蓄冷氮漿回收低溫風(fēng)洞排氣原理及實(shí)驗(yàn)研究

高 榮 張 偉 陳萬(wàn)華 陳振華 李遠(yuǎn)明 張孫敏

(1中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 綿陽(yáng) 621000)(2武漢策爾曼有限公司 武漢 430000)

蓄冷氮漿回收低溫風(fēng)洞排氣原理及實(shí)驗(yàn)研究

高 榮1張 偉1陳萬(wàn)華1陳振華1李遠(yuǎn)明2張孫敏2

(1中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 綿陽(yáng) 621000)(2武漢策爾曼有限公司 武漢 430000)

低溫風(fēng)洞通過(guò)向風(fēng)洞噴射液氮降低氣流總溫的方法來(lái)提高實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)，并不斷向外排出低溫氮?dú)庖跃S持洞體內(nèi)壓力。回收該低溫氮?dú)鈱⒂兄诮档惋L(fēng)洞運(yùn)行成本，提高風(fēng)洞運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。提出了蓄冷氮漿回收風(fēng)洞排氣方案，詳細(xì)分析了方案流程中的質(zhì)量及能量變化，得出了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性臨界點(diǎn)215 K。并采用真空制冷原理開(kāi)展了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，成功制得了氮漿并實(shí)現(xiàn)了氮?dú)饣厥?，其中氮漿液位高度0.5 m，氮?dú)庾畲蠡厥账俾?.6 kg/s。

氮漿 低溫風(fēng)洞 氮?dú)饣厥?/p>

1 引 言

低溫風(fēng)洞利用低溫氮?dú)庾鳛榱鲃?dòng)介質(zhì)，可以大幅提高風(fēng)洞試驗(yàn)雷諾數(shù)[1]。它是研發(fā)大型客機(jī)，大尺寸航空航天飛行器等高雷諾數(shù)飛行設(shè)備的必要設(shè)施，能夠有效提升大型客機(jī)，運(yùn)輸機(jī)，遠(yuǎn)程作戰(zhàn)飛機(jī)的精細(xì)化設(shè)計(jì)水平，改進(jìn)并有效保障其安全性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性。

低溫風(fēng)洞采用液氮降低洞體溫度，液氮?dú)饣纬傻獨(dú)庑枧懦鲲L(fēng)洞以維持洞體內(nèi)壓力?，F(xiàn)有的大型低溫風(fēng)洞美國(guó)National Transonic Facility(NTF)和歐洲European Transonic Windtunnel(ETW)的排氣系統(tǒng)采用引射和空氣加熱方案，即將風(fēng)洞排出的低溫氮?dú)饧訜岷笸ㄟ^(guò)排氣塔(35—50 m高)直接排放到大氣[2]。該排氣方案存在兩方面的缺點(diǎn)：一是高純度的低溫氮?dú)饧捌鋽y帶的冷量均排入大氣，浪費(fèi)能量；二是為減少低溫氮?dú)鈱?duì)環(huán)境影響需加熱排出的氮?dú)?，耗費(fèi)額外能源。因此從節(jié)能減排來(lái)看，這并不是理想方案。實(shí)際上風(fēng)洞在低溫運(yùn)行時(shí)，排出的氮?dú)馊匀痪哂芯薮蟮睦淠?。以生產(chǎn)100條極曲線的一個(gè)風(fēng)洞運(yùn)行周期(降溫，試驗(yàn)，復(fù)溫)為例，消耗液氮約2 700 t。如果排出的低溫氮?dú)庥糜谥票?，則可以制冰大約250—280 t，因此回收排出的低溫氮?dú)饩哂兄匾饬x：液氮長(zhǎng)期循環(huán)使用，只需補(bǔ)充使用及回收過(guò)程中的損耗，可不建設(shè)專門的液氮生產(chǎn)廠或降低生產(chǎn)規(guī)模；回收利用低溫氮?dú)庑詈睦淞?，降低風(fēng)洞運(yùn)行綜合能耗；簡(jiǎn)化風(fēng)洞排氣系統(tǒng)，避免大流量低溫氮?dú)庵苯优欧艑?duì)環(huán)境的影響。

