用于低溫設(shè)備的液氮分配系統(tǒng)

李鴻勛

(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

0 引言

液氮分配系統(tǒng)在空間環(huán)境模擬器、大型氦制冷機(jī)液氮級(jí)熱交換器、液氮溫度純化器和低溫泵等都有應(yīng)用。從前大多是采用強(qiáng)制循環(huán)液氮系統(tǒng)，較少采用重力輸送自循環(huán)液氮系統(tǒng)。重力輸送自循環(huán)系統(tǒng)也稱為自然循環(huán)系統(tǒng)或熱虹吸系統(tǒng)。最早應(yīng)用重力輸送自循環(huán)液氮系統(tǒng)的是原蘇聯(lián)70年代建成的兩臺(tái)大型空間模擬器，此后再?zèng)]有應(yīng)用，直到90年代美國(guó)的幾個(gè)空間模擬器由于改造的需要采用了重力輸送自循環(huán)液氮系統(tǒng)。

1969年美國(guó)福特公司建成的空間模擬器因鋁熱沉疲勞損壞不得不更換熱沉，于1994年對(duì)液氮系統(tǒng)進(jìn)行了改造，改為重力輸送自循環(huán)液氮系統(tǒng)。

1962年美國(guó)哥達(dá)德中心建成的空間模擬器，由于其鋁熱沉支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理造成熱沉損壞，于1996年進(jìn)行了改造，液氮系統(tǒng)改為重力輸送自循環(huán)液氮系統(tǒng)。

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)為了做空間模擬試驗(yàn)，由于其體積大，必須在航空航天局(NASA)約翰遜空間中心(JSC)的大型模擬器A中進(jìn)行。約翰遜空間中心模擬器A直徑19．8 m、高35.66 m，模擬器內(nèi)液氮熱沉直徑17．4 m、高28 m。太空望遠(yuǎn)鏡要求90～120天的長(zhǎng)期試驗(yàn)，因此要求試驗(yàn)設(shè)備有很高的可靠性，但原模擬器A液氮泵只有300 h保養(yǎng)周期，大量控制閥和泄放裝置，系統(tǒng)對(duì)電力的高度依賴性等因素都降低了模擬器的可靠性?？刂崎y的故障會(huì)破壞熱沉和氦板的工作，太多的閥門不能控制熱沉溫度的均勻性?？傊?，原模擬器A不能完成太空望遠(yuǎn)鏡的試驗(yàn)任務(wù)，經(jīng)過(guò)多個(gè)方案論證，最后還是采用了自然循環(huán)系統(tǒng)，于2010年完成了模擬器A的改造。

近幾年，一些高溫超導(dǎo)研究機(jī)構(gòu)在研究和試驗(yàn)63～87 K過(guò)冷液氮自然循環(huán)系統(tǒng)中的熱和流動(dòng)特性，以便使過(guò)冷液氮的自然循環(huán)系統(tǒng)用于高溫超導(dǎo)電力設(shè)備。

上述設(shè)備采用自然循環(huán)系統(tǒng)而不用強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)，主要因?yàn)榍罢哂蟹€(wěn)定、可靠、低成本、低熱沉(分路支管)溫度、低液氮消耗和較高效率的優(yōu)點(diǎn)。

目前，液氮分配系統(tǒng)有5種基本型式，即開式沸騰液氮分配系統(tǒng)、帶壓節(jié)流液氮分配系統(tǒng)、單相密閉循環(huán)液氮分配系統(tǒng)、帶文丘利管的單相密閉循環(huán)液氮分配系統(tǒng)和重力輸送自循環(huán)液氮分配系統(tǒng)。

1 重力輸送自循環(huán)液氮系統(tǒng)性能和特點(diǎn)分析

5種基本液氮循環(huán)系統(tǒng)中前4種都是強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)。除了開式沸騰系統(tǒng)外都有液氮泵和多個(gè)閥門，為了各支管溫度均勻都采用了過(guò)冷液氮，系統(tǒng)壓力較高。而自然循環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)，是被熱負(fù)荷的熱產(chǎn)生的浮力驅(qū)動(dòng)的。因此要關(guān)注支路管中液氮被加熱后管中流動(dòng)狀況。

