液氮再冷凝裝置的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

朱建生，焦天恕，陸文海，劉立強(qiáng)

(1.航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190； 2.酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉735300)

?

·低溫與制冷·

液氮再冷凝裝置的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

朱建生1，2，焦天恕2，陸文海1，劉立強(qiáng)1

(1.航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190； 2.酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉735300)

摘要:搭建了一個(gè)液氮零蒸發(fā)主動(dòng)冷卻的貯存測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)的目標(biāo)是針對一個(gè)日蒸發(fā)率為0.4 %的10 m3液氮貯槽實(shí)現(xiàn)液氮冷凝回收。首先，將貯槽中蒸發(fā)的冷氮?dú)馔ǖ揭粋€(gè)200 L的液氮杜瓦中，并通過該杜瓦頂部的GM制冷機(jī)，進(jìn)行冷卻和再液化，并對該杜瓦中的液氮液位進(jìn)行測量，獲得液化率。當(dāng)200 L中的液氮杜瓦中的液氮完成液化后，通過切換閥門，并對杜瓦升壓，將再液化的液氮泵入10 m3的液氮貯槽中，恢復(fù)液氮貯槽中的液面，完成一次再冷凝。通過實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大于40 L/d的再液化率，能夠滿足該液氮貯槽的零蒸發(fā)要求。

關(guān)鍵詞:零蒸發(fā);再冷凝;GM制冷機(jī)

近年來，隨著空間制冷技術(shù)、低溫絕熱技術(shù)及電子技術(shù)的發(fā)展，大大促進(jìn)了低溫液體零蒸發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。零蒸發(fā)貯存是指利用制冷機(jī)、再液化器或輻射器等來平衡低溫液體儲(chǔ)罐的熱損失，從而使儲(chǔ)罐內(nèi)低溫液體的蒸發(fā)率為零并使低溫液體儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力保持恒定的一種貯存方法[1]。

現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)零蒸發(fā)貯存技術(shù)可分為兩大類，一是采用被動(dòng)技術(shù)，二是采用主動(dòng)技術(shù)。采用被動(dòng)技術(shù)一方面是指改進(jìn)低溫容器的絕熱措施以減少漏熱；主動(dòng)技術(shù)是指選用合適的低溫制冷設(shè)備來提供冷量使氣化的蒸氣再冷凝為液體，實(shí)現(xiàn)無排放的長期貯存[2]?？梢酝ㄟ^使用低溫制冷機(jī)的閉式循環(huán)來實(shí)現(xiàn)，也可通過使用再液化器的開式循環(huán)來實(shí)現(xiàn)。本項(xiàng)目采用主動(dòng)技術(shù)，針對一個(gè)日蒸發(fā)率為0.4%的10 m3液氮貯存槽開展液氮再冷凝裝置研制。

1設(shè)計(jì)思想

該液氮再冷凝裝置，采用小型低溫制冷機(jī)產(chǎn)生的冷量對氮?dú)?來源于液氮貯存槽)進(jìn)行冷凝，產(chǎn)生的液態(tài)氮由一個(gè)200 L液氮杜瓦來收集儲(chǔ)存，然后再通過增壓裝置將杜瓦中的液態(tài)氮輸送回到液氮貯存槽中，以實(shí)現(xiàn)10 m3液氮貯存槽中蒸發(fā)的氮?dú)庖夯⑶一厥者M(jìn)入液氮儲(chǔ)槽中循環(huán)利用，達(dá)到無損耗儲(chǔ)藏的目的。

2設(shè)備組成及流程

2.1組成

設(shè)計(jì)制作的液化設(shè)備主要由以下幾個(gè)部分組成：200 L液氮杜瓦、AL300型低溫制冷機(jī)、氦壓縮機(jī)、常溫氦氣傳輸金屬軟管、冷頭換熱器、冷水機(jī)組、控制系統(tǒng)和液氮(冷氮?dú)?傳輸管線組成。

