一种过冷系统冷却性能评价方法及优化方法

1.本发明涉及一种加注系统热管理技术评价领域，特别涉及一种过冷系统冷却性能评价方法及优化方法。


背景技术：

2.液氧是运载火箭推进剂的重要组成燃料，相较于四氧化二氮、绿氮等氧化剂，具有无毒、无污染、低成本、高比冲等优势，已逐步成大型运载火箭应用最广泛的推进剂。
3.由于液氧通常是处于饱和状态的低温液体，在加注过程中，容易产生两相流的问题，在液氧加注过程中，贮箱内液氧漏热蒸发导致贮箱内的实际液氧加注量减少；同时，为保证发动机泵不产生气蚀，要求进泵前低温介质的温度必须低于泵入口压力下的饱和温度。将液氧冷却到过冷状态进行，能有效的解决上述问题。
4.常见过冷模式为直接换热过冷加注，即使用过冷系统壳程持续加注液氮的方式为管程液氧进行换热，通过过冷系统冷源（液氮）和热源（液氧）之间的热量交换，使热源温度小于其现有压力对应的饱和温度，最终实现过冷。在整个过冷过程中，需要保证冷源温度低于热源，热量传递后，冷源温度升高或冷源气化，热源保持过冷态，并将过冷后的热源液氧直接加注至火箭氧箱，完成射前过冷液氧补加的目的。
5.液氧过冷系统性能的合理评价直接关系到其运行的稳定性、加注过程的经济性以及整个发射试验任务的可靠性，以冷却介质流量、温度作为评估依据，时效性不强，工作反复性高。液氧过冷系统正向设计的时效性需要，对液氧泵及过冷系统壳体内部散热器等过冷系统部件的匹配、选型方法提出了更高要求。所以在液氧过冷系统设计选型过程中，尽可能快速、合理实现匹配评价并指明优选方向，是提高液氧过冷系统工作效率、完善整个加注流程的重要手段。