現(xiàn)有的連續(xù)式跨聲速低溫風(fēng)洞由軸流式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且工況范圍寬廣。風(fēng)洞馬赫數(shù)范圍0.15—1.3，溫度范圍110—323 K，總壓范圍115—450 kPa，排出氮?dú)赓|(zhì)量范圍0.44—280 kg/s。低溫風(fēng)洞如此寬的工作范圍給回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的困難。

美國(guó)蘭利研究中心認(rèn)為“在排氣裝置中恢復(fù)部分能量的方法是一個(gè)很有吸引力的想法”，并資助相關(guān)研究機(jī)構(gòu)持續(xù)不斷地進(jìn)行探索研究，但都未能取得明顯突破，主要原因在于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)狀態(tài)寬，運(yùn)行具有短暫性和間歇性[3]。因此，20世紀(jì)就已建成的NTF和ETW均未配置排氣冷量回收裝置。隨著節(jié)能環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和低溫工程的發(fā)展，氮?dú)饧袄淞炕厥招枨笕找嫫惹校饬x日趨重大，技術(shù)上可行性日漸明朗。常見(jiàn)的冷量回收方案有蓄冷回收冷量方案，壓縮液化方案。

蓄冷回收冷量方案將風(fēng)洞排出氮?dú)饨?jīng)過(guò)蓄冷介質(zhì)(如金屬、冷冰、卵石床等)，氮?dú)庵械睦淞總鬟f給蓄冷介質(zhì)，此后再排放到大氣。蓄冷介質(zhì)儲(chǔ)存的冷量可在其他系統(tǒng)中使用。該方案原理簡(jiǎn)單可靠，操作方便，成本較低。但也存在一些難以避免的缺點(diǎn)：一是排出的氮?dú)饨?jīng)過(guò)蓄冷介質(zhì)會(huì)帶來(lái)額外的排放阻力，影響風(fēng)洞正常運(yùn)行；二是風(fēng)洞排放氮?dú)馀湃氪髿庥绊懎h(huán)境，未實(shí)現(xiàn)氮?dú)夂屠淞康耐瑫r(shí)回收；三是再利用蓄冷介質(zhì)的冷量較困難，效率低。

壓縮液化方案與空分廠液化空氣原理類似，即利用壓縮機(jī)對(duì)排出氮?dú)膺M(jìn)行壓縮、膨脹和節(jié)流液化，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。該方案的優(yōu)點(diǎn)是原料氣為高純氮?dú)?，其工藝流程較空分生產(chǎn)液氮更加簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞氮?dú)馀懦?、壓縮機(jī)壓縮和液氮制備等流程一體化，沒(méi)有氮?dú)馀欧藕屠淞坷速M(fèi)的問(wèn)題。該方案缺點(diǎn)是工程可行性較差。一是排出氮?dú)饬髁亢懿环€(wěn)定，最大流量也大幅超過(guò)現(xiàn)有壓縮機(jī)性能，且現(xiàn)有壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍窄，一般適用于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，因此它與風(fēng)洞協(xié)調(diào)運(yùn)行較難；二是風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)間短，氮?dú)馀欧啪哂虚g斷性，對(duì)回收設(shè)備的快速啟動(dòng)要求高，從而給壓縮液化系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

2 蓄冷氮漿回收氮?dú)夥桨?/h2>

上述兩種方案難以與低溫風(fēng)洞匹配運(yùn)行，或不能實(shí)現(xiàn)氮?dú)饧袄淞康耐瑫r(shí)回收。通過(guò)結(jié)合蓄冷回收冷量和壓縮液化方案，提出了氮漿蓄冷回收氮?dú)饧袄淞糠桨浮?/p>

氮漿蓄冷回收氮?dú)獾暮诵氖秋L(fēng)洞實(shí)驗(yàn)前預(yù)先制備低溫氮漿(63 K，固液混合物)，風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)將排出的低溫氮?dú)庵苯铀腿氲獫{中液化回收。其中氮漿制備是根據(jù)真空制冷原理，即采用真空泵降低儲(chǔ)罐壓力促使液氮?dú)饣⒔档陀嘞乱旱獪囟?，?dāng)溫度低于凝固溫度時(shí)獲得固態(tài)氮從而獲得氮漿用于回收。與此同時(shí)，真空泵抽取的氮?dú)鈱⑺腿雺嚎s膨脹液化系統(tǒng)再次成為液氮，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞排出的低溫氮?dú)獾睦淞亢臀镔|(zhì)同時(shí)回收。采用氮漿而不是全部采用固態(tài)氮有助于提高換熱接觸面積，提高排氣的液化回收速率。蓄冷氮漿回收風(fēng)洞排氣原理見(jiàn)圖1。

