一種定比例高壓混合供氣系統的製作方法

2024-04-14 08:41:05

1.本發明涉及航天技術領域，具體涉及一種定比例高壓混合供氣系統。


背景技術：

2.高壓壓縮空氣是一種常用的工業氣體，廣泛應用於航空、航天等多種領域，作為操作、控制、原料、環境保持等用氣。
3.現有技術通常採用複雜的多級空氣壓縮機壓縮空氣後通過除油、除雜、過濾、乾燥的方式供應用戶。在空氣壓縮過程中易引入油汙、顆粒物等雜質造成用氣設備損壞及用戶任務的失敗。多級壓縮機的複雜結構也導致系統可靠性降低。


技術實現要素：

4.因此，本發明要解決的技術問題在於解決現有技術中在空氣壓縮過程中易引入油汙、顆粒物等雜質造成用氣設備損壞的問題以及高能耗、低可靠性的缺點。
5.本發明提供了一種定比例高壓混合供氣系統，包括：
6.第一供氣機構，包括第一低溫液體儲罐和第一低溫液體增壓設備，所述第一低溫液體儲罐適於存儲第一介質，所述第一低溫液體增壓設備適於將第一低溫液體轉變為高壓液體狀態並輸出；
7.第二供氣機構，包括第二低溫液體儲罐和第二低溫液體增壓設備，所述第二低溫液體儲罐適於存儲第二介質，所述第二低溫液體增壓設備適於將第二低溫液體轉變為高壓液體狀態並輸出；
8.混合汽化緩衝輸出機構，包括低溫液體混合器、低溫液體汽化器和輸出緩衝罐。
9.第一供氣機構、第二供氣機構輸出端連接所述低溫液體混合器入口，所述低溫液體混合器出口連接所述低溫液體汽化器入口，所述汽化器出口連接所述輸出緩衝罐入口，所述輸出緩衝罐出口連接用氣終端。
10.所述第一供氣機構輸出的高壓液態的所述第一介質與所述第二供氣機構輸出的高壓液態的所述第二介質均輸送至所述低溫液體混合器，在所述低溫液體混合器中形成高壓混合液體並進入所述低溫液體汽化器，低溫液體汽化器適於對高壓混合液體進行汽化，通過輸出緩衝罐連通用氣裝置，輸出穩定壓力的高壓氣態混合介質。
11.進一步地，此定比例高壓混合供氣系統，所述第一低溫液體增壓設備包括第一泵本體、第二低溫液體增壓設備包括第二泵本體，所述第一泵本體與所述第二泵本體均採用往復式活塞泵，所述往復式活塞泵的恆流量特性可保證兩種介質的混合基本保持恆定比例。
12.進一步地，此定比例高壓混合供氣系統，所述第一供氣機構輸出的介質和第二供氣機構輸出的介質以低溫高壓液體形式在所述低溫液體混合器中進行混合，所述低溫液體混合器採用狹窄腔體結構，配合所述往復式活塞泵的脈衝式輸出特性，可強制所述第一介質與所述第二介質在所述低溫液體混合器中形成均勻混合的低溫液體介質。
13.進一步地，此定比例高壓混合供氣系統，所述第一介質和所述第二介質均採用單一種類高純度的低溫液體，所述高純度的低溫液體作為混合供氣的原料，確保了輸出混合氣體的潔淨度。
14.進一步地，此定比例高壓混合供氣系統，還包括：
15.泵變頻器與混合氣體比例在線分析部件連接為相結合的閉環控制。所述變頻器與所述第一低溫液體增壓設備和/或所述第二低溫液體增壓設備相連接，適於控制所述第一介質或所述第二介質的輸出流量，而所述第二介質或所述第一介質流量保持恆定，從而將兩種介質的混合比例控制在穩定的數值，依據混合氣體中兩種介質的實際比例對照設定的所需比例，調節所述第一低溫液體增壓設備或所述第二低溫液體增壓設備的運轉頻率及相應流量，從而實現輸出混合氣體中兩種介質的實際比例與所設定混合比例一致；
16.進一步地，此定比例高壓混合供氣系統，所述第一供氣機構還包括：
17.第一回流管，所述第一回流管連接所述第一低溫液體儲罐的氣相端與所述第一泵本體的液池端，適於將在所述第一泵本體中汽化的所述第一介質回流至所述第一低溫液體儲罐中；
18.第二回流管，所述第二回流管連接所述第二低溫液體儲罐的氣相端與所述第二泵本體的液池端，適於將在所述第二泵本體中汽化的所述第二介質回流至所述第二低溫液體儲罐中；
19.所述第一回流管與所述第二回流管適於當外界漏熱導致所述第一泵本體與所述第二泵本體發生氣蝕時及時排出氣體，確保所述第一泵本體與所述第二泵本體的正常運行，既可節約介質又可節約冷量。
20.進一步地，此定比例高壓混合供氣系統，所述第一供氣機構還包括第一溫度傳感器，所述第一溫度傳感器設置於所述第一泵本體上，適於檢測所述第一泵本體的溫度；
21.所述第二供氣機構上設有第二溫度傳感器，所述第二溫度傳感器設置於所述第二泵本體上，適於檢測所述第二泵本體上的溫度；
22.所述第一泵本體與所述低溫液體混合器之間的管路上還設有第三溫度傳感器與第一壓力傳感器，適於檢測判斷所述第一泵本體內是否發生氣蝕；