技术实现要素：

6.本发明提供一种过冷系统冷却性能评价方法及优化方法，基于熵产单元数和
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效率对液氧过冷系统冷却性能进行评价。将熵产单元数和
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效率应用于液氧过冷系统冷却性能的总体评价，并将壳体外部液氧泵和壳体内部散热器纳入评价体系，实现液氧泵额定参数的快速计算、选型，并优化完成选型，对匹配后的液氧过冷系统能量利用率评估。
7.具体技术方案如下：一种过冷系统冷却性能评价方法，所述过冷系统为液氧过冷系统，所述评价方法包括熵产单元数和
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效率对过冷系统的影响；所述熵产单元数用于表征在过冷系统换热过程中产生的不可逆损失；所述
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效率用于表征过冷系统实际工作中收益
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与支付
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之比，收益
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为壳程内液氮
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增，支付
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为管程内液氧
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降；熵产单元数计算公式为：；
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效率计算公式为：；式中：为熵产单元数，为熵产数，为热流体的比定压热容，为热流体的质量流量，为
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效率，、为冷流体流出、流入系统的总
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，、为热流体流出、流入系统的总
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；所述热流体为液氧，所述冷流体为液氮。
8.优选的，所述熵产数计算公式为:；式中：为熵产数，、为冷、热流体的比定压热容，、为冷、热流体的出口温度，、为冷、热流体的入口温度，为冷流体的质量流量，为液氧泵轴功率，为液氧泵扬程，为重力加速度，为液氧泵效率。
9.优选的，所述收益
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计算公式为：；式中：、为冷流体流出、流入系统的总
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，为冷流体的比定压热容，为冷流体的质量流量，为冷流体的出口温度，为冷流体的入口温度，为环境温度。
10.优选的，所述：支付
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计算公式为：；式中：、为热流体流出、流入系统的总
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，为热流体的比定压热容，为液氧泵轴功率，为液氧泵效率，为液氧泵扬程，为重力加速度，为热流体的入口温度，为热流体的出口温度，为环境温度。
11.优选的，所述热流体由液氧泵泵入过冷系统中，热流体质量流量与液氧泵质量流量相等，液氧泵质量流量计算公式为：；式中：为液氧泵质量流量，为液氧泵体积流量，为液氧密度。
12.优选的，所述液氧泵体积流量已知，所述液氧泵轴功率计算公式为：；式中：为液氧泵轴功率，为液氧泵体积流量，为液氧泵扬程，为液氧
密度，为重力加速度，为液氧泵效率。
13.优选的，所述过冷系统包括：液氧泵、液氧过冷系统、过冷系统壳程、过冷系统管程、液氧入口和液氧出口；所述液氧泵驱动热流体，由液氧入口进入液氧过冷系统，热流体在过冷系统管程内流动，然后经液氧出口流出；所述过冷系统壳程内贮存冷流体，用于冷却热流体，所述液氧泵为卧式液氧泵。
14.一种过冷系统冷却性能的优化方法，包括以下步骤：s01：采用根据权利要求1所述的过冷系统冷却性能评价方法对冷却性能评价，得出评价结论；s02：根据评价结论对过冷系统液氧泵选型、优化过冷系统；s03：对优化后的过冷系统再次进行冷却性能评价；重复上述步骤，至冷却性能评价结论符合预定条件，优化完成。
15.优选的，所述过冷系统液氧泵选型时，热流体质量流量不变，液氧泵质量流量不变，根据液氧泵扬程、液氧泵效率与液氧泵轴功率完成液氧泵选型，公式为：；式中：为液氧泵质量流量，为液氧泵轴功率，为液氧泵扬程，为重力加速度，为液氧泵效率。
本发明的有益效果如下：
16.基于熵产单元数和
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效率的过冷系统冷却性能评价方法及优化方法，可在定熵产单元数和
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效率前提下，根据液氧过冷系统能力利用率评估结果，实现液氧泵额定参数的快速计算、选型，并完成选型匹配后的液氧过冷系统能量利用率评估，优化液氧过冷系统，有益于降低液氧过冷系统冷、热侧能量损耗，精简系统构型，提高能量利用效率。
附图说明
17.图1示出了液氧过冷系统结构示意图；其中，1-液氧泵；2-液氧过冷系统；3-过冷系统壳程；4-过冷系统管程；5-液氧入口；6-液氧出口。
具体实施方式
18.下面对本技术的实施方式作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
19.说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，
术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备，不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
20.应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
实施例
21.本发明提供一种过冷系统冷却性能评价方法及优化方法，基于熵产单元数和
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效率的过冷系统冷却性能评价方法，将熵产单元数和
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效率应用于过冷系统冷却性能的总体评价。优选的，所述过冷系统为液氧过冷系统。由于液氧过冷系统热量交换的不可逆，且会有系统结构带来的冷却介质压力损失，致使熵产数必然增加，以此为基础，以熵产单元数表征在冷却系统换热过程中，产生不可逆损失的大小。
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效率定义为收益
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与支付
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之比，在过冷系统实际工作中，支付
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为液氧泵驱动的管程内热流体
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降，收益
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为壳程内冷流体
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增，优选的，热流体为液氧，冷流体为液氮。
22.熵产单元数和
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效率作为热力性能评价指标将原有的能量数量评价上升为能量质量评价，使评价体系更加完善，对液氧过冷系统冷却性能评价即连接热力系统的换热单元来说更具有现实意义。
