氮气强制对流消除煤油温度分层及其液氮降温系统分析

叶 欣，钟文安，冯方达，陈少将，张邦双

(西昌卫星发射中心航天发射场可靠性技术重点实验室，海口 571126)

0 引 言

新一代运载火箭采用新型液氧煤油火箭发动机，为达到最佳燃烧效率，要求煤油温度在10～15 ℃范围。由于文昌常年气温大于20 ℃，需要对煤油进行降温处理。该系统在某次任务中，在地面库区贮罐出现了严重的煤油温度分层，输送管道末端的煤油温度发生较大变化，给煤油温度品质控制带来较大影响。温度分层现象在低温液体储存中是比较普遍的，国内外对天然气的分层与翻滚现象都进行了大量的实验与机理研究，提出了多种数学理论模型，并采取多种预防措施[1-4]。在液体火箭低温贮箱内部也存在热分层，是贮箱漏热、自然对流和热物性参数综合影响的结果，在新型运载火箭低温贮箱结构设计中需要重点考虑[5-7]。有学者[8-9]对低温推进剂热分层的机理和变化规律进行了系统分析总结和针对性试验研究。文献[10]研究了回流口位置对液体火箭液氧贮箱热分层的搅动影响规律，找到了最佳回流位置。文献[11]研究了增压输送对卧式贮罐液氢热液层的影响规律，发现液氢贮罐输出品质与贮罐内热液层厚度密切相关。文献[12]在液氧煤油发动机测试时采用液氮对煤油进行降温，发现主容器内煤油温度和发动机入口温度有一定差异，采取管道包扎绝热层以及对管路进行充分热交换的方法来保证煤油温度。

低温推进剂的热分层往往由于贮罐壁面的漏热所致，其机理规律和处置措施已经过系统研究和实际验证。常温推进剂的温度分层在发射场属首次出现，鲜有文献关注这个问题并进行专题研究，其原因和机理尚不明确。本文通过分析煤油调温试验中不同深度的温度数据，找到了煤油推进剂降温后温度分层的原因，揭示了其内在机理，提出了高纯氮气强制对流的方法，有效解决了煤油温度分层问题。在多次试验基础上，构建了煤油调温的目标温度计算模型，作为煤油降温停止时机的判断准则，有效提高了煤油调温的精度，避免了精度差所导致的多次调温。

1 煤油贮罐温度分层及其原因分析

煤油输送系统有多个贮罐，其贮存的煤油温度与室温一致，约30 ℃。由于火箭发动机要求煤油推进剂在贮箱保持10～15 ℃温度范围，需在输送前进行降温，每个贮罐的调温均单独进行。为提高效率，煤油降温系统采用液氮(壳程)对煤油(管程)进行冷浴降温，为防止煤油温度过低发生凝固，先采用输送泵将煤油输送到换热器再回流至贮罐，待煤油流动稳定后往换热器中充入液氮进行降温，达到既定降温目标温度后先将液氮排空，待残余液氮蒸发并恢复到一定温度后，停止煤油流动。煤油贮罐为单层卧式结构，半径1.5 m，外包发泡绝热层，两端为半椭球型，总共有四个温度测点，分别位于两端的中心和中心下方800 mm，贮罐有两根垂直出液管，分别用于输送和降温，有一根水平布液管用于降温回流，如图1所示。

煤油贮罐距离火箭约百米，通过管道采用离心泵向火箭挤压输送，在泵后和火箭贮箱均有温度测点，如图2所示。

在某次任务的煤油输送过程中，贮罐两端不同高度的测点始终有1～2 ℃温度差异，贮罐、泵后、箭上测点温度均有较大变化，如图3所示。随着液位的不断降低，贮罐内煤油的温度从8 ℃逐步上升至20 ℃，温度变化达12 ℃；泵后和箭上管路从常温状态逐渐冷透，温度从30 ℃降至10 ℃，然后分别上升了5 ℃和3 ℃。初步分析认为煤油贮罐温度存在分层，上部温度高，下部温度低。