與上述壓縮液化方案相比，該回收系統(tǒng)可在風(fēng)洞運(yùn)行前利用較長(zhǎng)時(shí)間制備氮漿，從而大幅降低壓縮膨脹液化系統(tǒng)中壓縮機(jī)的性能需求，并且流量相對(duì)穩(wěn)定，降低了真空泵和壓縮機(jī)工程技術(shù)難度；制得的氮漿可在風(fēng)洞運(yùn)行的較短時(shí)間液化回收大量氮?dú)?，解決了風(fēng)洞運(yùn)行不連續(xù)、工況變化大導(dǎo)致回收困難的關(guān)鍵技術(shù)難題。該方案優(yōu)點(diǎn)主要有：同時(shí)回收風(fēng)洞排出的低溫氮?dú)饧捌湫詈睦淞?，降低風(fēng)洞運(yùn)行成本；大量氮?dú)獠挥弥苯优欧诺酱髿猓瑴p少對(duì)環(huán)境影響；液氮將可以長(zhǎng)期供風(fēng)洞循環(huán)使用，只需補(bǔ)充少量系統(tǒng)損耗液氮。

圖1 蓄冷氮漿回收氮?dú)夥桨冈鞦ig.1 Schematic of reclaiming system using cooling energy-stored slush nitrogen

該回收系統(tǒng)的主要過(guò)程包含制備氮漿、真空泵抽出氮?dú)庖夯?、回收風(fēng)洞排氣和氮漿儲(chǔ)罐補(bǔ)充液氮。

原理分析表明蓄冷氮漿回收氮?dú)夥桨负?jiǎn)單可行，但目前國(guó)內(nèi)外在這方面進(jìn)行的研究工作較少，缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。為了驗(yàn)證氮漿回收氮?dú)夥桨傅目尚行?，開(kāi)展了方案理論分析及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。本文不再考慮工藝相對(duì)成熟的抽出氮?dú)庠僖夯^(guò)程，而是重點(diǎn)探索氮漿制備及氮?dú)饣厥窄h(huán)節(jié)，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性，為后續(xù)的工程化設(shè)計(jì)和建設(shè)提供依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

3 理論分析

氮漿蓄冷回收氮?dú)夥桨笇?shí)現(xiàn)了氮?dú)夂屠淞侩p重回收，如下將從工程的角度對(duì)回收過(guò)程中各環(huán)節(jié)的物質(zhì)及能量傳遞進(jìn)一步分析，研究系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

3.1 制備氮漿

通過(guò)真空泵抽出液氮儲(chǔ)罐中氮?dú)猓瑑?chǔ)罐壓力逐步降低，表面的液氮加速氣化并吸熱。抽出的氮?dú)鈳ё邿崃?，余下的液氮溫度進(jìn)一步降低，當(dāng)壓力降至約12 kPa時(shí)，溫度降低至63 K時(shí)，液氮開(kāi)始逐漸凝固成為固態(tài)氮，此時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)為氮?dú)?、液氮和固態(tài)氮三相共存[4-5]。制備氮漿可以分為如下兩個(gè)物理過(guò)程：液氮溫度由77 K降低到63 K，隨后余下液氮轉(zhuǎn)變?yōu)楣桃嘿|(zhì)量比1:1的氮漿。在第一個(gè)過(guò)程中，采用如下簡(jiǎn)化算法，儲(chǔ)罐內(nèi)液氮溫度逐漸降低[6]，用m表示抽取的氮?dú)饪傎|(zhì)量，T表示儲(chǔ)罐剩余的液氮溫度，且假定熱平衡有：