1.1 液氮在典型管中流動(dòng)形式隨熱負(fù)荷變化狀況

在重力輸送自循環(huán)系統(tǒng)中，相分離器槽(液氮貯槽)是關(guān)鍵部件，一方面供應(yīng)系統(tǒng)液氮，又在返回的液氮中進(jìn)行氣液分離，氣氮排出，而液氮繼續(xù)參與系統(tǒng)的循環(huán)。重力輸送自循環(huán)液氮系統(tǒng)中沒有液氮泵，驅(qū)動(dòng)力來(lái)自液氮分離器槽的靜力壓頭。液氮從分離器槽通過(guò)垂直管供應(yīng)匯集管進(jìn)模擬器內(nèi)熱沉的底部，通過(guò)熱沉上升后進(jìn)入返回的匯集管再回到分離器槽。在此氣體放出而液體回到熱沉。

很明顯，如果沒有傳熱進(jìn)入系統(tǒng)就不會(huì)形成循環(huán)，但由于漏熱使熱量傳入系統(tǒng)中，就分散蒸發(fā)管中液體。其結(jié)果是氣體排出，這導(dǎo)致密度的差異，從而形成驅(qū)動(dòng)力，使液氮在熱沉中循環(huán)，并保持液體的液氮溫度。如圖1所示給出了典型管中各種階段流動(dòng)形式和隨熱負(fù)荷變化狀況圖。從下面進(jìn)入熱沉的液體是單向流，再向上是過(guò)冷沸騰，熱沉是處于飽和核態(tài)沸騰區(qū)，因此在液氮系統(tǒng)每個(gè)模塊供液線上裝有調(diào)節(jié)閥，以便控制管路中液體和蒸氣的比例，決定液體的供給壓力，使熱沉控制在飽和核態(tài)沸騰區(qū)。

圖1 典型管中各種階段流動(dòng)形式和隨熱負(fù)荷變化狀況圖

只有使熱沉中的液氮處于飽和核態(tài)沸騰區(qū)，液氮是泡狀流或柱塞流時(shí)，液氮溫度才能保證熱沉溫度能滿足試驗(yàn)要求。如果液氮處于強(qiáng)制對(duì)流區(qū)，管內(nèi)液氮為環(huán)狀流或帶有霧沫的環(huán)狀流會(huì)損耗過(guò)多的液氮。

管內(nèi)液氮的流動(dòng)形式和所處的區(qū)域主要取決于所受熱負(fù)荷的大小，因?yàn)樵诳臻g環(huán)境模擬器中，熱沉所受的熱負(fù)荷較小，因此熱沉是在飽和核態(tài)沸騰區(qū)。

1.2 重力輸送自循環(huán)液氮分配系統(tǒng)工作原理

重力輸送自循環(huán)液氮系統(tǒng)工作原理如圖2所示。液氮貯槽(相分離器)放在被冷卻管上方一定的高度，由貯槽的下方連接輸液管與熱沉最下方的匯總管連接，成相互平行的管子。在沒有熱量輸入的情況下，模擬器內(nèi)和模擬器外的管內(nèi)液體由于進(jìn)入的靜力壓頭等于返回的靜力壓頭，就不會(huì)形成循環(huán)。假如模擬器內(nèi)管吸收熱量而模擬器外管沒有吸收熱量，吸收熱量的豎直管中的液氮會(huì)膨脹甚至沸騰，結(jié)果是排出氣體，這導(dǎo)致在同一高度上在模擬器內(nèi)豎管中液氮的密度低于模擬器外豎管中液氮的密度。從而使該管中的壓力低于模擬器外豎管中液柱壓力，這一壓力差就是促使液氮環(huán)境回路流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)壓力，熱流越高流速也就越大，為保持熱沉的溫度在要求的范圍內(nèi)，熱沉管液氮應(yīng)處于飽和核態(tài)沸騰區(qū)。在液氮系統(tǒng)中，熱沉的豎直管中加熱熱沉密度通常不大，加熱壁面上以核態(tài)沸騰為主要沸騰模式。壁面上活化核心處形成的氣泡大到一定尺寸，然后在浮力的作用下脫離活化核心之后，沿壁面向上滑移一定距離，并在此過(guò)程中不斷增大，最后脫離加熱壁面。脫離后的氣泡在液體中繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)氣泡周圍的液體向上流動(dòng)，從而形成自然循環(huán)。在上述兩種力的作用下，最終形成重力輸送自循環(huán)液氮系統(tǒng)。