2.2流程

小型低溫制冷機(jī)的冷頭裝在液氮杜瓦上面向上延伸的頸口法蘭上，構(gòu)成制冷機(jī)液氮杜瓦組件，通過帶有自密封快速接頭的氦氣金屬軟管與氦壓縮機(jī)連接，由于壓縮機(jī)功率較大，發(fā)熱量較大，因此氦壓縮機(jī)選擇為水冷式壓縮機(jī)。

另外配備一臺(tái)風(fēng)冷式冷水機(jī)組，利用循環(huán)冷卻水來冷卻氦壓縮機(jī)。制冷機(jī)液氮杜瓦組件、氦壓縮機(jī)和冷水機(jī)組均安裝有萬向輪，可隨意移動(dòng)，各個(gè)子部件之間以及液氮杜瓦和液氮儲(chǔ)槽之間均為柔性管連接，方便安裝和拆卸，且不受位置限制。具體的流程圖如下圖1所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的流程圖

3設(shè)備部件功能特點(diǎn)

3.1液氮杜瓦

液氮杜瓦所起到的作用是儲(chǔ)存制冷機(jī)液化后的液氮并將液氮通過增壓之后輸送回到液氮儲(chǔ)槽之中。

參考現(xiàn)有的低溫貯存設(shè)備的結(jié)構(gòu)[3]，開展了該液氮杜瓦的設(shè)計(jì)，該液氮杜瓦全部由不銹鋼制成，表面進(jìn)行拋光處理，杜瓦采用高真空、多層絕熱結(jié)構(gòu)，并設(shè)置自增壓盤管，無需借助外部氣源，便可自行增壓泵輸送液體。杜瓦上部配有增壓閥、進(jìn)氣閥、輸液閥、排氣閥、內(nèi)膽爆破閥、夾層抽氣兼外膽爆破閥、2個(gè)安全閥(0.4 MPa、0.8 MPa各一個(gè))、引線接口、液位計(jì)、壓力表和制冷機(jī)接口等。

3.2AL300型低溫制冷機(jī)

設(shè)備運(yùn)行所需冷量全部由AL300型低溫制冷機(jī)產(chǎn)生，它是整個(gè)設(shè)備中最關(guān)鍵的部件。AL300型低溫制冷機(jī)采用絕熱放氣膨脹法獲得低溫，它以氦氣為工質(zhì)進(jìn)行閉循環(huán)，主要由壓縮機(jī)、冷頭、高低壓氦氣軟管組成。壓縮機(jī)和冷頭分開放置，冷頭安裝在液氮杜瓦法蘭上，壓縮機(jī)可選擇安裝遠(yuǎn)離現(xiàn)場的合適地方，它們之間用耐高壓金屬軟管連接，制冷機(jī)的冷量由冷頭提供。

AL300型低溫制冷機(jī)工作溫區(qū)在25～300 K，在70 K時(shí)可產(chǎn)生250 W制冷功率，操作簡單，電機(jī)轉(zhuǎn)速只有1 Hz，工作壽命長。制冷機(jī)壓縮機(jī)上裝有壓力和溫度保護(hù)裝置，當(dāng)壓力異?；驂嚎s機(jī)油溫度過高時(shí)，壓縮機(jī)自動(dòng)保護(hù)停止工作，安全系數(shù)很高。

3.3冷頭換熱器

冷頭換熱器是用于冷氮?dú)馀c制冷機(jī)冷頭產(chǎn)生冷量的交換，使冷氮?dú)獗灰夯?，然后液氮將在重力作用下滴落并?chǔ)存在200 L液氮杜瓦內(nèi)部。換熱器和周圍的氮?dú)獬掷m(xù)進(jìn)行這樣的熱交換，使得從液氮儲(chǔ)槽中過來的那些積聚在杜瓦上部的氮?dú)庵鸩降谋灰夯?/p>

