專利名稱：一種小流量氣體控制裝置及使用方法
一種小流量氣體控制裝置及使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種小流量氣體控制裝置，尤其是能在下游壓力波動的條件下對純氣
相或氣源中含少量液體的兩相流氣體流量進行準確控制。背景技術(shù)：
在開展航天用微小推進器地面試驗時時常需要在下游壓力波動的條件下實現(xiàn)微 小質(zhì)量流量氣體推進劑的穩(wěn)定供給。常用的流量控制閥主要通過調(diào)節(jié)節(jié)流面積的方式來控 制流量，此種方式在節(jié)流面積較大時往往不容易對微小流量進行準確的調(diào)節(jié)，在節(jié)流面積 較小時又往往有工作壓力的限制；而且流量控制閥門不能隔斷下游壓力變化的影響，下游 壓力的波動會導致流量變化。另一種通過節(jié)流孔板來控制流量的方式可以解決純氣相條件 下精確供給微小氣體流量的要求，例如專利CN1445630A、CN1461429A及CN2610376Y中所述 的流量控制方式，但此類控制裝置通常工作于亞臨界狀態(tài)，主要依靠孔板前后壓差來控制 流量，同樣無法隔斷下游壓力變化的影響。專利CN1236449中采用控制臨界壓比的方式使 節(jié)流孔板工作在超臨界狀態(tài)，可以通過控制入口壓力來調(diào)節(jié)流量，但此種裝置的設(shè)計及使 用并沒有考慮下游壓力波動的影響。另外，上述三種常用氣體流量控制方式在遇到來流氣 體中含有少量液滴的情況時控制精度都將大大降低，因此均無法適應氣源為液化氣時的流 量控制要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有氣體流量控制方式在應用于微小流量控制及來流含少量液體條件 下流量控制時的不足并且保證下游壓力波動時仍能提供穩(wěn)定的流量供給，本發(fā)明提供了一 種小流量氣體控制裝置，該裝置既能夠?qū)崿F(xiàn)純氣相條件下微小流量控制要求，又能夠適應 氣中含有少量液滴的氣源條件下的小流量控制要求，而且能在下游壓力波動的條件下提供 穩(wěn)定的流量供給。 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種小流量氣體控制裝置，包括氣 瓶、管路、手動閥門、減壓器、壓力表、換熱器組件、過濾器、質(zhì)量流量計、溫度傳感器、壓力傳 感器、電控閥門、音速噴嘴組件。氣瓶出口通過管路依次連接手動閥門、減壓器、換熱器組 件、過濾器、質(zhì)量流量計、電控閥門、音速噴嘴組件，減壓器出入口分別通過支線管路連接壓 力表及手動閥門，兩手動閥門后再連接排氣管路，音速噴嘴組件之前管路中連入溫度傳感 器及壓力傳感器，音速噴嘴組件之后管路中連入壓力傳感器。 換熱器組件由貯水箱、箱蓋、可拆換螺旋形紫銅管、電加熱管組成、水閥，電加熱管 位于水箱底部，螺旋形紫銅管位于水箱中部，水箱外壁低位安裝有水閥，螺旋形紫銅管通過 管路固定于箱蓋上并在箱蓋外側(cè)留有出入接口 ，箱蓋上留有活門。 音速噴嘴組件由接管嘴、外套螺母、墊片、音速噴嘴、連接套管組成。音速噴嘴采用 固定式收斂結(jié)構(gòu)，裝卡于連接套管內(nèi)。利用外套螺母將接管嘴及連接套管緊固，音速噴嘴與 接管嘴及連接套管間安裝墊片。
利用上述控制裝置調(diào)節(jié)小流量氣流流量的操作步驟如下
第一步，流量控制操作前先確保換熱器處于正常工作狀態(tài)； [OOO9] 第二步確定初調(diào)壓力大??； 第三步根據(jù)控制流量要求、初調(diào)壓力值及氣體初溫值確定音速噴嘴喉部尺寸；
第四步安裝音速噴嘴；
第五步初調(diào)壓力； [OO13] 第六步細調(diào)壓力。 通過減壓器調(diào)節(jié)音速噴嘴前的壓力，可在較小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)音速噴嘴的流量；并可 通過更換不同喉徑的音速噴嘴實現(xiàn)較大范圍內(nèi)流量的控制；通過控制音速噴嘴前的壓力使 音速噴嘴工作在超臨界狀態(tài)，利用音速流下游變化不能影響上游的特性可以隔絕下游壓力 波動的影響從而實現(xiàn)流量的穩(wěn)定供給；管路中連接的換熱器可以對氣中含有的少量液體進 行氣化，從而保證音速噴嘴入口處為純氣相；所采用的音速噴嘴是固定收斂式結(jié)構(gòu)，可以耐 受較高的壓力并且易于加工。 