γldm=-cpl(m0-m)dT

式中：m0為儲(chǔ)罐中原液氮總質(zhì)量，kg;cpl為液氮的比熱，kJ/(kg·K)；γl為液氮的汽化潛熱，kJ/kg。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，假定液氮在63 K到77 K的溫度范圍內(nèi)，cpl和γl可以采用如下的關(guān)系式描述：

cpl=1.813 27+0.002 9T

γl=288.478 6-1.150 86T

求解微分方程，從而可以得到儲(chǔ)罐液氮溫度與抽取氮?dú)赓|(zhì)量關(guān)系式。液氮溫度由77K降低到63K過(guò)程中，計(jì)算可知抽取的氮?dú)赓|(zhì)量m1為0.127m0，余下液氮0.873m0。在第2個(gè)過(guò)程中，假定抽取液氮質(zhì)量m2后獲得質(zhì)量比1∶1的氮漿，根據(jù)熱平衡有：

m2×γl=γs×(0.873m0-m2)/2

式中:γs為液氮的凝固潛熱，kJ/kg?？芍槿∫旱|(zhì)量m2為0.049m0。則制備質(zhì)量比1∶1的氮漿共抽取0.176m0的液氮，獲得的氮漿質(zhì)量為0.824m0，也即為制得1 kg氮漿需要抽取的氮?dú)赓|(zhì)量mc0為：

mc0=0.176m0/0.824m0=0.213 kg

3.2 回收氮?dú)?/p>

回收氮?dú)饧词菍L(fēng)洞試驗(yàn)排出的氮?dú)馔ㄈ氲獫{儲(chǔ)罐進(jìn)行充分的換熱并液化，同時(shí)儲(chǔ)罐中的固態(tài)氮逐漸融化為液氮，直至氮漿儲(chǔ)罐中的氮漿(63K)轉(zhuǎn)變?yōu)橐旱?77K)，壓力恢復(fù)至100kPa，氮漿儲(chǔ)罐不再具備回收能力，其中1kg氮漿蓄含的冷量為：

q0=0.5γs+(77-63)cpl=41.05 kJ/kg

風(fēng)洞排氣溫度不同時(shí)，回收所需的氮漿質(zhì)量也不相同。根據(jù)熱平衡，回收1kg排氣需要的氮漿質(zhì)量為：

msn=[(Tout-77)×cpg+γl]/q0

式中：Tout為風(fēng)洞排出氮?dú)鉁囟?，K；cpl為氮?dú)獗葻崛?，kJ/(kg·K)；msn是回收1 kg風(fēng)洞排氣消耗的氮漿質(zhì)量，kg。

以風(fēng)洞排出氮?dú)馄骄鶞囟?50 K為例，回收1 kg氮?dú)庑枰?.73 kg氮漿，真空泵需抽取1.43 kg氮?dú)?，回收不同溫度下排出氮?dú)馑璧獫{質(zhì)量如表1所示。風(fēng)洞排出的氮?dú)鉁囟仍降?，攜帶的冷量越大，消耗的氮漿越少，越容易回收；排氣溫度越高，為回收單位質(zhì)量氮?dú)庑璩槿〉牡獨(dú)饧跋牡獫{質(zhì)量越高。

表1 不同排氣溫度下回收單位質(zhì)量氮?dú)獾馁|(zhì)量Table 1 Mass change of recycling nitrogen process under different temperature

3.3 氮漿儲(chǔ)罐補(bǔ)充液氮

制備氮漿時(shí)，真空泵抽出的氮?dú)鉁囟葹?3—77 K，回收氮?dú)鉁囟却笥?10 K，氮漿僅是作為蓄冷介質(zhì)，因此回收1 kg氮?dú)庑璩槿〉牡獨(dú)赓|(zhì)量必然大于1 kg，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)束后氮漿儲(chǔ)罐需要補(bǔ)充壓縮液化系統(tǒng)生成的液氮。風(fēng)洞排放的氮?dú)鉁囟仍礁撸糜诨厥胀荣|(zhì)量氮?dú)馑牡牡獫{就越多，制備氮漿時(shí)需抽取的氮?dú)庖簿驮蕉?。?給出了不同排氣溫度下回收單位質(zhì)量氮?dú)獬槿〉牡獨(dú)赓|(zhì)量及需補(bǔ)充的液氮質(zhì)量。例如回收氮?dú)獾臏囟葹?10 K時(shí)，回收1 kg氮?dú)?蓄含熱量237 kJ)所消耗的氮漿為5.71 kg(蓄含冷量237 kJ)，需抽取的氮?dú)赓|(zhì)量為1.22 kg，回收1 kg風(fēng)洞排氣后儲(chǔ)罐需再補(bǔ)充0.22 kg液氮，系統(tǒng)即恢復(fù)到初始狀態(tài)。系統(tǒng)質(zhì)量及能量變化流程如圖2所示。