23.如图1示出了液氧过冷系统结构示意图，包括，液氧泵1，优选的为卧式液氧泵、液氧过冷系统2、过冷系统壳程3、过冷系统管程4、液氧入口5和液氧出口6。热流体即液氧由液氧泵1驱动，由液氧入口5进入液氧过冷系统2，在过冷系统管程4内流动，由过液氧出口6流出，完成冷却过程。冷系统壳程3内贮存冷流体即液氮，用于冷却管程内的液氧。
24.根据热力学第二定律，由于散热器热量交换的不可逆，且会有系统结构带来的冷却介质压力损失，致使熵产数必然增加，以熵产单元数表征在冷却系统换热过程中，产生不可逆损失的大小，熵产单元数具体计算公式如下所示：； ；；；式中：为熵产单元数，为熵产数，、为工质流出压力，、为工质流入压力，、为工质流出温度，、为工质流入温度，、为工质比定压热容，、为工质最小热容量和最大热容量，、为工质质量流量，为冷热流体热容量比。
25.本发明以熵产单元数作为热力性能评价指标，不同于现有技术中的液氧过冷系统冷却性能评价方法，本发明将能量数量评价上升为能量质量评价，使冷却性能评价体系更加完善，对连接热力系统的换热单元来说更具有现实意义。
26.本发明将熵产单元数和
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效率应用于液氧过冷系统冷却性能的总体评价，将能量的“量”与“质”结合，从能量利用率的角度分析，其中
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效率为收益
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与支付
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之比，在液氧过冷系统实际工作中，支付
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为液氧泵驱动的管程内热液氧
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降，收益
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为壳程内液氮
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增，
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效率具体计算公式如下所示：;;;式中：为
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效率，、为冷流体流出、流入系统的总
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，、为热流体流出、流入系统的总
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，、为冷、热流体的比定压热容，、为冷、热流体的出口温度，、为冷、热流体的入口温度，、为冷、热流体的质量流量，为环境温度。所述冷流体为液氮、所述热流体为液氧。
27.在液氧过冷系统工作过程中，液氧泵关键性能参数主要为泵扬程、泵效率、热液氧流量等，液氧泵关键性能参数之间的关系如下式所示：；；式中：为液氧泵轴功率，为液氧泵体积流量，为液氧泵扬程，为液氧密度，为重力加速度，为液氧泵效率，为液氧泵质量流量。
28.根据上述液氧泵关键性能参数之间的关系得到液氧泵质量流量计算公式如下所示：；式中：为液氧泵质量流量，为液氧泵轴功率，为液氧泵扬程，为重力加速度，为液氧泵效率。
29.以过冷系统壳体内部散热器冷、热侧流体为连接纽带，将液氧泵、散热器均纳入评价体系，实现了基于熵产单元数和
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效率的冷却系统性能评估，具体公式如下所示：；；；；；式中：为熵产单元数，为熵产数，
为
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效率，、为冷流体流出、流入系统的总
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，、为热流体流出、流入系统的总
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，、为冷、热流体的比定压热容，、为冷、热流体的出口温度，、为冷、热流体的入口温度，、为冷、热流体的质量流量，为环境温度，为液氧泵轴功率，为液氧泵扬程，为重力加速度，为液氧泵效率。
30.本发明提供的过冷系统冷却性能评价方法综合考虑了熵产单元数和
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效率，其中，熵产单元数指标从能量的质量上综合考虑传热与流动的影响；
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效率指标从能量被利用的角度来分析，
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效率越大代表冷却系统的能量利用率越高。
31.根据过冷系统冷却性能评价方法对过冷系统冷却性能进行评价，若评价结果为：较小熵产单元数、较高
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效率，即可表征过冷系统能量利用率较高，优选的熵产单元数小于5
×
10
−2，
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效率大于0.9。若评级结果不是前述结果，对过冷系统进行优化，优化方法如下：采用过冷系统冷却性能评价方法对冷却性能评价，得出评价结论；根据评价结论对过冷系统液氧泵选型、优化过冷系统；对优化后的过冷系统进行冷却性能评价。
32.具体的根据过冷系统中的液氧泵数据，可以得到液氧过冷系统在额定工况下的熵产单元数和
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效率。
33.假设过冷系统工况固定，液氧过冷系统散热器散热、熵产单元数及
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效率保持不变，在定熵产单元数和定
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效率下，对过冷系统冷却性能分析，其中，、、、、、、、、、、为计算变量，当过冷系统工况保持不变时，、、、、近似不变。当进行液氧泵选型时，默认冷流体质量流量不变，当冷流体质量流量不变时热流体即液氧质量流量不变，由于液氧由液氧泵泵入，所以液氧泵质量流量不变，即可根据液氧泵扬程、液氧泵效率与液氧泵轴功率公式完成液氧泵选型，公式如下：式中：为液氧泵质量流量，为液氧泵轴功率，为液氧泵扬程，为重力加速度，为液氧泵效率。
34.根据上述公式可知，在液氧泵扬程较小、液氧泵效率较高的范围内，对应液氧泵轴功率较低，在熵产数一定时，考虑到液氧泵寄生损失，优选的，选择额定参数在该范围内的液氧泵；同一液氧泵扬程下，随液氧泵效率降低，液氧泵轴功率非线性提升，且液氧泵扬程越高，液氧泵轴功率提升趋势越明显；液氧泵效率一定时，液氧泵轴功率随液氧泵扬程降低而减小，液氧泵效率越高，该减小趋势越微弱。由液氧泵轴功率变化趋势来看，以降低液氧泵寄生损失为目标，在考虑流道损失的前提下，应选择液氧泵扬程较小、液氧泵效率较高的液氧泵。完成选型后，根据液氧泵具体性能参数，及管内额定流量，根据过冷系统冷却性能评价方法对优化后的过冷系统进行冷却性能评价，使得过冷系统同时具有较低的熵产单元数和较高的
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效率，优选的，熵产单元数小于5
×
10
−2，
㶲
效率大于0.9，完成具体能量利用率评估，即完成过冷系统冷却性能评价及优化。
35.不同工况下不同实际工作需求，依据液氧泵扬程、效率与轴功率关系，完成对液氧泵的选型匹配，避免了传统液氧泵选型带来的功率不足或功率过剩问题，降低液氧过冷系统冷、热侧能量损耗，实现系统构型精简，进而提高液氧过冷系统整体能量利用效率，对过冷系统完成优化。
36.以上基于熵产单元数和
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效率评价指标的过冷系统评价方法及优化方法，可在定熵产单元数和
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效率前提下，实现过冷系统液氧泵部件或其他部件的额定参数的快速计算、选型，并完成选型匹配后的过冷系统能量利用率评估。实现过冷系统构型精简，提高液氧过冷系统整体能量利用效率，对过冷系统完成优化。
37.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