23.所述第二泵本體與所述低溫液體混合器之間的管路上還設有第四溫度傳感器與第二壓力傳感器，適於檢測判斷所述第二泵本體內是否發生氣蝕；
24.第一供氣機構與第二供氣機構上設置的溫度和壓力檢測可以向控制系統提供第一泵本體和第二泵本體的實時工況。當溫度和壓力檢測數據顯示泵出現氣蝕時可及時報警並通過開啟泵回流管上的放空閥及泵出口管上的放空閥，及時排出引起氣蝕的氣體，消除氣蝕。
25.本發明技術方案，具有如下優點：
26.1.本發明提供的定比例高壓混合供氣系統，以兩種單一的純淨低溫液體為原料介質進行液態下的定比例實時高壓混合及汽化，為用氣裝置提供穩定混合比的純淨高壓混合氣體。
27.2.本發明提供的定比例高壓混合供氣系統，基於往復式活塞泵的恆流量特性可保證兩種介質的混合保持恆定比例，並可方便實現35mpa及更高等級的供氣壓力。低溫液體混合器採用狹窄腔體結構，配合往復式活塞泵的脈衝式輸出特性，可強制兩種介質在低溫液
體混合器中形成均勻混合的低溫液體介質，實現穩定混合比的高壓混合過程。
28.3.本發明提供的定比例高壓混合供氣系統，採用混合氣體比例在線分析部件與活塞泵電機的變頻控制相結合的閉環控制技術方案，可實現低溫液體高壓混合比例實時微調，使得氣體混合比例更加精準、穩定。
29.4.本發明提供的定比例高壓混合供氣系統，低溫液體增壓設備設置了液池的氣相回流功能，並設置了溫度壓力等傳感器以實現泵狀態的在線檢測，兩者結合可確保增壓設備的穩定可靠運行。
30.5.本發明提供的定比例高壓混合供氣系統，無需使用壓縮機等複雜機械設備及龐大的配套設備，在供氣時不會引入油汙、顆粒物等雜質造成用氣設備損壞，具有結構簡單，可靠性高，操作方便，安全隱患少，使用成本低的優點。當以液氧為第一介質，液氮為第二介質時，可輸出高潔淨度的高壓無油人造空氣，替代大規模、高能耗的高壓壓縮空氣供氣系統，耗電僅為傳統空氣壓縮機的10％，極大降低了能耗，提高了用戶任務的可靠性與成功率。
附圖說明
31.為了更清楚地說明本發明具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施方式，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
32.圖1為本發明實施例中提供的混合供氣系統示意圖；
33.附圖標記說明：1、第一低溫液體儲罐；11、第一泵本體；12、第一泵電機；13、第一溫度傳感器；14、第三溫度傳感器；15、第一壓力傳感器；16、第一回流管；17、變頻器；2、第二低溫液體儲罐；21、第二泵本體；22、第二泵電機；23、第二溫度傳感器；24、第四溫度傳感器；25、第二壓力傳感器；26、第二回流管；3、低溫液體混合器；4、低溫液體汽化器；5、輸出緩衝罐；6、混合氣體比例在線分析部件。
具體實施方式
34.下面將結合附圖對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一個實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
35.在本發明的描述中，需要說明的是，術語「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」、「第三」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
36.在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本
發明中的具體含義。
37.實施例
38.如圖1所示，為本發明提供的定比例高壓混合供氣系統，包括第一供氣機構、第二供氣機構、低溫液體混合器3、低溫液體汽化器4和緩衝罐5，第一供氣機構包括存儲有第一介質的第一低溫液體儲罐1和第一低溫液體增壓設備，第二供氣機構包括有存儲第二介質的第二低溫液體儲罐2和第二低溫液體增壓設備，低溫液體混合器3的進口連接第一供氣機構與第二供氣機構，低溫液體混合器3的出口連接低溫液體汽化器4的進口。低溫液體汽化器4適於對第一介質和第二介質的混合介質進行加熱汽化，輸出緩衝罐5進口端與汽低溫液體汽化器4的出口端連接，輸出緩衝罐5的出口端將混合後的氣體輸送至用氣裝置。
39.本系統對第一介質不做具體限制，為符合現實情況，本實施例中第一介質為液氧，第一低溫液體儲罐1為液氧罐。
40.本系統對第二介質不做具體限制，為符合現實情況，本實施例中第二介質為液氮，第二低溫液體儲罐2為液氮罐。