为进一步了解和掌握煤油贮罐温度分层的具体情况，关键在于获取不同深度的煤油温度数据。在煤油输送过程中，贮罐液位不断下降，而温度测点固定不动，相当于其温度测点的深度在不断变小，直至液位低于温度测点，此时即深度为零。基于此思路，以两次任务实测煤油温度数据为样本，在剔除无效数据、筛选输送时段、统一采样频率到每分钟/次、温度修正等数据预处理的基础上，以煤油贮罐(T1，T3为两端上部测点，T2，T4为两端下部测点)温度T为横坐标，以贮罐液位容积公式计算的测点深度H作为纵坐标，作贮罐温度深度T-H图选取两个典型煤油贮罐(见图4)。

1号贮罐初始液位高度2.28 m，随着深度从0 m增加到1.6 m，煤油温度从21 ℃降至8 ℃，在深度0.8 m存在明显拐点。在深度0～0.8 m区间，煤油温度梯度非常大；在深度0.8～1.6 m区间，煤油温度也存在明显梯度；深度大于1.5 m后，煤油温度梯度存在变缓迹象。2号贮罐初始液位2.14 m，也一致反映出温度梯度的分布规律。随着深度从0 m增加到1.4 m，煤油温度从24 ℃降至8 ℃，在深度1.2 m和深度0.6 m存在两个明显拐点。在深度0～0.6 m区间，煤油温度梯度非常大；在深度0.6～1.2 m区间，煤油温度也存在明显梯度；在深度大于1.2 m后，T-H数据近乎垂直，煤油温度基本一致。

为进一步验证煤油贮罐温度分层情况，提高样本数据的覆盖性和代表性，以某次任务煤油输送数据为例，对四个贮罐的T-H图进行分析对比(见图5)，其中3号贮罐T1测点失效。

四个煤油贮罐初始液位分别为2.08 m,2.08 m,2.04 m,2.06 m，图5也反映出煤油温度梯度的相似规律，在深度0.5 m处存在明显拐点，在拐点深度上方是约0.5 m的热煤油层，温差可达18 ℃，在拐点下方是冷煤油层，温度低且非常均匀，3号，4号贮罐温差约2 ℃，5号，6号贮罐温差小于0.5 ℃，冷热煤油之间无明显的中间过渡。其中，5号，6号贮罐存在串液，导致温度深度T-H曲线有一定波动。

比较多次任务煤油贮罐的温度分布情况，普遍反映出煤油温度分布存在一个明显拐点，并且这一拐点正好是在煤油降温回流的水平布液管部位。在水平布液管上方存在温差达10 ℃以上的热煤油层；在下方则是冷煤油层，温差小于3 ℃。其中，1号，2号煤油贮罐在拐点处还存在中间过渡层。

这种温度分层情况与文献[13]中的液氧温度分层规律十分类似，但产生温度分层的原因却并不相同。分析认为，煤油贮罐存在温度分层现象主要有两方面的原因。一是贮罐内部存在滞流区。煤油降温过程中，贮罐中的煤油经底部出液口流入管道系统，经换热器降温后从水平布液管回到贮罐。出液口在底部，回流布液管在中部，在贮罐中下部形成流动的“短路效应”，煤油充分降温形成冷煤油层；上部成为滞流区，该处煤油难以参与降温流动和热交换，形成热煤油层。二是煤油降温后物性发生变化。根据煤油的物性参数[14]，在液氮换热器进出口，煤油温度从30 ℃下降至-10 ℃，温差达40 ℃，冷煤油密度比热煤油大5%，自然下沉于下部空间，加之煤油降温后黏度显著增大，热导率低，冷热煤油之间的自然对流与热传导效率较低，使得煤油贮罐的温度梯度难以在短时间内达到均匀状态，造成温度分层。

2 利用鼓泡搅动解决煤油贮罐温度不均

在火箭发动机煤油输送系统中，温度分层是要避免的严重问题，必须采取措施加以解决。冷热煤油之间的液相混合问题在化工生产中是一个非常普遍的单元操作过程，这种混合过程是主体对流扩散、涡流扩散和分子扩散三种扩散方式的综合作用结果，主要有搅拌器、射流和鼓泡等混合方法。在低温推进剂长期在轨压力管理中，文献[15]总结了被动防绝热技术、流动混合方法、热力学排气、主动制冷四种低温贮箱压力控制方法，对于消除低温推进剂温度分层都有积极效果。在临近空间飞行器载荷仓热管理中，文献[16]提出强制对流具有良好的换热效果，对于消除煤油温度分层也有较好借鉴意义。以煤油输送系统现有条件，可以采取泵回流和氮气鼓泡两种搅动混合方式，为验证两种方法的实际效果，结合任务进行第一次调温试验，全程记录试验中的温度流量等参数，对比各贮罐上下测点的温差作为混合效果的判断依据。