圖2 重力輸送自循環(huán)液氮系統(tǒng)工作原理圖

1.3 重力輸送自循環(huán)液氮系統(tǒng)熱分析

現(xiàn)在以約翰遜空間中心(JSC)空間模擬器為例說(shuō)明自然循環(huán)系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)。當(dāng)使用自然循環(huán)系統(tǒng)時(shí)，在過(guò)程流動(dòng)管徑內(nèi)要消除潛在的蒸氣陷阱，并且在供液管和回液管之間使壓力差最大化。要在模擬器頂部足夠高的位置安放貯液罐(相分離器罐)，這樣可以達(dá)到足夠壓力差，以保持運(yùn)行過(guò)程通過(guò)熱沉板高度的2/3是過(guò)冷(單相)狀態(tài)，以保證過(guò)程流動(dòng)通過(guò)管路最曲折部分。

在自然循環(huán)系統(tǒng)中會(huì)有一定的出口含氣率的液體在管路末端返回到相分離器。質(zhì)量流能使用能量平衡法計(jì)算，壓力降可以直接計(jì)算。供給液體到相分離器返回液體密度所創(chuàng)造的可供的壓力降必須大于需要的壓力降。最關(guān)鍵的過(guò)渡連接件要保持在過(guò)冷區(qū)域。增加熱沉的熱負(fù)荷將降低流體的密度，可自動(dòng)增加通過(guò)系統(tǒng)的液體流量。

JSC空間模擬器自然循環(huán)系統(tǒng)工作原理如圖2所示，杰弗遜實(shí)驗(yàn)室成功的建造了2 K低溫壓縮機(jī)的自然循環(huán)(熱虹吸)冷卻系統(tǒng)，并對(duì)JSC空間模擬器改造進(jìn)行了熱分析。在已知參數(shù)下，可求得在不同出口蒸發(fā)率的各點(diǎn)壓力降及密度等參數(shù)的對(duì)應(yīng)值。

Zt為全高，Zt=32 m，Zv為兩相流非加熱段(5～6部分)，Zv=4.57 m，ηs為過(guò)冷液體非加熱部分(1～2)等熵壓力降效率，ηs=96%；ηe為液體加熱部分(3～4)理想壓力降效率，ηe=90%；ηt為液體 P加熱部分(4～5)部分理想壓力降，ηt=80%；ηm為兩相非加熱部分(5～6)等熵壓力降效率，ηm=80%；P1為相分離器罐的壓力，P1=P6，P1=0．1 155 MPa；P2為點(diǎn)2的壓力，P2=0．357 MPa；T1為點(diǎn)1的溫度，T1=78．44 K；T2為點(diǎn)2 的溫度，T2=78．52 K；K*為加熱部分高度位置為66．7%時(shí)計(jì)算壓力P*用的系數(shù)。