本發(fā)明的有益效果是，不但可以實現(xiàn)純氣相條件下微小氣體流量的準確控制，也 同樣適應于來流中含有少量液滴的情況，而且能在下游壓力波動的條件下提供穩(wěn)定的流量 供給。與現(xiàn)有氣體流量控制技術(shù)相比原理易懂、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，不僅適應航天微推進 器地面試驗的需要，還可以推廣至其它具有類似流量控制要求的行業(yè)。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步說明。
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成示意圖。 圖中標號分別代表(l)氣瓶，(2)管路，(3)手動閥門，(4)壓力表，(5)減壓器， (6)換熱器組件，(7)過濾器，(8)質(zhì)量流量計，(9)電磁閥，(10)壓力傳感器，(11)溫度傳 感器，(12)音速噴嘴組件。 圖2是本發(fā)明中的換熱器組件示意圖。 圖中標號分別代表l.貯水箱，2.水箱蓋，3.螺旋形紫銅管，4.水，5.水閥，6.電
加熱管。 圖3是本發(fā)明中的音速噴嘴組件裝配圖。 圖中標號分別代表l.接管嘴，2.外套螺母，3.墊片，4.音速噴嘴，5.連接套管。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖來進一步說明本發(fā)明。 圖1所示是本發(fā)明涉及的一種小流量氣體控制裝置，包括(1)氣瓶、(2)管路、(3) 手動閥門、(4)壓力表、(5)減壓器、(6)換熱器組件、(7)過濾器、(8)質(zhì)量流量計、(9)電磁 閥、(10)壓力傳感器、(11)溫度傳感器、(12)音速噴嘴組件。氣瓶出口通過管路依次連接 手動閥門、減壓器、換熱器組件、過濾器、質(zhì)量流量計、電控閥門、音速噴嘴組件，減壓器出入 口分別通過支線管路連接壓力表及手動閥門，音速噴嘴組件之前管路中連入溫度傳感器及 壓力傳感器，音速噴嘴組件之后管路中連入壓力傳感器。實現(xiàn)流量控制的具體步驟如下
第一步，流量控制操作前先確保換熱器處于正常工作狀態(tài)；
圖2是本發(fā)明中的換熱器組件示意圖，主體部分為帶有蓋板的貯水箱及水箱中部 的螺旋形紫銅管，螺旋形紫銅管固定于箱蓋上并在箱蓋外側(cè)留有出入接口 ，在貯水箱底部 位置安裝有電熱管及排水閥。開展流量控制操作前可通過電熱管加熱或直接注入熱水的方 式為貯箱貯存熱水，通過預留在箱蓋外的接口可與來流管路對接，來流流經(jīng)已浸入熱水中 的紫銅管時可以實現(xiàn)與外部熱水環(huán)境的換熱，螺旋形的銅管可增加換熱管路的長度從而強 化換熱作用。
第二步確定初調(diào)壓力大??； 設(shè)音速噴嘴下游壓力是p，壓力波動范圍是Ap，則壓力波動峰值p^等于 (P+Ap)。根據(jù)收斂噴嘴超臨界流動狀態(tài)的要求，需要確保音速噴嘴之后與之前的壓力比低 于臨界壓力比，臨界壓力比的計算公式如下
， 丄 其中，P^為臨界壓力比，k為預調(diào)節(jié)氣體的比熱比。初始壓力p。根據(jù)下式確定
po = |3cr p隨 第三步根據(jù)控制流量要求、初調(diào)壓力值及氣體初溫值確定音速噴嘴喉部尺寸；
根據(jù)質(zhì)量流量要求、初始壓力p。及由溫度傳感器所測量得到的氣體初溫值T。，利 用下式確定音速噴嘴喉部尺寸 4二^^ 其中，<formula>formula see original document page 5</formula>
At為音速噴嘴喉部面積，二為預調(diào)節(jié)質(zhì)量流量，k為預調(diào)節(jié)氣體的比熱比，R為氣體常數(shù)。 第四步安裝音速噴嘴； 圖3是本發(fā)明中的音速噴嘴組件裝配圖，音速噴嘴組件由接管嘴、外套螺母、墊 片、音速噴嘴、連接套管組成，音速噴嘴裝卡于連接套管內(nèi)，通過外套螺母將接管嘴及連接 套管緊固，音速噴嘴與接管嘴及連接套管間安裝墊片確保密封。工作時主要通過音速噴嘴 的節(jié)流作用來控制流量，通過調(diào)節(jié)音速噴嘴前的壓力可在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)流量并控制音速噴 嘴工作在超臨界狀態(tài)，此時音速噴嘴喉部速度達到音速可以隔絕下游壓力波動對上游的影 響。通過更換不同尺寸的音速噴嘴可以控制流量在較大范圍內(nèi)的變化。
