一種火星表面甲烷液化系統(tǒng)技術(shù)方案

一種火星表面甲烷液化系統(tǒng)，包括甲烷氣瓶，甲烷氣瓶出口經(jīng)第一冷卻器、第一壓縮機與非絕熱儲箱入口連接；非絕熱儲箱出口與第二冷卻器出口連接；第一壓縮機出口與第二冷卻器出口連接；第二冷卻器出口經(jīng)過換熱器、焦

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種火星表面甲烷液化系統(tǒng)


[0001]本專利技術(shù)屬于氣體液化
，具體涉及一種火星表面甲烷液化系統(tǒng)。

技術(shù)介紹

[0002]火星是地月系之外人類首選的深空探測目標，利用火星原位資源制備航天器返航所需的液甲烷推進劑，能夠顯著降低火星探測任務的成本，是對未來火星探測具有重要意義的前瞻性技術(shù)，因此，在火星表面高效制備液甲烷推進劑具有重要價值。
[0003]火星的一個太陽日的平均長度約為24小時40分，僅比地球長近2.7％，故可認為火星日與地球日近似相等，其中，火星白晝12小時，夜晚12小時。火星白晝期間表面溫度高達290K，而火星夜晚期間降至170K。如此大的晝夜溫差對火星表面原位制備甲烷推進劑提出了更高的技術(shù)需求，也提供了特殊的能量資源。
[0004]人類對火星原位資源的開發(fā)與利用尚處于起步階段，在火星表面高效制備液甲烷的研究鮮有報道。已有研究者提出在火星表面利用低溫制冷機提供冷量實現(xiàn)推進劑氣體的液化(如Hauser DM等人在2016年發(fā)表的Liquefaction and storage of in
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situ O
2 on the surface of Mars)，但該方案能耗極大，液化效率較低；且設(shè)備只能在火星的白天工作，散熱器占據(jù)較大面積。