圖2 回收1 kg氮?dú)?110 K)時(shí)系統(tǒng)質(zhì)量及能量變化Fig.2 Mass and heat exchange of recycling 1 kg gaseous nitrogen at 110 K

3.4 經(jīng)濟(jì)性分析

氮?dú)饣厥障到y(tǒng)的主要目的是通過(guò)回收風(fēng)洞排出氮?dú)饧捌淅淞?，降低風(fēng)洞運(yùn)行成本，因此分析回收系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。蓄冷氮漿回收系統(tǒng)主要能耗是抽真空制取氮漿和氮?dú)鈮嚎s膨脹液化系統(tǒng)環(huán)節(jié)。氮?dú)饣厥障到y(tǒng)擬研發(fā)可直接用于低溫環(huán)境的真空泵，以確保系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能。為簡(jiǎn)化計(jì)算，抽真空能耗假定和常用的某大氣羅茨真空泵的能耗一致。在入口壓力為10 kPa時(shí)，其抽氣流量為2 150 L/s，功率為200 kW。同時(shí)氮?dú)?10 kPa、63 K)密度約0.54 kg/m3，因此低溫真空泵抽取單位質(zhì)量氮?dú)饽芎目烧J(rèn)為：

E1=200 kW·h/(2.15×3 600×0.54 kg)=

0.048 kW·h/kg

據(jù)調(diào)研，再液化真空泵抽出氮?dú)獾膯挝荒芎腅2約0.45 kW·h/kg。因此回收系統(tǒng)制備1 kg氮漿(含真空泵抽出氮?dú)庠僖夯?的理論總能耗約為：

E0=mc0(E1+E2)=0.213×

(0.45+0.048)=0.106 kW·h/kg

回收單位質(zhì)量氮?dú)獾睦碚摽偰芎臑椋?/p>

Etotal=E0msn=0.115msn=0.002 49Tout+0.314

當(dāng)風(fēng)洞排氣溫度為215K時(shí)，回收系統(tǒng)能耗為0.848kW·h/kg，此時(shí)與生產(chǎn)液氮并安全排放的成本相等。也即是當(dāng)風(fēng)洞排氣溫度低于215K時(shí)，才具有回收經(jīng)濟(jì)性，否則回收成本偏高。排氣溫度越低，回收成本越低。如果直接采用常溫真空泵，由于氮?dú)?10kPa、298K)密度(0.112kg/m3)較低，抽取單位質(zhì)量氮?dú)獾哪芎募s增加5倍，回收平衡溫度降低至122K，經(jīng)濟(jì)性大幅降低。因此在后續(xù)的氮?dú)饣厥障到y(tǒng)建設(shè)中必須采用可直接用于低溫環(huán)境的真空泵。

4 實(shí)驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證蓄冷氮漿回收氮?dú)獾目尚行裕_(kāi)展了針對(duì)其關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也即是抽真空制備氮漿和回收氮?dú)獾膶?shí)驗(yàn)研究[4-5]。

4.1 系統(tǒng)組成

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，系統(tǒng)主要由液氮儲(chǔ)罐、氣化器、氮漿儲(chǔ)罐、真空泵組、閥門管路和測(cè)量系統(tǒng)組成。

圖3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.3 Schematic of validation experiments

其中氮漿儲(chǔ)罐為自制真空絕熱儲(chǔ)罐(304不銹鋼)，內(nèi)罐有效容積2.3m3。內(nèi)罐設(shè)有溫度及壓力傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)。罐體底部為氮?dú)膺M(jìn)氣管道，按8個(gè)方向呈放射狀分布，管道出口設(shè)置噴嘴，使氮?dú)夥稚姵?，增大換熱面積，提高氮?dú)馀c氮漿換熱及其液化速率。

真空泵組是制備氮漿的關(guān)鍵設(shè)備，也是實(shí)現(xiàn)后續(xù)回收的重要前提。由于缺乏成熟的低溫真空泵，本實(shí)驗(yàn)抽真空系統(tǒng)由兩臺(tái)常溫真空泵和換熱器組成。氮漿儲(chǔ)罐抽出的氮?dú)庀冗M(jìn)入自制換熱器，避免低溫氮?dú)庵苯舆M(jìn)入真空泵，從而保證了采用常溫真空泵順利抽真空制得氮漿。

