1.本发明涉及低温含氧介质流动及磁性流体流动技术领域，具体地，涉及带磁性流体快速预冷的方法及装置，适用于地面常重力及空间微重力下的含磁性流体为工质的管路系统的冷却。


背景技术：

2.管路系统常见于各种化工、能源生产中，低温管路系统常见于生产、贮存及使用低温流体的系统中，包括空气分离系统、航空航天动力装置等，在地面环境及空间微重力环境中都有重要应用。低温系统在启动前，通常需要使用低温流体对系统管路进行预冷，使得管道壁面、阀门等全系统达到低温流体饱和温度，这样低温流体在使用时在管道内流动时能够保持液态。预冷的速度影响系统的启动时间和预冷成本，间接影响了系统的各项指标。
3.低温管路系统预冷通常具有如下特点：
4.低温流体与壁面换热属于流动换热，即换热的性能与流体流动的状态有关，也即低温流体流过时处于非平衡换热状态，其换热的充分程度与冷量的利用程度也与管道的布置及流体流动状态有关。
5.管道壁面与低温流体温差大，低温流体接触壁面时过热度大，因此低温流体充入管道与管道壁面接触时，在管道内剧烈沸腾。
6.管路壁面过热度沿程随空间与时间不断变化，过热度不同则低温流体沸腾呈现不同的状态，过热度大时低温流体呈现膜沸腾状态，过热度小时低温流体呈现核沸腾状态，两种沸腾态间可能存在过渡流态。
7.低温流体膜沸腾状态中，液体接触壁面剧烈汽化的蒸汽形成一层气膜，阻碍了液体与壁面的继续换热，降低了换热效率，在空间微重力环境中，由于环向气膜包裹更加均匀，该现象对沸腾换热的影响更加明显，降低了系统管路的预冷效果。
8.综上所述，对于低温流体预冷这样的非平衡换热来说，提高换热效率、充分利用液体的冷量能够降低预冷成本，降低系统能耗，继而提高系统的经济性。目前提高低温管路系统预冷效率的方式主要有：
9.改进系统管路设计：通过设计管路的流动及回热以对低温流体冷量进行充分利用，不足之处在于可能增加系统重量，且系统复杂度和流动的耦合性提高。
10.改进管路内部工艺设计：通过在管路内部涂覆聚乙烯、碳纤维等涂层，添加一层固体导热热阻，减小了膜沸腾阶段流体与管道内壁面温差，能够缩短膜沸腾阶段的时间。该方法的缺点在于非金属与金属之间的涂覆工艺不稳定，不能实现低温冷热交变条件下的长期稳定结合，而涂层的剥离可能导致管路堵塞，影响系统的使用甚至导致系统报废。
11.改进管路内部结构设计：通过设计双层管或者添加管内结构增强管内流动混合，破坏气液分布稳定性，该方式可以达到提高预冷速率的效果，缺点是会引入额外阻力，同时增加了管路系统的重量。
12.在空气分离系统及航空航天推进系统中，存在液氧的生产、贮运及使用。氧分子具
有强顺磁性，可以被梯度磁场吸引，利用这个特性可以对氧的流动进行控制，特别是单位体积氧分子密度较高的液氧。利用这一性质可以控制氧的流动，如磁氧浓度分析仪就利用了氧具有磁性这一特点，利用这一性质可以控制氧的流动，如zl200510086240.9及zl200820010636.4中提出的利用磁性对氧气进行分离。
13.专利文献cn108351031a(申请号：201680065518.0)公开了一种磁性流体密封件，其设为能够针对在轴向上形成的密封膜简单地决定温度环境的结构而延长密封膜的寿命。磁性流体密封件(1)包括：外筒构件(3)，其在内部收纳从流体机械的壳体延伸来的旋转轴(2)，该外筒构件具有能安装于壳体的安装部(3a)；磁极构件(6a、6b)，其配置在收纳于外筒构件(3)中的旋转轴(2)的周围，形成磁路；以及密封膜(m)，其由磁性流体(10a、10b)形成在轴向上，该密封膜与磁路磁连接，且配置在磁极构件(6a、6b)和旋转轴(2)之间，其中，外筒构件(3)具有用于将沿着外筒构件的轴线方向传导的热量隔开的隔热部件(3c)和用于冷却外筒构件(3)的冷却部件(3d)，在外筒构件(3)上沿着其轴线方向依次设有安装部(3a)、隔热部件(3c)、密封膜(m)以及冷却部件(3d)。


技术实现要素：

14.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种利用磁场提升管路系统预冷速率的方法及装置。
15.根据本发明提供的一种利用磁场提升管路系统预冷速率的方法，包括：管路内液相流体与气相流体在磁场的作用下进行气液重新分布，继而液相流体接触管道壁面吸收壁面热量，加速管路系统壁面的降温速率。