第一次调温试验共有两个煤油贮罐，其中1号罐降温后采用鼓泡搅动，2号罐采用泵回流搅动。先启动输送泵，对1号贮罐煤油进行降温，从降温回流管返回贮罐，流量控制在一定范围；当1号贮罐温度降至8 ℃时，切换至2号贮罐进行降温回流；当2号贮罐温度降至5 ℃时，切断换热器管路，并继续对2号贮罐进行泵回流搅动；当2号贮罐温度升至8 ℃时停止泵回流，保持静置状态；然后对1号罐进行鼓泡搅动，先从进液管底部充氮气将贮罐增压至0.2 MPa后排放，用时约5 min，然后同时从进、出液管和降温回流管充气15 min。

1号贮罐四个温度测点数据如图6所示，调温前1号贮罐煤油温度与环境温度(31 ℃)基本一致；调温后，贮罐四个测点温度降至9 ℃左右，上部测点T1,T3较下部测点T2,T4高约1.5 ℃，反映出煤油温度分层，即上热下冷；静置6 h，煤油温度分层情况无明显变化；鼓泡后，贮罐四个测点温度基本一致。仔细对比鼓泡过程温度数据，鼓泡后上下温度测点(T1-T2,T3-T4)温差由1.5 ℃基本降为0，但水平方向的温差无明显变化(约0.25 ℃)，且T1,T2高于T3,T4。分析认为，煤油贮罐除了在垂直方向上存在上热下冷的温度分层外，在水平方向也存在温度不均现象，主要原因是近端对流加速，远端对流减缓。试验结果表明：鼓泡对垂直方向的煤油温度不均有较好搅动效果，对水平方向的温差无明显效果。

2号贮罐四个温度测点数据如图7所示，调温前2号贮罐煤油温度与环境温度(31 ℃)基本一致；调温后贮罐四个测点温度降至5～6 ℃，上下温差约1 ℃，表现出温度分层；调温结束后，继续维持泵的运转，通过水平降温回流管和垂直进液管同时回流，贮罐上下测点温差暂时缩小至0.3 ℃；回流后4 h，贮罐上下测点温差开始明显增大，到次日凌晨，温差回复至1.5 ℃。与1号贮罐情况类似，2号贮罐也在水平方向上存在温度差异，其中远端测点比近端测点高约0.5 ℃。试验结果表明：泵回流方式能在一定程度上对中下部的煤油进行搅动，但无法搅动上部煤油，对贮罐煤油温度分层无明显效果。

泵回流和气体鼓泡都能起到搅动混合作用，改善煤油贮罐温度不均的情况。由于泵回流与降温流动过程一致，同样存在流动的“短路效应”，无法搅动上部煤油解决温度分层问题。采用氮气鼓泡搅动的方法，能够与贮罐底部的冷煤油混合形成上升的气液混合物，产生均匀温和的涡流涡旋，大大提高热对流效率，消除煤油温度分层。同时，高纯氮气鼓泡还能带走煤油中的水分，进一步提高煤油品质，鼓泡操作本身较为平稳温和，对系统无显著影响和安全风险。

3 煤油调温计算模型

采用氮气鼓泡解决煤油贮罐温度分层问题后，还需要确定降温流动的停止时机，使得鼓泡后的温度就是调温的目标温度，从而避免多次反复调温。由于煤油输送系统尚不具备同时进行降温和鼓泡的条件，为掌握煤油调温和鼓泡的温度变化规律，在此基础上确定调温停止时机的判断准则，进行了第二次调温试验，提出了一种煤油降温鼓泡后目标温度的计算模型。