液氮儲(chǔ)罐中液氮經(jīng)氣化器獲得的低溫氮?dú)庥糜谀M風(fēng)洞排出氮?dú)?，并送入氮漿儲(chǔ)罐液化回收。氣化器出口氮?dú)鉁囟葹?80K，壓力2.5×105Pa，最大流量0.6kg/s。

4.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)過(guò)程分制備氮漿和回收氮?dú)鈨蓚€(gè)階段。首先向氮漿儲(chǔ)罐加注液氮，利用真空泵對(duì)其抽真空，制取氮漿。氮漿制備完成后，關(guān)閉真空泵，然后將液氮儲(chǔ)罐的液氮通過(guò)氣化器轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，并送入氮漿儲(chǔ)罐液化回收。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用溫度、壓力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量氮漿儲(chǔ)罐中氮漿的溫度及壓力變化，采用流量計(jì)測(cè)量進(jìn)入氮漿儲(chǔ)罐的氮?dú)馑矔r(shí)流量，采用質(zhì)量傳感器測(cè)量氮漿儲(chǔ)罐以及液氮罐的質(zhì)量變化，從而獲得氮漿質(zhì)量和回收氮?dú)赓|(zhì)量等。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)采用真空制冷原理成功制得氮漿，回收液化了導(dǎo)入氮?dú)?，?yàn)證了氮漿回收氮?dú)獾目尚行裕@得了相關(guān)數(shù)據(jù)及工程經(jīng)驗(yàn)。

(1)抽真空法連續(xù)穩(wěn)定制備氮漿

圖4是氮漿制備過(guò)程中儲(chǔ)罐參數(shù)(壓力、溫度、質(zhì)量)隨時(shí)間變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)加注液氮約1 272.6kg，儲(chǔ)罐(含液氮)總質(zhì)量約4 500kg。在未開(kāi)啟真空泵前(t≤60 min)儲(chǔ)罐壓力約112 kPa，溫度約77.1 K，并在60 min內(nèi)相對(duì)不變，表明了自制氮漿儲(chǔ)罐真空絕熱可靠性。

圖4 制備氮漿過(guò)程儲(chǔ)罐參數(shù)變化Fig.4 Change of status of storage tank with time during slush nitrogen making process

真空泵開(kāi)啟后(t>60 min)，初期儲(chǔ)罐壓力迅速下降，這時(shí)原處在飽和點(diǎn)的液氮迅速氣化并帶走潛熱，余下液氮溫度隨之降低，儲(chǔ)罐質(zhì)量下降速率較大(2.14 kg/min)。此后隨著壓力逐漸降低，真空泵抽氣速率下降，儲(chǔ)罐壓力下降速率變小，儲(chǔ)罐質(zhì)量下降速率減小(0.48 kg/min)。最終儲(chǔ)罐溫度壓力分別穩(wěn)定在60.5 K和9.61 kPa，液氮開(kāi)始凝結(jié)為固態(tài)氮。抽真空制備氮漿耗時(shí)共5.25 h，抽取氮?dú)?72 kg。

容易發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)罐內(nèi)氮漿溫度比儲(chǔ)罐壓力下相應(yīng)的飽和溫度偏低，說(shuō)明氮漿此時(shí)處于過(guò)冷狀態(tài)。同時(shí)兩者最大溫差僅1.8 K，表明抽真空制備氮漿時(shí)，液氮?dú)饣俾瘦^快，能實(shí)現(xiàn)余下液氮的快速降溫。采用液氮溫度和飽和溫度差作為傳熱溫差，則試驗(yàn)期間儲(chǔ)罐液氮表面換熱系數(shù)約為300—13 000 W/(m2K)。

根據(jù)上述微分方程和儲(chǔ)罐初始狀態(tài)，在達(dá)到三相點(diǎn)前，容易得到抽取氮?dú)赓|(zhì)量與氮漿溫度的關(guān)系式：

m=0.011 9e0.002 52T×

(250.66-T)2.207 6-1 272.6

在圖4中，根據(jù)抽取氮?dú)赓|(zhì)量計(jì)算出的液氮溫度和試驗(yàn)值吻合較好，表明了該模型計(jì)算的準(zhǔn)確性，能夠有效地用于描述儲(chǔ)罐內(nèi)氮漿的物理變化過(guò)程。