技術(shù)實現(xiàn)思路

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本專利技術(shù)的目的在于提供了一種火星表面甲烷液化系統(tǒng)，通過利用火星白晝的太陽能實現(xiàn)能源供應，利用火星夜晚的冷環(huán)境提供甲烷氣體液化預冷所需冷量，大幅降低火星表面甲烷液化能耗，具有單位液化能耗小、散熱器尺寸需求小、可晝夜連續(xù)工作等優(yōu)點。
[0006]為了達到上述目的，本專利技術(shù)采取的技術(shù)方案為：
[0007]一種火星表面甲烷液化系統(tǒng)，包括甲烷氣瓶1，甲烷氣瓶1出口與第一冷卻器2入口連接，第一冷卻器2出口依次經(jīng)第一止回閥3、第一電磁閥4與第一壓縮機5入口連接，第一壓縮機5出口經(jīng)過第二電磁閥6與非絕熱儲箱7入口連接，非絕熱儲箱7出口經(jīng)第三電磁閥8與第二冷卻器9入口連接，第一壓縮機5出口經(jīng)過第四電磁閥10與第二冷卻器9出口連接；第二冷卻器9出口經(jīng)過第三換熱器14與焦
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湯膨脹閥15入口連接，焦
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湯膨脹閥15出口與氣液分離器16入口連接，氣液分離器16底部設(shè)置的液體管道與液甲烷貯箱17入口連接；氣液分離器16頂部設(shè)置的氣體管道經(jīng)過第三換熱器14與第二壓縮機18入口連接，第二壓縮機18出口經(jīng)過第五電磁閥19與絕熱儲箱21的入口連接，絕熱儲箱21出口依次經(jīng)過第六電磁閥22、第二止回閥23與第一止回閥3和第一電磁閥4之間管道連接，第一換熱器11冷端出口設(shè)置旁通支路，經(jīng)第七電磁閥24與第一止回閥3和第一電磁閥4之間管道連接。
[0008]所述的第二冷卻器9出口依次經(jīng)過第一換熱器11、第二換熱器12、第三換熱器14與焦
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湯膨脹閥15入口連接；氣液分離器16頂部設(shè)置的氣體管道依次經(jīng)過第三換熱器14、第二換熱器12、第一換熱器11后與第二壓縮機18入口連接；其中，第二換熱器12熱端入口與膨脹
機13入口連接，膨脹機13出口與第二換熱器12冷端入口連接。
[0009]所述的液甲烷貯箱17排氣口通過第八電磁閥25與第一止回閥3和第一電磁閥4之間管道連接，第八電磁閥25的開閉狀態(tài)受到液甲烷貯箱17的壓力控制，達到設(shè)定壓力后打開，實現(xiàn)液甲烷貯箱17蒸發(fā)排氣(BOG)的再液化。
[0010]所述的甲烷氣瓶1入口與薩巴蒂爾/電解化學反應器出口連接，實現(xiàn)火星表面甲烷制備與液化一體化；甲烷氣瓶1中或是貯存的甲烷氣體。
[0011]所述的非絕熱儲箱7由不銹鋼或鋁合金材料制成，耐高壓，承壓高于3MPa。
[0012]所述的絕熱儲箱21由不銹鋼或鋁合金材料制成，耐中壓，承壓高于2MPa；絕熱儲箱21表面包裹絕熱層20，絕熱層20由低導熱發(fā)泡構(gòu)成，采用聚氨酯泡沫塑料(PU)、酚醛泡沫塑料(PF)或聚苯乙烯泡沫塑料(PS)。
[0013]所述的第一壓縮機5采用活塞式壓縮機，出口壓力大于3MPa；第一壓縮機5的能源來自火星白晝太陽能轉(zhuǎn)化；第二壓縮機18的能源來自膨脹機13輸出功或其他電源。
[0014]所述的第一冷卻器2和第二冷卻器9結(jié)構(gòu)相同，包括蛇形管26，蛇形管26與輻射板27貼合，輻射板27表面使用高發(fā)射率涂層28，甲烷氣體在蛇形管26內(nèi)流動，蛇形管26外換熱形式是火星大氣的對流換熱與輻射換熱。
[0015]所述的蛇形管26采用螺紋管，輻射板27采用鋁或銅的高熱導率材料制成。
[0016]所述的第一冷卻器2工作溫度高，其高發(fā)射率涂層28材料選擇氧化鑄鐵、鉑等；第二冷卻器9工作溫度低，其高發(fā)射率涂層28材料選擇氧化亞銅。
[0017]本專利技術(shù)的有益效果為：
[0018]本專利技術(shù)甲烷原料氣來自薩巴蒂爾/電解化學反應器，該化學反應器能夠利用火星本地的環(huán)境資源制備高溫甲烷氣體，實現(xiàn)火星表面甲烷制備與液化一體化，進一步推進了火星表面原位制備甲烷技術(shù)。
[0019]本專利技術(shù)利用火星本身所具有的夜晚冷背景資源，實現(xiàn)了氣態(tài)甲烷液化前的預冷，從而極大地降低了甲烷液化能耗，顯著提高了液化率，降低對液化耗能的需求，從而有利于高效制備液甲烷推進劑或減小系統(tǒng)的規(guī)模。
[0020]本專利技術(shù)可實現(xiàn)甲烷晝夜持續(xù)液化。在火星白晝，甲烷原料氣經(jīng)壓縮機增壓后，直接進入后端的液化系統(tǒng)，通過膨脹機和節(jié)流裝置實現(xiàn)降溫液化；同時，可將白晝富足的原料氣增壓后存儲于非絕熱儲箱7，作為夜晚液化的原料氣源；在火星夜晚，化學反應器停止供氣，此時非絕熱儲箱7作為氣源向液化系統(tǒng)供氣，保障液化流程持續(xù)進行，并利用火星夜晚低溫環(huán)境實現(xiàn)液化前的預冷，實現(xiàn)液化系統(tǒng)晝夜連續(xù)工作，提高甲烷液化速率。
[0021]本專利技術(shù)可實現(xiàn)液甲烷貯箱17蒸發(fā)排氣(BOG)的再液化，將第一壓縮機5入口與液甲烷貯箱17排氣口通過管道連接，實現(xiàn)液甲烷的無損存儲，維持液甲烷貯箱17的壓力穩(wěn)定，提高了液甲烷的貯存效率，且無需設(shè)置專用的再液化系統(tǒng)，減少了復雜性，此外液甲烷貯箱17排氣與高溫甲烷氣體匯合后使高溫甲烷的溫度降低，有利于減少液化能耗。
[0022]本專利技術(shù)夜晚工作時通過第二壓縮機18和絕熱儲箱21實現(xiàn)將未液化氣體的壓縮貯存，第二壓縮機18的能源供應來自膨脹機13的膨脹功，實現(xiàn)了未液化氣體的壓縮貯存和能量與資源的雙回收。
[0023]本專利技術(shù)回收了液化系統(tǒng)中所有未液化的甲烷氣體以及液甲烷貯箱17的蒸發(fā)氣體(BOG)，在資源稀缺的火星實現(xiàn)液甲烷零損耗制備。
[0024]本專利技術(shù)冷卻器可綜合利用輻射換熱與對流換熱，在火星的低氣壓環(huán)境中能夠達到良好的換熱效果，有利于減少換熱器的尺寸與成本。
[0025]綜上所述，本專利技術(shù)具有單位液化能耗小、散熱器尺寸需求小、可晝夜連續(xù)工作等優(yōu)點，應用前景可觀。
附圖說明
[0026]圖1為本專利技術(shù)實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2為本專利技術(shù)實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】

