢气在混合管内混合，在扩散管内降低流速后排出外部。

3.根据权利要求1所述的并行预冷的液氢加注系统，其特征在于，所述管阀子系统(4)包括依次连接的液氢阀门(5)和液氢计量单元(7)。

4.根据权利要求3所述的并行预冷的液氢加注系统，其特征在于，所述液氢阀门(5)采用球阀、截止阀、调节阀或安全阀。

5.根据权利要求3所述的并行预冷的液氢加注系统，其特征在于，所述液氢计量单元(7)采用质量流量计、液位计、流速计、温度传感器或压力传感器。

6.根据权利要求1所述的并行预冷的液氢加注系统，其特征在于，所述管阀子系统(4)还包括设置在液氢阀门(5)和液氢计量单元(7)之间的液氢功能部件(6)，所述液氢功能部件(6)采用压力调控类部件、温度调控类部件或泵类部件。

7.根据权利要求1所述的并行预冷的液氢加注系统，其特征在于，所述雾化喷嘴阵列(14)内包括若干个可旋转的雾化喷嘴，将来自低压液氢罐(10)中的液氢多角度输入液氢加注箱(13)中冷却。

8.根据权利要求1所述的并行预冷的液氢加注系统，其特征在于，所述供给管路的出口设有用于连接外部设备的法兰(19)。

9.根据权利要求1所述的并行预冷的液氢加注系统，其特征在于，所述高压预冷管路(1)、低压预冷管路(9)和液氢加注箱(13)外部设置绝热材料，防止漏热；所述高压液氢罐(2)和低压液氢罐(10)采用自增压的方式进行液氢输送。

10.一种利用权利要求2～9任一所述并行预冷的液氢加注系统的方法，其特征在于，包括预冷阶段和加注阶段；

技术总结本发明公开了一种并行预冷的液氢加注系统及其方法，属于液氢技术领域。该液氢加注系统包括高压预冷管路、高压液氢罐、低压预冷管路、低压液氢罐、管阀子系统、液氢加注箱、引射子系统；所述引射子系统中包括引射管路、氢气引射器。该系统能够减少预冷时间、提高预冷效率：通过对液氢加注管路和液氢加注箱进行同步并联预冷，可以显著减少系统的整体预冷时间；对于预冷时间较长的液氢加注箱，采用外部液氢罐直接喷雾冷却的方式，可以有效避免传统预冷过程中产生气膜，从而降低预冷效率的问题；通过分别设置高压预冷和低压预冷，并利用氢气引射器部件，可以降低液氢加注箱内部压力，进一步提升雾化后的液氢汽化效率，加快液氢加注箱整体冷却。技术研发人员：张春伟,齐向阳,汪丽,李星,胡滨,黄平瑞,李庆港,蒋全浩,谢志阳,郑栋晨,石宁钰,李山峰,王成刚受保护的技术使用者：北京航天试验技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/26