3.1 目标温度计算模型

煤油从初始状态到最终输送前，与温度相关的过程按时间排序主要有：流经输送泵的温升(调温阶段)、换热器降温、静置温升。设煤油贮罐初始温度为T初始，体积为V，降温与回流过程的流量为Q，流经换热器和输送泵的温升分别为ΔT降温、ΔT泵，静置时的整体温升为ΔT静置，调温的目标温度为T目标，则根据热力学能量守恒定律有：理论上，将各阶段前后温差与流量数据进行积分，就可以得到任一阶段煤油的温度。由于煤油输送系统温度测点有限，泵前无温度测点，贮罐煤油又存在温度分层，必须结合调温试验以及以往积累的实测数据，对各阶段煤油温度变化规律进行计算分析和准确评估。

(1)

3.2 流经输送泵的温升

煤油系统在输送泵后有温度测点，泵前只有贮罐温度测点，当贮罐煤油温度不均时，无法判断泵前煤油温度。只能选择贮罐在初始或鼓泡后的均匀状态，利用贮罐温度作为泵前温度，从而计算流经输送泵的温升。为避免换热器干扰，选取调温初始阶段煤油已经回流而换热器尚未输送液氮时段的泵回流数据，如图8所示。

试验数据表明，当输送泵回流流量稳定为1050 L/min时，泵后温度上升2.1 ℃，当流量降至850 L/min时，泵前后温差升至2.6 ℃。整个回流过程中，随着受热升温的煤油不断回流，贮罐煤油的温度也在缓慢上升，但泵前后温差基本保持不变。分析认为，输送泵运转的热量传递给煤油，类似于一个加热器，其加热功率在流量变化不大的情况下基本保持一致，煤油流量与温升的乘积Q×ΔT泵回流即为泵的加热功率，对多个煤油贮罐的多次历史数据分析表明，在不同流量条件下，Q×ΔT泵回流稳定在2100±100范围，则流经输送泵的煤油温升为：

(2)

式(2)表明，煤油流经泵导致所吸收的热量只与时间有关，与流量无关，与贮罐煤油体积无关，2100即为泵加热的功率表征。

3.3 静置温升计算

(3)

3.4 修正后的目标温度计算模型

根据两次煤油调温试验数据，将式(2)、式(3)代入式(1)，并将降温过程中的ΔT降温,Q,T环,T初始,V等实测数据代入计算可得T目标，然而目标温度计算结果比实际数据有较大偏差。分析认为有两个方面的原因：一是在煤油降温过程中，经过换热器后的煤油温度可低至-10 ℃以下，与库房环境温差可达40 ℃以上，降温回流管路为单层管无保温措施，降温过程中管壁表面完全结冰，这部分漏热损失导致计算温度偏低；二是与降温过程中的管路填充体积ΔV填充有关，贮罐降温完成后直接切换，从换热器至贮罐这一段管路的冷煤油并没有回到原贮罐，而是进入下一贮罐，对于原贮罐而言相当于损失了ΔV填充·ΔT的冷量，对于下一贮罐而言则多出了ΔV填充·ΔT的冷量。

将管路与环境的热交换和管路填充造成的冷量变化纳入计算，可得目标温度计算的修正模型：

(4)

4 结束语

本文通过分析煤油推进剂多次调温的试验数据，揭示了煤油降温后温度分层的原因和机理，提出了高纯氮气强制对流消除煤油温度分层的方法，构建了煤油调温的目标温度计算模型。本文提出的方法和模型已成功应用于天舟一号任务，并将在后续航天发射任务中持续应用。主要结论和建议如下：

1)贮罐进出管的空间布置，导致煤油降温流动在贮罐下部短路、在上部滞流，降温后的煤油密度增大、黏度增大、热导率低，造成煤油温度分层。

2)采用氮气强制对流可以较好搅动煤油，使其垂直方向的温度基本达到均匀状态，泵回流方式无明显效果。贮罐水平方向也存在温度不均，最大可达0.5 ℃，鼓泡方法对其基本无效。

3)建立修正后的煤油调温目标温度计算模型，作为调温停止时机的判断准则，有效提高了煤油调温的精度，避免了精度差所导致的多次调温。

4)由于煤油调温系统温度测点较少，造成了调温后目标温度的计算较为复杂，并存在一定误差。建议在煤油进出液管增设温度测点，从而大大简化目标温度计算模型。也可增设一条管道，在降温的同时进行鼓泡，确保煤油推进剂始终处于温度均衡状态。

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