【技術(shù)特征摘要】
1.一種火星表面甲烷液化系統(tǒng)，包括甲烷氣瓶(1)，其特征在于：甲烷氣瓶(1)出口與第一冷卻器(2)入口連接，第一冷卻器(2)出口依次經(jīng)第一止回閥(3)、第一電磁閥(4)與第一壓縮機(5)入口連接，第一壓縮機(5)出口經(jīng)過第二電磁閥(6)與非絕熱儲箱(7)入口連接，非絕熱儲箱(7)出口經(jīng)第三電磁閥(8)與第二冷卻器(9)入口連接，第一壓縮機(5)出口經(jīng)過第四電磁閥(10)與第二冷卻器(9)出口連接；第二冷卻器(9)出口經(jīng)過第三換熱器(14)與焦
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湯膨脹閥(15)入口連接，焦
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湯膨脹閥(15)出口與氣液分離器(16)入口連接，氣液分離器(16)底部設(shè)置的液體管道與液甲烷貯箱(17)入口連接；氣液分離器(16)頂部設(shè)置的氣體管道經(jīng)過第三換熱器(14)與第二壓縮機(18)入口連接，第二壓縮機(18)出口經(jīng)過第五電磁閥(19)與絕熱儲箱(21)入口連接，絕熱儲箱(21)出口依次經(jīng)過第六電磁閥(22)、第二止回閥(23)與第一止回閥(3)和第一電磁閥(4)之間管道連接，第一換熱器(11)冷端出口設(shè)置旁通支路，經(jīng)第七電磁閥(24)與第一止回閥(3)和第一電磁閥(4)之間管道連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種火星表面甲烷液化系統(tǒng)，其特征在于：所述的第二冷卻器(9)出口依次經(jīng)過第一換熱器(11)、第二換熱器(12)、第三換熱器(14)與焦
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湯膨脹閥(15)入口連接；氣液分離器(16)頂部設(shè)置的氣體管道依次經(jīng)過第三換熱器(14)、第二換熱器(12)、第一換熱器(11)與第二壓縮機(18)入口連接；其中，第二換熱器(12)熱端入口與膨脹機(13)入口連接，膨脹機(13)出口與第二換熱器(12)冷端入口連接。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種火星表面甲烷液化系統(tǒng)，其特征在于：所述的液甲烷貯箱(17)排氣口通過第八電磁閥(25)與第一止回閥(3)和第一電磁閥(4)之間管道連...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王磊，黃奕寧，厲彥忠，馬原，謝福壽，
申請(專利權(quán))人：西安交通大學，
類型：發(fā)明
國別省市：