16.优选地，管路气液流动区域设有能够对磁性或顺磁性流体产生作用力的磁场。
17.优选地，所述管路系统外设置非接触式的磁场，磁场对气液相流体产生不同大小的作用力，破坏气膜，促使气液相的重新分布。
18.优选地，磁场在管道内所产生的磁感应强度为非均匀分布。
19.优选地，液氧是一种强顺磁性流体，在梯度磁场中受到指向磁场强度增大方向的体积力。
20.根据本发明提供的一种利用磁场提升管路系统预冷速率的装置，不导磁的低温管道1；
21.通过在所述不导磁的低温管道1的外部设置永磁体或线圈4，从而在管道内部提供磁场，在外加磁场的作用下，所述磁场将对氧分子产生指向管道壁面的磁场力。
22.优选地，所述永磁体对称置于所述不导磁的低温管道1的外侧；或者所述线圈周向缠绕在所述不导磁的低温管道1的外侧。
23.优选地，当所述磁场采用线圈绕制并采用电流激励，线圈产生的磁场在径向存在梯度，磁场对液氧的吸引力方向由中心指向外侧；
24.当所述磁场采用永磁体对称放置于所述不导磁的低温管道1的外侧，永磁体产生的磁场在径向存在梯度，磁场对液氧的吸引力方向由中心指向外侧。
25.优选地，还包括软磁材料磁轭3，所述软磁材料磁轭3包覆在所述线圈或永磁体4的外侧；所述软磁材料磁轭3能够提升流体流动区域的磁场强度；
26.还包括磁屏蔽盖板2，所述磁屏蔽盖板2包覆在所述线圈/永磁体4或所述软磁材料
磁轭3的外侧。
27.优选地，还包括线圈绕制骨架5，所述线圈或永磁体通过所述线圈绕制骨架5设置在所述不导磁的低温管道1的外侧。
28.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
29.1、本发明为管道局部布置磁体及软磁材料制作的磁轭，在气液流动区域形成能够对含磁性流体产生作用力的磁场，在不引入额外的结构阻力的前提下实现气膜的破坏和气液流动的扰动，实现管道壁面的快速冷却，具有可控性强，可靠性高等优点；
30.2、本发明解决了现有预冷技术中液氧产生的气膜阻碍了管壁与液体接触传热，使得预冷效率下降的问题，提供了利用磁场改变管道中气液分布的方法，该方法可在预冷过程中将液氧从管道中心吸引至管道壁面处，使得液相与管壁进一步发生相变传热，同时进一步降低管壁的温度，产生的气体向下游运动破坏边界层，能够增强管道内流体的混合，提高预冷速率与效率；
31.3、使用本发明所述的方法和结构制造的低温液氧管路系统可广泛应用于导弹武器动力系统、运载火箭动力系统及辅助动力系统和空间飞行器推进系统等领域，特别适合小流量、细长管路的冷却，可有效提高预冷效率，降低低温流体的预冷损失，降低发射成本。
附图说明
32.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
33.图1为线圈系统与流体管道的装配示意图。
34.图2为线圈系统与流体管道示意图。
35.图3为多线圈组合提升管道预冷效率示意图。
36.图4为磁场对气液分布扰动的流动状态示意图。
37.图5为磁场对气液分布扰动的流动状态示意图。
具体实施方式
38.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
39.实施例1
40.为了提高低温管路系统的预冷效率，最大化减少预冷时间，本发明提供了一种非接触式利用磁场提升管路系统预冷速率的方法。
41.根据本发明提供的一种利用磁场提升管路系统预冷速率的方法，包括：
42.当管道用于重力场及微重力场条件中时，管道壁面温度相对管道流体饱和温度存在过热度，液相流体接触管道壁面时迅速蒸发为蒸汽，形成一层气膜存在于管壁与主流液相之间，阻碍了主流液相与管壁的进一步换热；
43.管路内液相流体与气相流体在磁场的作用下进行气液重新分布，继而液相流体接触管道壁面吸收壁面热量，加速管路系统壁面的降温速率。
44.具体地，管路气液流动区域设有能够对磁性或顺磁性流体产生作用力的磁场。
45.具体地，所述管路系统外设置非接触式的磁场，磁场对气液相流体产生不同大小的作用力，破坏气膜，促使气液相的重新分布。