如表1所列，為求得不同出口蒸發(fā)率下的各點(diǎn)壓力降及密度等參數(shù)，如圖2所示，首先定義表1中各參數(shù)的意義:Xe=X6為出口點(diǎn)6液體的蒸發(fā)率；ΔPv為從2～3點(diǎn)經(jīng)過(guò)閥門的壓力降；X5為加熱部分末端點(diǎn)5的蒸發(fā)率；q/w為每循環(huán)質(zhì)量流量輸入的熱量；KeZq為在加熱部分(3～5)飽和液體位置；ρt為加熱部分(4～5)總體平均蒸氣密度；ρe為加熱部分(3～4)總體平均液體密度；P*為在K*位置時(shí)的壓力，加熱部分從3～5點(diǎn)高度衡量時(shí)，點(diǎn)3位置系數(shù)Ke=0，加熱部分為最高點(diǎn)5時(shí)系數(shù) Ke=1=100%，要求在總高度的66．7%，即 K*=66．7時(shí)的P*；P3、P4、P5表示 3、4、5 各點(diǎn)的壓力；T3、T4、T5為3、4、5 各點(diǎn)的溫度。

從上述計(jì)算結(jié)果可以理解自然循環(huán)的原理及特點(diǎn)。從數(shù)據(jù)可知，點(diǎn)6的X6出口蒸發(fā)率與點(diǎn)5的X5蒸發(fā)率變化規(guī)律是基本相同的，而且與每循環(huán)質(zhì)量流量輸入的熱量g/w變化規(guī)律是一致的，這是說(shuō)明輸出管路液氮的蒸發(fā)是由于在管路從3～5點(diǎn)輸入熱量g/w的結(jié)果。由于熱量的輸入使輸出管內(nèi)液氮從飽和液體狀態(tài)變到飽和氣體狀態(tài)，加熱部分飽和液體的位置KeZq隨著出口蒸發(fā)率X6的增加減小，這是由于熱量增加，部分飽和液體變?yōu)轱柡蜌怏w。在飽和液體狀態(tài)時(shí)的密度ρe也遠(yuǎn)大于飽和氣體狀態(tài)的密度 ρt，而且 ρe變化不大，ρt則隨著 X6的增大而減小，當(dāng)熱負(fù)荷增加時(shí)會(huì)減小流體密度，這將自動(dòng)增加系統(tǒng)通過(guò)的液體流量，這是符合液氮循環(huán)規(guī)律的。

表1 出口蒸發(fā)率與各點(diǎn)壓力降

已知點(diǎn)2的壓力P2=0．357 MPa，當(dāng)出口蒸發(fā)率X6=3．0%時(shí)，點(diǎn)3 的壓力 P3=0．334 MPa，這說(shuō)明進(jìn)出管路在同一個(gè)高度水平時(shí)產(chǎn)生了壓差，這壓差除了閥門的阻力外，主要是由于出口有液氮蒸發(fā)，即輸出管3～5點(diǎn)輸入熱量q/w的結(jié)果。由于輸出管的加熱，使系統(tǒng)產(chǎn)生了虹吸效應(yīng)，這樣才會(huì)形成自然循環(huán)系統(tǒng)。

從數(shù)據(jù)可知，由于P2是定值，2～3點(diǎn)之間的壓力降主要是因?yàn)辄c(diǎn)3的壓力P3降低造成的，由于在同一高度進(jìn)出管路都有壓差，這就產(chǎn)生了系統(tǒng)循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力。點(diǎn)2經(jīng)過(guò)閥門到點(diǎn)3的壓力降ΔPv是隨出口蒸發(fā)率X6變化的，出口蒸發(fā)率X6越高，壓力降ΔPv越大。從上述數(shù)據(jù)可知，當(dāng)X6＞3%時(shí)ΔPv才有足夠的壓力降形成自然循環(huán)。

從數(shù)據(jù)可知，在出口蒸發(fā)率X6從3% ～20%時(shí)，點(diǎn)3 的溫度 T3從 78．52 ～78．58 K；T4從 80．73 ～81.14 K；T5從79．10 ～78．55 K。從 3 ～5 點(diǎn)受熱負(fù)荷加熱部分的溫度在78．52～81.14 K范圍內(nèi)，該溫度保證了熱沉溫度的穩(wěn)定性，并且溫度低于強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)時(shí)的溫度。