技术特征：
1.一种过冷系统冷却性能评价方法，其特征在于，所述过冷系统为液氧过冷系统，所述评价方法包括熵产单元数和
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效率对过冷系统的影响；所述熵产单元数用于表征在过冷系统换热过程中产生的不可逆损失；所述
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效率用于表征过冷系统实际工作中收益
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与支付
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之比，收益
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为壳程内液氮
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增，支付
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为管程内液氧
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降；熵产单元数计算公式为：；
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效率计算公式为：；式中：为熵产单元数，为熵产数，为热流体的比定压热容，为热流体的质量流量，为
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效率，、为冷流体流出、流入系统的总
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，、为热流体流出、流入系统的总
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；所述热流体为液氧，所述冷流体为液氮。2.根据权利要求1所述的过冷系统冷却性能评价方法，其特征在于，所述熵产数计算公式为: ；式中：为熵产数，、为冷、热流体的比定压热容，、为冷、热流体的出口温度，、为冷、热流体的入口温度，为冷流体的质量流量，为液氧泵轴功率，为液氧泵扬程，为重力加速度，为液氧泵效率。3.根据权利要求1所述的过冷系统冷却性能评价方法，其特征在于，所述收益
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计算公式为：；式中：、为冷流体流出、流入系统的总
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，为冷流体的比定压热容，为冷流体的质量流量，为冷流体的出口温度，为冷流体的入口温度，为环境温度。4.根据权利要求1所述的过冷系统冷却性能评价方法，其特征在于，所述：支付
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计算公式为：；式中：、为热流体流出、流入系统的总
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，为热流体的比定压热容，为液氧泵轴功率，为液氧泵效率，为液氧泵扬程，为重力加速度，为热流体的入口
温度，为热流体的出口温度，为环境温度。5.根据权利要求1所述的过冷系统冷却性能评价方法，其特征在于，所述热流体由液氧泵泵入过冷系统中，热流体质量流量与液氧泵质量流量相等，液氧泵质量流量计算公式为；式中：为液氧泵质量流量，为液氧泵体积流量，为液氧密度。6.根据权利要求5所述的过冷系统冷却性能评价方法，其特征在于，所述液氧泵体积流量已知，所述液氧泵轴功率计算公式为：；式中：为液氧泵轴功率，为液氧泵体积流量，为液氧泵扬程，为液氧密度，为重力加速度，为液氧泵效率。7.根据权利要求1所述的过冷系统冷却性能评价方法，其特征在于，所述过冷系统包括：液氧泵、液氧过冷系统、过冷系统壳程、过冷系统管程、液氧入口和液氧出口；所述液氧泵驱动热流体，由液氧入口进入液氧过冷系统，热流体在过冷系统管程内流动，然后经液氧出口流出；所述过冷系统壳程内贮存冷流体，用于冷却热流体，所述液氧泵为卧式液氧泵。8.一种过冷系统冷却性能的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：s01：采用根据权利要求1所述的过冷系统冷却性能评价方法对冷却性能评价，得出评价结论；s02：根据评价结论对过冷系统液氧泵选型、优化过冷系统；s03：对优化后的过冷系统再次进行冷却性能评价；重复上述步骤，至冷却性能评价结论符合预定条件，优化完成。9.根据权利要求8所述的过冷系统冷却性能优化方法，其特征在于，所述过冷系统液氧泵选型时，热流体质量流量不变，液氧泵质量流量不变，根据液氧泵扬程、液氧泵效率与液氧泵轴功率完成液氧泵选型，公式；式中：为液氧泵质量流量，为液氧泵轴功率，为液氧泵扬程，为重力加速度，为液氧泵效率。

技术总结
本发明公开了一种过冷系统冷却性能评价方法及优化方法，所述过冷系统为液氧过冷系统，所述评价方法包括熵产单元数和


技术研发人员：杨春浩 孟凡杰 吴春志 王朝晖 张众杰 彭孔阳 陈文姣
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学士官学校
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/7/13