(2)氮漿回收氮?dú)?/p>

氮漿制備完成后，在時(shí)間t=378 min時(shí)通入液氮儲(chǔ)罐和氣化器制成的氮?dú)?，?chǔ)罐參數(shù)(壓力、溫度和質(zhì)量)隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖5所示。前期儲(chǔ)罐壓力增加緩慢(0.3 kPa/min)，表明此時(shí)系統(tǒng)回收能力強(qiáng)，能快速回收充入的氮?dú)?。此后隨著氮漿消耗，液化速率降低，儲(chǔ)罐壓力增加較快(4.58 kPa/min)。期間最大質(zhì)量流量約0.6 kg/s時(shí)(壓力250 kPa，溫度280 K，體積流量700 m3/h)，儲(chǔ)罐壓力增加速率并未發(fā)生明顯變化，證明了儲(chǔ)罐能有效快速回收通入氮?dú)?，質(zhì)量流量和氮漿儲(chǔ)罐體積比將會(huì)為后續(xù)風(fēng)洞大流量排氣回收提供支撐和依據(jù)。

圖5 回收氮?dú)膺^(guò)程中儲(chǔ)罐參數(shù)變化Fig.5 Change of status of storage tank with time during absorbing nitrogen process

最后儲(chǔ)罐內(nèi)液氮溫度由最初的61.8 K逐漸升至77 K，壓力恢復(fù)至1.01×105Pa，不再具備回收能力。同時(shí)后期模型計(jì)算所得的液氮溫度與測(cè)量值吻合較好，表明模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)回收氮?dú)赓|(zhì)量及儲(chǔ)罐參數(shù)?；厥者^(guò)程全程耗時(shí)32 min，回收氮?dú)?03 kg。在回收初期，將氮?dú)庖氲獫{可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的液化，且氮?dú)馀c氮漿的熱交換速率大。

(3)回收效率

為評(píng)估系統(tǒng)優(yōu)良，采用回收率和回收效率來(lái)衡量系統(tǒng)回收性能。其中回收率是回收1kg氮?dú)馀c抽取的氮?dú)赓|(zhì)量比，回收效率是試驗(yàn)回收率與理論回收率之比。不同溫度下的回收率與回收效率不一。根據(jù)回收的傳熱過(guò)程，回收280 K氮?dú)馄淅碚摶厥章蕿椋?/p>

ηthe=mrecycle/mpump=γl/(cpgΔT+γl)=0.49

式中:mrecycle為回收氮?dú)赓|(zhì)量，kg；mpump為真空泵抽取氮?dú)赓|(zhì)量，kg。在該次實(shí)驗(yàn)中，真空泵抽取氮?dú)?72 kg，回收氮?dú)?03 kg，回收率為0.379，回收效率為：

η=ηexp/ηthe=77.3%

式中：η為回收效率；ηexp為試驗(yàn)回收率；ηthe為理論回收率。在后續(xù)的兩次實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改進(jìn)儲(chǔ)罐絕熱性能和管路優(yōu)化，回收率分別提高到0.46和0.48，回收效率相應(yīng)地提高到93.8%和97.9%，確保了氮?dú)饣厥障到y(tǒng)規(guī)模建設(shè)的工程可行性。

圖6 不同排氣溫度下氮?dú)獾幕厥章蔉ig.6 Nitrogen recycling efficiency at different temperature

(4)液位高度

在后續(xù)試驗(yàn)中通過(guò)觀察窗發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)罐內(nèi)噴嘴噴出的氣泡直徑在上升過(guò)程中由于液化逐漸減小，并在到達(dá)氣液界面前完全消失，此時(shí)氮漿液位高度約500 mm。也即是氮漿的液位高度不低于500 mm即可滿足280 K氮?dú)獾囊夯突厥眨厥崭蜏囟?110—215 K)氮?dú)馑璧囊何桓叨葘⑦M(jìn)一步降低。液位高度數(shù)據(jù)可為后續(xù)氮漿儲(chǔ)罐的尺寸設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的依據(jù)。