一般在一個(gè)設(shè)備中要分幾個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)⒐ぷ髟讵?dú)立的自然循環(huán)系統(tǒng)(熱虹吸系統(tǒng))，每個(gè)系統(tǒng)在返回管路有本身的流量，這取決于該區(qū)域熱負(fù)荷，并在該區(qū)域總流量形成的液體壓力降相平衡。對(duì)于平均熱負(fù)荷情況，可供壓力降和需要的壓力降是隨著蒸發(fā)率變化曲線變化的，如圖3所示，兩曲線交叉點(diǎn)在出口蒸發(fā)率3%附近。這說(shuō)明當(dāng)出口蒸發(fā)率在大于3%時(shí)有效壓力降才會(huì)大于需要的壓力差。

1.4 重力輸送自循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

重力輸送自循環(huán)液氮系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn):

(1)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，無(wú)低溫下的運(yùn)動(dòng)設(shè)備和部件；

(2)操作簡(jiǎn)單，維修方便，降低了設(shè)備和使用成本，系統(tǒng)沒有過(guò)冷器、帶壓杜瓦、液氮泵和復(fù)雜的管路，因此節(jié)省了設(shè)備投資和運(yùn)行成本；

(3)能很好的滿足熱沉溫度要求、溫度較低；

根據(jù)以上分析可以看出，流域內(nèi)大部分區(qū)域作物都存在不同程度作物缺水情況，但是不同分區(qū)缺水的原因也有所區(qū)別。

(4)運(yùn)行穩(wěn)定，較開式沸騰液氮系統(tǒng)和單相密閉循環(huán)液氮系統(tǒng)有明顯的優(yōu)點(diǎn)，液氮貯槽起著一個(gè)氣液分離器的作用，不會(huì)有開式沸騰系統(tǒng)的流體振動(dòng)問(wèn)題和噴出液氮的問(wèn)題；

圖3 驅(qū)動(dòng)和需要壓力降與蒸發(fā)率的關(guān)系

(5)節(jié)省液氮，對(duì)于大型長(zhǎng)期運(yùn)行的液氮設(shè)備會(huì)有很大經(jīng)濟(jì)效益。

雖然重力輸送自循環(huán)液氮系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，但有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，要求熱沉的管路需要與供液管形成U形回路，否則可能就沒有辦法循環(huán)。而單相密閉循環(huán)液氮系統(tǒng)對(duì)熱沉管路設(shè)計(jì)無(wú)要求，缺點(diǎn)是其熱負(fù)荷較強(qiáng)迫流動(dòng)的液氮系統(tǒng)小。

1.5 重力輸送自循環(huán)液氮系統(tǒng)設(shè)計(jì)要注意的問(wèn)題

(1)熱沉管路應(yīng)形成一個(gè)自然對(duì)流回路，除匯總管可以做成環(huán)形管外，其他的支管路必須是要垂直或傾斜的，不能有水平支管。否則水平管中會(huì)形成氣堵。如圖4所示為原蘇聯(lián)Ф17．5 m×40 m模擬器熱沉高30 m，為了能形成U形回路，除上下各一根環(huán)形水平匯總管外，其余的支管熱沉全是從上到下，全長(zhǎng)為30 m的鋁翼形管；

(2)供液管和回液管一定是垂直走向，需要非走水平管時(shí)，也要有一個(gè)從下向上的斜度，在回液管中絕不允許從上向下的彎曲；

(3)為了確保支管上部的溫度也能保持在液氮溫度，根據(jù)外部輻射熱的大小，應(yīng)將液氮蒸發(fā)量控制在5%以內(nèi)，這樣才能保證有足夠的驅(qū)動(dòng)力，不會(huì)使支管上部蒸氣太多，才能使支管保持液氮溫度；

(4)要對(duì)冷卻盤管的管阻和進(jìn)出液氮管之間的壓差仔細(xì)計(jì)算，確保在這個(gè)壓差下有足夠的液體流速，當(dāng)多路供液時(shí)，在每路供應(yīng)管上應(yīng)加調(diào)節(jié)閥，使每路供液管都能滿足上述條件。

