用于制备和供应致密液氧产品的系统和方法与流程

本发明涉及一种用于制备和供应在空间飞行器应用场景中使用的致密液氧产品的系统和方法，并且更具体地，涉及一种用于在航天发射设施处使用高压空气或合成空气作为制冷剂从高压气态氧流制备致密液氧流的系统和方法。

背景技术：

1、空间飞行器发射应用场景需要大量液体燃料和液氧来产生使飞行器进入太空所需的推进力。液氧的量非常大，并且通常超过1000mtpd，并且液氧必须通过深度过冷实现致密化，以最大化发射的氧化剂有效载荷。使液氧过冷至低于其沸点会产生更致密的氧化剂，因而需要更小的罐来容纳相同的量。致密化水平的限制是在材料的三相点处的固化。使燃料/氧气罐的体积和重量最小化对于火箭设计的可行性至关重要，并且期望将所有必要的燃料/氧气装入尽可能小的体积中。

2、航天工业面临的与氧气致密化有关的挑战包括降低包括电力成本在内的运营成本，以及降低氧气致密化的资本成本。根据空间飞行器的尺寸，将液氧供应到发射设施处的发射平台通常需要将超过40辆液氧拖车用卡车运送到发射设施中，然后在发射设施中对液氧进行致密化。从物流以及安全这两方面来看，使用如此多的液体拖车来运送液氧是有问题的。在空间飞行器发射设施处进行的大多数当前氧化剂致密化工艺，通常还需要从外部来源运入的液氮拖车数量多于液氧拖车的数量，该液氮拖车用于实现液氧的致密化。这进一步增加了将大量液氮或其他低温液体用卡车运送到发射设施的总体物流负担。

3、为了进一步改进发射操作并降低运营成本，显然需要减少或消除液氧和液氮经由卡车到发射设施的运输。此外，仍然需要开发用于在发射设施处液化和致密化氧气的改进的制冷循环。用于氧气的液化和致密化的改进的制冷循环应既能增强在空间飞行器发射应用场景中用作氧化剂的液氧的致密化，又能降低与这样的液化和致密化相关联的电力成本，理想的是降低到氧气的液化和致密化消耗的电力可忽略不计的程度。在空间飞行器发射设施处执行的当前液化和致密化工艺可能需要输送通常超过30mw的电力，根据发射场的位置和配置，这可能是不切实际的。

4、在美国专利号10,808,967和11,293,671中示出和描述了常规液氧致密化系统的示例。已经开发出这些工艺和许多其他工艺，这些工艺和许多其他工艺利用液氮和/或稀有气体经由间接热交换来制备液氧。参见例如美国专利申请公开号2023/068126，其公开了一种工艺，其中液氮被汽化并涡轮膨胀，以吸收将气态氧转化为液氧所需的能量。或者，如美国专利申请公开号2022/099364中所公开的，已经提出将高压气态氮用于海上平台上的空间飞行器发射应用场景的氧气液化和致密化。

技术实现思路

1、本发明可被表征为用于从高压气态氧流制备致密液氧流的系统，该系统包括：(i)热交换器布置，该热交换器布置包括第一热交换装置和第二热交换装置，该第一热交换装置被配置为经由与制冷剂流的间接热交换来液化该高压气态氧流和压力大于或等于约10巴（绝压）的至少一股高压气态空气流，以产生液氧流和液态空气流，该第二热交换装置被配置为经由与该液态空气流的间接热交换来致密化液氧流，以产生致密液氧流和冷汽化空气流；和(ii)一个或多个涡轮，该一个或多个涡轮被配置为使至少一股高压气态空气流的分流部分膨胀以产生一股或多股排气流。制冷剂流包括一股或多股排气流和冷汽化空气流的混合物。本系统优选地设置为靠近发射设施处的空间飞行器发射平台。高压气态氧流和至少一股高压气态空气流优选地经由管道从位于发射设施的约2千米范围内的空气分离单元供应到发射设施。