冷頭換熱器由導(dǎo)熱良好的無氧銅制成，做成翅片狀，以增大換熱面積，直接緊密連結(jié)在制冷機(jī)的冷頭上，間隙充填銦片，以減小接觸熱阻，外表面鍍鉻以防銹蝕。當(dāng)冷氮?dú)饨佑|到換熱器的表面時(shí)，由于換熱器表面溫度很低，并且有很大的冷量，所以兩者之間進(jìn)行熱交換從而實(shí)現(xiàn)氮?dú)獾囊夯?/p>

3.4冷水機(jī)組

由于AL300型低溫制冷機(jī)中的壓縮機(jī)為水冷式氦氣壓縮機(jī)，冷水機(jī)組主要用于對通過氦氣壓縮機(jī)的循環(huán)水進(jìn)行冷卻，以防止壓縮機(jī)溫度過高而保護(hù)停止運(yùn)行。

所用冷水機(jī)組采用全封閉、低噪音、高效壓縮機(jī)，自帶數(shù)顯溫控器，機(jī)組內(nèi)裝置不銹鋼水箱，大流量、高揚(yáng)程專用水泵，機(jī)組備有冷卻回路。完善的安全保護(hù)系統(tǒng)與故障電子訊號(hào)能確保機(jī)組運(yùn)行不受損害安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.5控制系統(tǒng)

設(shè)備的主要控制系統(tǒng)有：制冷機(jī)控制系統(tǒng)、冷水機(jī)組控制系統(tǒng)、液氮液位控制系統(tǒng)。

低溫制冷機(jī)控制系統(tǒng)主要控制制冷機(jī)運(yùn)行及過熱保護(hù)、高壓保護(hù)、缺相保護(hù)等，冷水機(jī)組控制系統(tǒng)主要控制風(fēng)機(jī)、冷凍水泵的運(yùn)行及相關(guān)保護(hù)。

液氮液位控制系統(tǒng)的主要目的是通過液位控制器來控制整個(gè)系統(tǒng)。工作時(shí)，當(dāng)液氮杜瓦內(nèi)的液氮高至一定液位后，控制器會(huì)自動(dòng)切斷制冷機(jī)運(yùn)行；當(dāng)液氮杜瓦內(nèi)的液氮低到一定液位后，控制器會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)制冷機(jī)運(yùn)行。

3.6液氮(冷氮?dú)?輸送管道

液氮(冷氮?dú)?輸送管道的主要作用是，將液氮儲(chǔ)罐和液化設(shè)備連為一體，液氮(或氮?dú)?在其中形成循環(huán)，并同時(shí)起保溫作用，減小液氮(或氮?dú)?在輸運(yùn)過程中的漏熱，減少系統(tǒng)冷損。液氮杜瓦、液氮儲(chǔ)槽通過輸送管道連接，形成閉環(huán)回路，液氮(冷氮?dú)?在其中循環(huán)。

液化設(shè)備中輸送管道主要有兩條：液氮儲(chǔ)槽氮?dú)獬鰵夤芤桓糜趯⒁旱獌?chǔ)槽中蒸發(fā)的冷氮?dú)廨斔椭烈旱磐咧校灰旱磐叱鲆汗芤桓?，用于將杜瓦中回收液化的氮?dú)廨斔偷揭旱獌?chǔ)槽中。

液氮(冷氮?dú)?輸送管道主要結(jié)構(gòu)分為內(nèi)、外管：內(nèi)管材料為耐低溫的不銹鋼金屬軟管，并以聚四氟乙烯材料作支承，采用真空多層絕熱方式。外管絕熱材料由具有高反射率的單面起皺鍍鋁薄膜和具有低熱導(dǎo)率的玻璃纖維布交替纏繞所構(gòu)成，絕熱空間靜態(tài)真空度優(yōu)于10-2Pa，能有效阻止外部熱量傳入內(nèi)管中的低溫流體，輸送管道熱損耗<1.5 W/m。

圖2　無損貯存實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

4冷氮?dú)庠僖夯瘜?shí)驗(yàn)及結(jié)果

按照上述流程和設(shè)備選型，搭建了該實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)，其實(shí)物如圖2所示，該實(shí)驗(yàn)過程分為以下幾步：