2 三個(gè)用于大型空間模擬器的自然循環(huán)液氮系統(tǒng)

下面介紹三個(gè)用于大型空間模擬器的自然循環(huán)液氮系統(tǒng)，一個(gè)是原蘇聯(lián)上世紀(jì)70年代建成的，另一個(gè)是帶文丘利管單相密閉循環(huán)預(yù)冷的自然循環(huán)系統(tǒng)，第三個(gè)是近期改造建設(shè)的約翰遜空間中心空間模擬器的自然循環(huán)液氮系統(tǒng)。

2.1 原蘇聯(lián)空間環(huán)境模擬器液氮分配系統(tǒng)

原蘇聯(lián)空間模擬器液氮系統(tǒng)如圖4所示。從圖中可知液氮系統(tǒng)由230 m3液氮貯槽、2臺(tái)液氮泵、2臺(tái)補(bǔ)液泵、排液罐和氣氮再液化裝置組成。氣氮再液化裝置由球形液氮貯槽(1 400 m3)、噴射泵、補(bǔ)液泵、蒸發(fā)器、逆向冷凝裝置、冷卻器和空氣分離裝置組成。在熱沉啟動(dòng)時(shí)為減少預(yù)冷時(shí)間要用液氮泵輸送液氮到熱沉，在正常工作時(shí)，關(guān)閉液氮泵的進(jìn)出口閥門，打開旁通閥，由上方的貯槽和旁通管路及熱沉管路形成了重力輸送自循環(huán)液氮系統(tǒng)，這會(huì)使熱沉在低溫下穩(wěn)定運(yùn)行。試驗(yàn)完成后，熱沉中的液氮排放到排液罐。氣氮液化裝置用于液化蒸發(fā)的氮?dú)?，以補(bǔ)充液氮。

圖4 原蘇聯(lián)Φ17．5 m×40 m空間模擬器液氮系統(tǒng)示意圖

2.2 帶文丘利管的單相密閉循環(huán)預(yù)冷的重力輸送自循環(huán)液氮系統(tǒng)

如圖5所示的自然循環(huán)系統(tǒng)在保持熱沉溫度的同時(shí)，在一定熱負(fù)荷情況下液氮消耗最小，該系統(tǒng)可以手動(dòng)，也可以自動(dòng)操作。

該系統(tǒng)的特點(diǎn)是:使用帶文丘利管液氮泵單相密閉循環(huán)預(yù)冷的重力輸送自循環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括:頂端液氮貯槽、過(guò)冷器盤管、頂端液氮貯槽補(bǔ)充液氮泵、文丘利管、液氮過(guò)冷器泵、低壓液氮貯槽及真空容器內(nèi)的熱沉。在真空容器內(nèi)的熱沉由頂部熱沉、圓柱熱沉和底部熱沉三部分組成。系統(tǒng)主要由帶文丘利管的單相密閉循環(huán)啟動(dòng)系統(tǒng)和重力輸送自循環(huán)系統(tǒng)兩部分組成。

圖5 帶單相密閉循環(huán)預(yù)冷的自然循環(huán)液氮系統(tǒng)示意圖

(1)帶文丘利管單相密閉循環(huán)啟動(dòng)系統(tǒng)