2、或者，本发明可被表征为用于从高压气态氧流制备致密液氧流的方法，该方法包括以下步骤：(a)经由热交换器布置中与制冷剂流的间接热交换来液化高压气态氧流和压力大于或等于约10巴（绝压）的至少一股高压气态空气流，以产生液氧流和液态空气流；(b)经由热交换布置中与液态空气流的间接热交换来致密化液氧流，以产生致密液氧流和冷汽化空气流；(c)使至少一股高压气态空气流的分流部分在一个或多个涡轮中膨胀以产生一股或多股排气流；以及(d)使一股或多股排气流与冷汽化空气流混合以产生制冷剂流。热交换布置优选地包括第一热交换装置或热交换芯以及第二热交换装置或热交换芯，该第一热交换装置或热交换芯被配置为液化高压气态氧流和至少一股高压气态空气流，该第二热交换装置或热交换芯被配置为致密化液氧流。

3、在本系统和方法的各种实施方案中，可存在一个或多个辅助压缩机，该一个或多个辅助压缩机被配置为将高压空气流压缩至大于或等于约50.5巴（绝压）的压力。此外，一个或多个涡轮还包括第一涡轮和第二涡轮，该第一涡轮被配置为使至少一股高压气态空气流的分流部分膨胀以产生第一排气流，该第二涡轮被配置为使第一排气流进一步膨胀以产生第二排气流，并且其中制冷剂流包括第二排气流和冷汽化空气流的混合物。可选地，一个或多个涡轮还可包括第三涡轮，该第三涡轮被配置为使高压气态空气流的第二分流部分膨胀以产生第三排气流，并且其中第二涡轮被进一步配置为使第一排气流和第三排气流的混合物进一步膨胀以产生第二排气流。优选地，本系统和方法还包括整体齿轮式机器，该整体齿轮式机器操作地联接一个或多个涡轮和一个或多个辅助压缩机。在此类实施方案中，由一个或多个涡轮提供的功优选地等于或大于一个或多个辅助压缩机所需的功。

4、在大部分实施方案中，高压空气流的至少一部分，优选地为高压空气流的大部分，用于高压气态氧流的液化。高压空气流的第二部分被液化，并且随后在等于且优选地小于环境压力/大气压的压力下被蒸发。可选地，液态空气的一部分可以储存在发射设施处的储罐中，以在本制冷系统和方法中提供额外的灵活度。通过真空泵从蒸发流中回收显冷也实现了显著的优点，该真空泵被配置为加压冷汽化空气流并将冷汽化空气流作为制冷剂流的一部分再循环。另外，高压空气流可以是作为空气分离循环的一部分从附近的空气分离装置产生的传统液态空气流，或者高压空气流可以替代地是合成空气流，该合成空气流包括来自空气分离单元的氧气和氮气的混合物。

1.一种用于从高压气态氧流制备致密液氧流的系统，所述系统包括：

2.根据权利要求1所述的用于制备所述致密液氧流的系统，其中所述一个或多个涡轮还包括：

3.根据权利要求2所述的用于制备所述致密液氧流的系统，其中所述第一热交换装置被进一步配置为预冷所述高压空气流，并且所述第一涡轮被配置为使所预冷的高压空气流膨胀以产生所述第一排气流。

4.根据权利要求2所述的用于制备所述致密液氧流的系统，其中所述第一热交换装置被进一步配置为部分地加温所述第一排气流，并且所述第二涡轮被配置为使所述部分地加温的第一排气流膨胀以产生所述第二排气流。

5.根据权利要求1所述的用于制备所述致密液氧流的系统，所述系统还包括一个或多个辅助压缩机，所述一个或多个辅助压缩机被配置为将所述高压空气流压缩至大于或等于约50.5巴（绝压）的压力。

6.根据权利要求5所述的用于制备所述致密液氧流的系统，其中由所述一个或多个涡轮提供的功等于或大于所述一个或多个辅助压缩机所需的功。

7.根据权利要求6所述的用于制备所述致密液氧流的系统，所述系统还包括整体齿轮式机器，所述整体齿轮式机器操作地联接所述一个或多个涡轮和所述一个或多个辅助压缩机。

8.根据权利要求6所述的用于制备所述致密液氧流的系统，其中所述冷汽化空气流处于低于环境压力的压力下，并且所述系统还包括真空泵，所述真空泵被配置为加压所述冷汽化空气流。