46.具体地，液氧是一种强顺磁性流体，在梯度磁场中受到指向磁场强度增大方向的体积力。液氧的体积磁化率比气氧高三个数量级，因此在布置的梯度磁场中，液氧比气氧更容易被磁场吸引。
47.具体地，低温管道外侧布置磁场，磁场在管道内所产生的磁感应强度为非均匀分布，越靠近壁面处的磁感应强度越强，中心处较弱。由于液态氧是一种强顺磁性液体，在非均匀磁场中将受朝向磁场强度增大方向的磁化力。
48.根据本发明提供的一种利用磁场提升管路系统预冷速率的装置，不导磁的低温管道1；
49.通过在所述不导磁的低温管道1的外部设置永磁体或线圈，从而在管道内部提供磁场，在外加磁场的作用下，所述磁场将对氧分子产生指向管道壁面的磁场力。此处氧分子泛指气相和液相中的氧分子，因为液相中单位体积氧分子远高于气相，宏观上表现为磁场对液相的吸引力高于气相，因此可以将管道内的液相吸引至管道壁面处，增强换热。
50.具体地，所述永磁体对称置于所述不导磁的低温管道1的外侧；或者所述线圈周向缠绕在所述不导磁的低温管道1的外侧。
51.具体地，当所述磁场采用线圈绕制并采用电流激励，线圈产生的磁场在径向存在梯度，磁场对液氧的吸引力方向由中心指向外侧。当所述磁场采用永磁体对称放置于所述不导磁的低温管道1的外侧，永磁体产生的磁场在径向存在梯度，磁场对液氧的吸引力方向由中心指向外侧。管路气液流动区域设有能够对磁性或顺磁性流体产生作用力的磁场。管路内液相流体与气相流体在磁场的作用下进行气液重新分布，继而液相流体接触管道壁面吸收壁面热量，加速管路系统壁面的降温速率。
52.具体地，还包括软磁材料磁轭3，所述软磁材料磁轭3包覆在所述线圈或永磁体4的外侧；所述软磁材料磁轭3能够提升流体流动区域的磁场强度。
53.具体地，还包括磁屏蔽盖板2，所述磁屏蔽盖板2包覆在所述线圈/永磁体4或所述软磁材料磁轭3的外侧。
54.具体地，还包括线圈绕制骨架5，所述线圈或永磁体4通过所述线圈绕制骨架5设置在所述不导磁的低温管道1的外侧。
55.具体地，所述线圈4材料可采用高温超导材料制作，以获得更高的磁场强度。由于流体本身处于超导温区下，无需添加冷却装置，而可以减少电流损耗，提高线圈效率。
56.实施例2
57.实施例2是实施例1的优选例
58.本发明提供的一种利用磁场提升管路系统预冷速率的方法，包括管路内液相流体与气相流体在磁场的作用下进行气液重新分布与接触换热，继而液相流体受到从管道中心指向壁面的磁场力，破坏气膜接触管道壁面吸收壁面热量，加速管路系统壁面的降温速率，所述气液流动区域设有能够对含磁性流体产生作用力的磁场。
59.低温系统在启动前，通常需要使用低温流体对系统管路进行预冷，使得管道壁面、阀门等全系统达到低温流体饱和温度，这样低温流体在使用时在管道内流动时能够保持液
态。
60.如图1-2所示，实现上述磁致快速冷却的方法的一种低温流体快速冷却方法的装置，包括不导磁的低温管道1、磁屏蔽盖板2、软磁材料磁轭3、线圈4和线圈绕制骨架5。通过电流控制线圈电磁场产生的磁场强度，软磁材料制作的磁轭起到聚拢磁感线以及增强磁场的作用。
61.磁轭作为管道的一部分和管道其他部分通过焊接密封，以保证低温流体不会泄露至管道外。盖板2与磁轭3通过螺孔进行常规连接，保证在内压高达2mpa时不脱落。
62.具体地，所述线圈4可采用高温超导线圈制作，以获得更高的磁场强度。由于管道本身处于超导温区下，无需添加冷却装置，而可以减少电流损耗，提高线圈效率。
63.如图1-2所示，磁轭3具有较高导磁性，在外加磁场的作用下，磁轭与线圈形成的磁场分布如图4-5所示。可以看出磁感线呈现管壁处较密，管道中心处较疏的分布特性，因此径向存在指向壁面的梯度磁场。在梯度磁场的作用下，当预冷时发生膜沸腾现象，也即在液氧与管道壁面产生一层气膜时，施加磁场可以将管道中心的液氧拉至管道壁面处，破坏气膜，如图4所示。液氧与壁面接触发生相变换热后，能够进一步降低管道壁面温度，减少流体与壁面的过热度，缩短膜沸腾的时间，提高预冷效率与预冷速率。进一步地，如图3所示，可通过多线圈组合提升管道预冷效率。
64.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
65.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。