在真空容器中主熱沉熱負(fù)荷損耗的液氮是由低壓液氮貯槽供到頂端液氮貯槽的。頂端液氮貯槽高于真空容器，液氮由低壓液氮貯槽底部供給頂端液氮貯槽補(bǔ)充泵液氮，再由補(bǔ)充泵將液氮泵到頂端的液氮貯槽。頂端液氮貯槽是工作在等于或接近一個(gè)大氣壓狀態(tài)，因而保持液氮沸點(diǎn)在一個(gè)大氣壓熱平衡飽和狀態(tài)，并在這種狀態(tài)下向熱沉提供液氮。頂端液氮貯槽內(nèi)裝有液氮過(guò)冷器盤管，是單相密閉循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分。液氮通過(guò)過(guò)冷器盤管經(jīng)文丘利管供應(yīng)到液氮過(guò)冷器泵，過(guò)冷器盤管中的液氮通過(guò)I、J、K管路到達(dá)帶文丘利管的泵，通過(guò)過(guò)冷器泵將壓力提高到1．0 MPa，然后液氮經(jīng)過(guò)管路通入真空容器中的熱沉，熱沉是暴露在真空容器中的熱負(fù)荷。因?yàn)榱黧w通過(guò)熱沉壓力足夠高，因此液氮仍保持為液體(不會(huì)改變?yōu)闅庀?，從熱沉出來(lái)的液氮經(jīng)過(guò)管路M和N回到浸在上部的貯槽中的過(guò)冷器盤管，當(dāng)液氮通過(guò)過(guò)冷器盤管時(shí)，在真空容器中得到的熱量與過(guò)冷液體進(jìn)行熱交換，這會(huì)引起在貯槽的液氮沸騰更強(qiáng)烈。當(dāng)液氮在頂端液氮貯槽中氣化，液氮會(huì)重新由低壓液氮貯槽通過(guò)頂端液氮貯槽補(bǔ)充氣化的液氮。液氮通過(guò)過(guò)冷器盤管后，接近頂端液氮貯槽一樣的壓力，然后液氮再次經(jīng)管路I、J和K流向過(guò)冷器泵繼續(xù)循環(huán)。

由過(guò)冷器盤管、管路 N、I、J、K 及文丘利管、液氮過(guò)冷器泵、管路L、主熱沉和管路M所組成的帶文丘利管單相密閉循環(huán)液氮系統(tǒng)是用于預(yù)冷熱沉的系統(tǒng)，該系統(tǒng)啟動(dòng)和補(bǔ)充液氮損失是靠頂端液氮貯槽通過(guò)管路O到文丘利管，再進(jìn)入液氮過(guò)冷器泵的吸入口。

(2)重力輸送自循環(huán)系統(tǒng)

如上所述，頂端液氮貯槽中液氮損耗是由于熱沉中的熱負(fù)荷引起的，重力輸送自循環(huán)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是在熱真空容器中的熱沉能保持要求的液氮溫度主要依靠上方的貯槽，不是依靠液氮過(guò)冷器泵。

重力輸送自循環(huán)系統(tǒng)工作循環(huán)為:液氮通過(guò)頂端液氮貯槽供應(yīng)到真空容器內(nèi)的熱沉，通過(guò)管路P、J、Q和R到達(dá)熱沉，先進(jìn)入熱沉較低的部分，然后就通過(guò)熱沉整體區(qū)域或整體管路。

當(dāng)液氮流動(dòng)時(shí)，吸收真空容器中熱沉的熱量，因此會(huì)輕微的減少熱沉內(nèi)液氮的密度并增加熱沉和導(dǎo)管J在同一高度任意點(diǎn)間的壓力差。由于液氮繼續(xù)在真空容器外的M管路中向上流動(dòng)時(shí)，在某個(gè)高度或在低于頂端液氮貯槽的某個(gè)高度得到足夠大的熱量，液氮變?yōu)閮上嗔鞑⒑凸┮汗苈稪在相同高度比較具有更小的密度，因此給液氮提供了驅(qū)動(dòng)力，這種驅(qū)動(dòng)力可克服系統(tǒng)的摩擦損失并在自然對(duì)流的狀態(tài)下進(jìn)行流動(dòng)，通過(guò)M和S管路兩相流返回頂端液氮貯槽。

2.3 約翰遜空間模擬器的自然循環(huán)液氮系統(tǒng)