9.根据权利要求8所述的用于制备所述致密液氧流的系统，其中由所述一个或多个涡轮提供的功大于所述一个或多个辅助压缩机和所述真空泵所需的功的90%。

10.根据权利要求2所述的用于制备所述致密液氧流的系统，所述系统还包括：

11.根据权利要求10所述的用于制备所述致密液氧流的系统，其中所述第一热交换装置被进一步配置为部分地加温所述第一排气流和所述第三排气流，并且所述第二涡轮被配置为使所述部分地加温的第一排气流和部分地加温的第三排气流的混合物膨胀以产生所述第二排气流。

12.根据权利要求1所述的用于制备所述致密液氧流的系统，其中所述第一热交换装置、所述第二热交换装置、所述一个或多个涡轮设置为靠近发射设施处的空间飞行器发射平台。

13.根据权利要求12所述的用于制备所述致密液氧流的系统，其中所述高压气态氧和所述至少一股高压气态空气流经由管道从位于所述发射设施的2千米范围内的空气分离单元供应到所述发射设施。

14.根据权利要求13所述的用于制备所述致密液氧流的系统，其中所述至少一股高压气态空气流包括合成空气流，所述合成空气流包括来自所述空气分离单元的氧气和氮气的混合物。

15.根据权利要求12所述的用于制备所述致密液氧流的系统，所述系统还包括储罐，并且其中所述致密液氧流储存在所述储罐中以用作空间飞行器推进系统的氧化剂。

16.一种用于从高压气态氧流制备致密液氧流的方法，所述方法包括以下步骤：

17.根据权利要求16所述的用于制备致密液氧流的方法，其中所述一个或多个涡轮还包括：

18.根据权利要求17所述的用于制备所述致密液氧流的方法，所述方法还包括在所述第一热交换器中预冷所述至少一股高压空气流的步骤，并且其中在所述第一涡轮中使所述至少一股高压气态空气流的所述分流部分膨胀的步骤还包括使所预冷的至少一股高压空气流膨胀以产生所述第一排气流。

19.根据权利要求17所述的用于制备所述致密液氧流的方法，所述方法还包括部分地加温所述第一排气流的步骤，并且其中使所述第一排气流膨胀的步骤还包括使所述部分地加温的第一排气流膨胀以产生所述第二排气流。

20.根据权利要求16所述的用于制备致密液氧流的方法，所述方法还包括在一个或多个辅助压缩机中将所述至少一股高压空气流压缩至大于或等于约50.5巴（绝压）的压力的步骤。

21.根据权利要求20所述的用于制备所述致密液氧流的方法，其中由所述一个或多个涡轮提供的功等于或大于所述一个或多个辅助压缩机所需的功。

22.根据权利要求20所述的用于制备所述致密液氧流的方法，其中所述冷汽化空气流处于低于环境压力的压力下，并且所述方法还包括用真空泵加压所述冷汽化空气流的步骤，并且其中由所述一个或多个涡轮提供的功大于所述一个或多个辅助压缩机和所述真空泵所需的功的90%。

23.根据权利要求17所述的用于制备所述致密液氧流的方法，所述方法还包括以下步骤：

24.根据权利要求23所述的用于制备所述致密液氧流的方法，所述方法还包括在所述第一热交换器中部分地加温所述第一排气流和所述第三排气流的步骤，并且其中在所述第二涡轮中使所述第一排气流进一步膨胀的步骤还包括在所述第二涡轮中使所述第一排气流和所述第三排气流的所述混合物进一步膨胀以产生所述第二排气流。

25.根据权利要求16所述的用于制备所述致密液氧流的方法，所述方法还包括所述经由管道将所述至少一种高压气态氧和所述高压气态空气流从空气分离单元供应到位于所述空气分离单元的2千米范围内的发射设施的步骤。

26.根据权利要求25所述的用于制备所述致密液氧流的方法，其中所述至少一股高压气态空气流包括来自所述空气分离单元的纯化空气流。

27.根据权利要求25所述的用于制备所述致密液氧流的方法，其中所述至少一股高压气态空气流包括纯化合成空气流，所述纯化合成空气流包括由所述空气分离单元产生的氧气和氮气的混合物。