1.使用純氮?dú)饣蛘咭旱獌?chǔ)槽蒸發(fā)出來的飽和氮?dú)鈱υ僖夯鬟M(jìn)行吹掃；

2.關(guān)閉液氮杜瓦的進(jìn)氣閥門和排氣閥，打開水冷機(jī)組和G-M制冷機(jī)，等待系統(tǒng)降溫；

3.當(dāng)制冷機(jī)冷頭溫度降至77 K時(shí)，打開進(jìn)氣閥，確保此排液閥和排氣閥關(guān)閉；

4.每隔一定時(shí)間記錄一次液位計(jì)讀數(shù)；

5.當(dāng)液位上升至一定高度后，關(guān)閉制冷機(jī)，關(guān)閉進(jìn)氣閥門，打開200 L杜瓦自增壓閥，并打開回液閥，將液化后的液氮泵至10 m3的液氮貯存罐內(nèi)；

6.如果需要再次液化回到步驟3；如果實(shí)驗(yàn)完成后，關(guān)閉再液化器的進(jìn)氣閥和排液閥，保持排氣閥打開狀態(tài)，關(guān)閉制冷機(jī)電源、水冷機(jī)組及控制系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)計(jì)算，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)40 L/d的再液化率，滿足整個(gè)系統(tǒng)零蒸發(fā)要求。

表1　液氮液化量數(shù)據(jù)

5結(jié)論

針對一個(gè)日蒸發(fā)率為0.4%的10 m3液氮貯存罐研制了一套液氮再冷凝裝置，本文介紹了該液氮再冷凝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和流程，并著重介紹了系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)子部件的功能特點(diǎn)。為了驗(yàn)證該再液化系統(tǒng)的可行性，測試系統(tǒng)的再液化率，開展了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠按照設(shè)計(jì)原理工作，并產(chǎn)生40 L/d的再液化率，滿足液氮貯存罐零蒸發(fā)的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋斌杰，石玉美，汪榮順.國外低溫液體無損儲(chǔ)存的研究進(jìn)展[J].低溫與超導(dǎo)，2007，35(6):469-473.

[2] 李廣武，安剛，李娜.低溫液體無損儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].真空與低溫，2008，14(3):172-176.

[3] 殷合香，王炳忠，李映穎.低溫液體貯運(yùn)技術(shù)及其蒸發(fā)率的測算[J].低溫與特氣，2002，20(3):8-11.

Design and Verification of ZBO Liquid Nitrogen Storage System

ZHU Jiansheng1,2, JIAO Tianshu2, LU Wenhai1, LIU Liqiang1

(1.State Key Laboratory of Technologies in Space Cryogenic Propellants，Beijing 100190，China；2.Jiuquan Satellite Launch Center，Jiuquan 735300，China)

Abstract:A Zero Boil-Off (ZBO) liquid nitrogen storage system is built. The goal of this system is to recover the liquid nitrogen from a 10 m3 liquid nitrogen storage tank with a daily evaporation rate of 0.4%. First of all, the cold nitrogen gas will be piped to a 200 L of liquid nitrogen dewar and then to the GM refrigerator to be reliquefied. The dewar has a level senor which can be used to measure the level of liquid nitrogen. When the liquid nitrogen dewar is full, the liquid nitrogen will be pumped back to 10 m3 liquid nitrogen tank. The experimental results show that the reliquefaction rate is more than 40 L/d, which can meet the requirement of ZBO liquid nitrogen storage system.

Key words:zero boil-off；recondensation；GM refrigerator

收稿日期：2016-04-21

基金項(xiàng)目：航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金課題(SKLTSCP1310)

中圖分類號(hào)：TB69

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7804(2016)03-0006-03

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.03.002

作者簡介：

朱建生(1974)，男，總工程師，主要研究方向液體推進(jìn)劑應(yīng)用技術(shù)。