如圖6所示為約翰遜空間中心模擬器的自然循環(huán)液氮系統(tǒng)。模擬器為滿足詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡試驗(yàn)對(duì)其液氮系統(tǒng)進(jìn)行改造，將強(qiáng)制循環(huán)液氮系統(tǒng)改造為自然循環(huán)液氮系統(tǒng)，是目前最簡(jiǎn)單效果較好的自然循環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)消除了全部旋轉(zhuǎn)部件并依賴自然循環(huán)(即依賴重力和密度變化)供應(yīng)液氮到熱沉，并使用五個(gè)相同的相分離器罐，每個(gè)0．9 m3，全部在模擬器頂部。模擬器熱沉分為四個(gè)扇形體，每個(gè)扇形體由若干熱沉區(qū)域組成，每個(gè)扇形熱沉由獨(dú)立的相分離器罐提供液氮，流體由上面貯罐靠重力自然流到熱沉區(qū)域。相分離器罐中的液氮補(bǔ)充及熱沉的預(yù)冷都是靠加熱器加熱環(huán)境蒸發(fā)器，用蒸發(fā)器產(chǎn)生的帶壓氮?dú)獬淙胍旱A罐，用此罐中的液氮補(bǔ)充液氮和預(yù)冷熱沉，該系統(tǒng)是目前最簡(jiǎn)單的自然循環(huán)液氮系統(tǒng)。由于改造后取消了液氮泵和減少了各種閥門，提高了系統(tǒng)的可靠性，自然驅(qū)動(dòng)過(guò)程保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和低熱沉溫度。簡(jiǎn)化后的系統(tǒng)減少了維修和建造成本，提高了效率，節(jié)省了大量液氮，與改造前比較節(jié)省了27%的液氮。

圖6 JSC空間模擬器自然循環(huán)液氮系統(tǒng)示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

在各種使用液氮分配系統(tǒng)設(shè)備中，正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷允許的情況下應(yīng)選用重力輸送自循環(huán)(自然循環(huán))液氮系統(tǒng)。因?yàn)樵撓到y(tǒng)可達(dá)到較低的溫度，最省液氮。選用自然循環(huán)系統(tǒng)后要進(jìn)行一些技術(shù)準(zhǔn)備工作。首先要進(jìn)行液壓測(cè)量，確定所需要的壓力差，得到循環(huán)需要的液體蒸發(fā)率。本質(zhì)上，最終在系統(tǒng)內(nèi)會(huì)平衡蒸發(fā)率的值，對(duì)系統(tǒng)分析和預(yù)測(cè)是不可缺少的一個(gè)步驟，分析預(yù)測(cè)正如詳細(xì)設(shè)計(jì)管路一樣是個(gè)反復(fù)過(guò)程并正在走向成熟，通過(guò)分析和預(yù)測(cè)可以驗(yàn)證在系統(tǒng)內(nèi)任何地方都不會(huì)超過(guò)最大蒸發(fā)率10%。在兩相流的熱力學(xué)和流體工藝設(shè)計(jì)中的工程能力和經(jīng)驗(yàn)必須減少這些設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)最終結(jié)果，以達(dá)到預(yù)期。

［1］鄒定忠．重力供應(yīng)冷卻用液氮的方法及其應(yīng)用［C］//2003年低溫技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)，2003:183－188．

［2］Randall F B．Cryogenic Heat Transfer［M］．Taylor and Francis，1999．

［3］Murphy A J，Stratton J F．Supermarket inventory control system and method:U．S．Patent 4554446［P］．1985－11－19．

［4］Homan J，Montz M，Ganni V，et al．The liquid nitrogen system for chamber A；a change from original forced flow design to a natural flow(thermo siphon)system［J］．Advances in cryogenic engineering，2010，1218(1):207－214．

［5］Ivanov Y，Radovinsky A，Zhukovsky A，et al．Compact counter－flow cooling system with subcooled gravity－fed circulating liquid nitrogen［J］．Physica C:Superconductivity，2010，470(20):1895－1898．

［6］Kim M J，Chang M．Natural circulation loop of subcooled liquid nitrogen［J］．Advances in cryogenic engineering ，2008，53:59－66．