第五步初調(diào)壓力； 先打開氣瓶出口手動閥門并初調(diào)減壓器后壓力至初始設(shè)計壓力p。，調(diào)壓時可通過 壓力表觀察減壓器后壓力變化情況。壓力調(diào)節(jié)完畢后通電打開電磁閥，由于音速噴嘴的存 在管路中會迅速建立起穩(wěn)定流量，此流量可以通過質(zhì)量流量計測量得到，通過設(shè)置于音速 噴嘴前后的壓力傳感器可以獲得噴嘴前后壓強比從而確定音速噴嘴是否工作在超臨界狀 態(tài)。 第六步細調(diào)壓力。 若實際流量偏離設(shè)計流量較小，可通過重新調(diào)壓的方式來將流量微調(diào)至所需流量 值；若實際流量偏離設(shè)計流量較大，則可通過更換不同尺寸音速噴嘴來大范圍的調(diào)節(jié)流量。
此裝置中電磁閥、壓力傳感器及質(zhì)量流量計均可通過計算機控制或采集數(shù)據(jù)，泄 流時可實現(xiàn)遠程控制及監(jiān)測。
權(quán)利要求
一種小流量氣體控制裝置，包括氣瓶(1)、管路(2)、手動閥門(3)、壓力表(4)、減壓器(5)、過濾器(7)、質(zhì)量流量計(8)、電磁閥(9)、壓力傳感器(10)、溫度傳感器(11)。其特征在于還包括換熱器組件(6)和音速噴嘴組件(12)；氣瓶(1)出口通過管路(2)依次連接與手動閥門(3)、減壓器(5)、換熱器組件(6)、過濾器(7)、質(zhì)量流量計(8)、電磁閥(9)、音速噴嘴組件(12)，減壓器(5)出入口分別引出支線管路連接壓力表(4)及手動閥門(3)，兩手動閥門后連接放氣管路，音速噴嘴組件(12)之前管路中連入壓力傳感器(10)及溫度傳感器(11)，音速噴嘴組件(12)之后管路中連入壓力傳感器(10)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小流量氣體控制裝置，其特征是換熱器組件由貯水箱、 箱蓋、可拆換螺旋形紫銅管、電加熱管組成、水閥，電加熱管位于水箱底部，螺旋形紫銅管位 于水箱中部，水箱外壁低位安裝有水閥，螺旋形紫銅管通過管路固定于箱蓋上并在箱蓋外 側(cè)留有出入接口，箱蓋上留有活門。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小流量氣體控制裝置，其特征是音速噴嘴組件由接管 嘴、外套螺母、墊片、音速噴嘴、連接套管組成。音速噴嘴采用固定式收斂結(jié)構(gòu)，裝卡于連接 套管內(nèi)。利用外套螺母將接管嘴及連接套管緊固，音速噴嘴與接管嘴及連接套管間安裝墊 片。
4. 一種用于權(quán)利要求1所述的裝置控制流量的方法，該方法的操作步驟如下第一步，流量控制操作前先確保換熱器處于正常工作狀態(tài)； 第二步確定初調(diào)壓力大小；第三步根據(jù)控制流量要求、初調(diào)壓力值及氣體初溫值確定音速噴嘴喉部尺寸；第四步安裝音速噴嘴；第五步初調(diào)壓力；第六步細調(diào)壓力。
全文摘要
一種小流量氣體控制裝置，其特征在于氣瓶出口通過管路依次連接與手動閥門、減壓器、換熱器組件、過濾器、質(zhì)量流量計、電磁閥、音速噴嘴組件，減壓器出入口分別引出支線管路連接壓力表及手動閥門，音速噴嘴組件之前管路中連入溫度傳感器及壓力傳感器，音速噴嘴組件之后管路中連入壓力傳感器。通過調(diào)節(jié)音速噴嘴前的壓力或更換不同喉徑的音速噴嘴，可分別在不同范圍內(nèi)實現(xiàn)流量控制；利用音速噴嘴工作特性可實現(xiàn)氣體流量穩(wěn)定供給；利用換熱器對來流中含有的少量液體進行氣化，可消除兩相流影響。該裝置既能夠?qū)崿F(xiàn)純氣相條件下準確、穩(wěn)定的微小流量控制要求，又能夠適應來流中含有少量液滴的條件下的小流量控制要求，而且能在較高壓力條件下工作。
文檔編號G05D7/06GK101727108SQ20081022533
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者孫威, 張國舟, 方杰, 杜正剛, 蔡國飆 申請人:北京航空航天大學