41.本系統液氧增壓設備及液氮增壓設備均採用帶液池的活塞泵。以空氣中氧氮比例為目標，對液氧增壓設備及液氮增壓設備的流量配置採用約1：4的摩爾數比例。
42.本系統對低溫液體汽化器4的形式不做具體限制，為符合現實情況，本實施例中低溫液體汽化器4採用空浴式高壓汽化器。
43.第一低溫液體增壓設備(液氧泵)將液氧罐內的液氧增壓向低溫液體混合器3輸送，第二低溫液體增壓設備(液氮泵)將液氮罐內的液氮增壓並同時向低溫液體混合器3輸送。由於液氧泵與液氮泵的流量基本匹配，進入低溫液體混合器3的液氧與液氮比例基本符合空氣中的氧氣與氮氣的比例。液氧液氮混合物在汽化器4中被加熱汽化至常溫高壓氣體並輸送至緩衝罐5中，由緩衝罐5的出口端輸送至用氣裝置。空氣的主要成分為氮氣與氧氣，因此按空氣中氧氮比例混合後的氣體可作為高潔淨度的空氣直接輸出使用。
44.本實施例中，第一供氣機構上設有變頻器17，變頻器17與液氧泵相連接。在緩衝罐5的取樣點上還設置有混合氣體比例在線分析部件6，用以監測緩衝罐5內介質的氧氣含量以獲得氧含量數據。混合氣體比例在線分析部件6與變頻器17連接為閉環控制，變頻器17依據氧含量數據微調液氧泵輸出流量，使混合氣體中的含氧量精確符合大氣中的標準氧含量(20.9％)。
45.本系統混合氣體比例在線分析部件6應根據第一介質和第二介質確定，本實施例中混合氣體比例在線分析部件6採用氧含量分析儀。
46.第一低溫液體增壓設備包括第一泵電機12和第一泵本體11，第一泵電機12的輸出端與第一泵本體11的活塞部連接，第一泵電機12帶動第一泵本體11的活塞部移動以驅動液氧罐中的液氧向汽化器4內輸送，第二低溫液體增壓設備包括第二泵電機22和第二泵本體21，第二泵電機22的輸出端與第二泵本體21的活塞部連接，第二泵電機22帶動第二泵本體21的活塞部移動以驅動液氮罐中的液氮向低溫液體混合器3、汽化器4內輸送。
47.本系統對第一泵本體11和第二泵本體21的壓力不做具體限定，為符合現實情況，本實施例中第一泵本體11和第二泵本體21採用輸出壓力35mpa的高壓活塞泵。
48.在第一泵本體11與第二泵本體21靠近輸出端一側還設有放空管，當泵氣蝕時還可通過放空管釋放部分氣體。
49.第一供氣機構中，第一泵本體11上設置有第一溫度傳感器13，適於檢測第一泵本體11的溫度，第二供氣機構中，第二泵本體21上設置有第二溫度傳感器23，適於檢測第二泵本體21的溫度，第一供氣機構還包括第一回流管16，第一回流管連接液氧罐氣相與第一泵本體11的液池，適於將在第一泵本體11中汽化的液氧回流至液氧罐中，第二供氣機構還包括第二回流管26，第二回流管26連接第二儲罐2氣相與第二泵本體21，適於將在第二泵本體21中汽化的液氮回流至液氮罐中。
50.當第一溫度傳感器13顯示第一泵本體11中的溫度高於預設值，可通過打開第一回流管16上的控制閥，使氣態氧氣回流至液氧罐中。當第二溫度傳感器23顯示第二泵本體21中的溫度高於預設值，可通過打開第二回流管26上的控制閥，使氣態氮氣回流至液氮罐中。在第一回流管16與第二回流管26上還設有通向大氣的放空閥，當回流的氧氣或氮氣氣體過多時，可通過控制閥釋放部分氧氣或氮氣，避免泵氣蝕造成泵本體損壞。上述方法可將汽化後的介質回收重新利用，降低了使用的成本，具有結構簡單，易於控制，操作方便的優點。
51.在第一泵本體11與液體混合器3之間的管路上還設有第三溫度傳感器14與第一壓力傳感器15，適於檢測泵出口溫度與壓力。第二泵本體21與汽化器4之間的管路上還設有第四溫度傳感器24與第二壓力傳感器25，適於檢測泵出口溫度與壓力。當溫度傳感器高於預設值或壓力傳感器低於預設值，可通過打開回流管上的放空閥及泵出口的放空閥以避免泵氣蝕。
52.本實施例中，液氧液氮增壓後進行混合、汽化、緩衝，可向用氣設備提供高壓、穩定、比例恆定的人造空氣。基於往復活塞泵的流量脈衝特性和恆定流量特性，保證了混合比例的穩定性和均勻性。泵變頻器與氧含量分析儀的配合使用可使氮氧混合比例更加精確。
53.以液氧液氮分別為第一介質和第二介質，應用本系統，可替代大規模、高能耗的傳統高壓壓縮空氣供氣系統，能耗僅為壓縮機的1/10以下，無需使用複雜的空氣壓縮機及龐大的配套水電設備。在供氣時不會引入油汙、顆粒物等雜質造成用氣設備損壞，具有結構簡單，可靠性高，操作方便，安全隱患少，能耗低、使用成本低的優點。
54.顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明創造的保護範圍之中。