(5)氮漿密度

不同真空泵抽氣速率獲得的固態(tài)氮形態(tài)和密度不一，抽氣速率較低形成的固態(tài)氮結(jié)構(gòu)致密平整，以片狀結(jié)構(gòu)沉入液氮，抽氣速率較高形成的固態(tài)氮具有疏松多孔結(jié)構(gòu)，浮于液氮之上[4]。本次試驗(yàn)制備的固態(tài)氮懸浮于液氮上，其密度略小于液氮的密度，也表明了真空泵抽速不是氮漿制備的限制性因素。同時(shí)此形態(tài)的氮漿換熱面積較大，氮?dú)饣厥展β瘦^高，總體占地面積較小，在工程可接受范圍內(nèi)。

(6)噴嘴布置方式和換熱效率

抽真空時(shí)，氮漿自上而下形成。裝置中進(jìn)氣噴嘴設(shè)置在儲(chǔ)罐底部，可防止被氮漿結(jié)晶堵塞。同時(shí)風(fēng)洞回路中的低溫氮?dú)鈴膰娮靽姵龊螅韵露吓c氮漿換熱能增加接觸面積和換熱時(shí)間，顯著提高換熱效果[7]，縮短液化時(shí)間和充分換熱的行程高度，降低對(duì)儲(chǔ)罐尺寸要求。

(7)絕熱性能影響

多次實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)絕熱效果對(duì)氮漿制備速率以及氮?dú)饣厥章视忻黠@影響：絕熱性能差將會(huì)大幅降低氮漿制備速率和回收效率，嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性，這是低溫風(fēng)洞氮?dú)饣厥障到y(tǒng)研制過(guò)程中要特別關(guān)注的因素，采用真空絕熱低溫儲(chǔ)罐、高真空絕熱管路及閥門可以較好解決這一問(wèn)題。

6 結(jié) 論

基于氮的三相變化，提出了采用蓄冷氮漿回收低溫風(fēng)洞排出氮?dú)獾姆桨福敿?xì)描述了方案流程、質(zhì)量變化和理論經(jīng)濟(jì)性，可有效解決風(fēng)洞排放工況范圍寬等不利因素。并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案中的氮漿制備和氮?dú)饣厥諆蓚€(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)后續(xù)回收系統(tǒng)工程化建設(shè)具有重要的指導(dǎo)作用。

(1)采用蓄冷氮漿可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞排出氮?dú)獾睦淞亢臀镔|(zhì)雙重回收，提高風(fēng)洞運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，并降低直接排放對(duì)大氣環(huán)境的影響。

(2)回收系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與風(fēng)洞排出氮?dú)鉁囟染o密相關(guān)，當(dāng)排氣溫度低于215 K時(shí)，回收成本低于直接排放的使用成本。

(3)基于真空制冷原理成功制得了氮漿，理論模型能較好地描述儲(chǔ)罐內(nèi)的相態(tài)變化。

(4)系統(tǒng)回收率接近理論值，確保了開(kāi)展大規(guī)?；厥盏?dú)獾墓こ炭尚行浴?/p>

(5)順利回收質(zhì)量流量0.6 kg/s的氮?dú)獗砻髁说獫{與氮?dú)忾g換熱系數(shù)較大，能夠?qū)崿F(xiàn)大流量氮?dú)獾目焖倩厥?，確保了回收系統(tǒng)和風(fēng)洞協(xié)調(diào)運(yùn)行的工程可行性。

1 張 振,牛 玲.低溫風(fēng)洞的發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)(英文)[J]. 低溫工程, 2015(2):57-62.

Zhang Zhen, Niu Ling. Current status and key technologies of cryogenic wind tunnel[J]. Cryogenics,2015(2):57-62.

2 Wahls P A. Cryogenic balance technology at the national transonic facility[C]. 39thAIAA Aerospace Science Meeting & Exhibit, January 2001, Reno, Nevada, AIAA-2001-0754.

3 Wahls R A. A research retrospective of NTF[C]. 39thAIAA Aerospace Science Meeting & Exhibit, January 2001, Reno, Nevada, AIAA-2001-0758.

4 江芋葉,張 鵬,王如竹.漿氮制備及其管內(nèi)流動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2012(8) :1403-1406.

Jiang Yuye, Zhang Peng, Wang Ruzhu. Experimental study of production and flow characteristics of slush nitrogen[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2012(8):1403-1406.

5 Matsuo K, Ikcuchi M, Machida A, et al. Fundamental study of pipe flow and heat transfer characteristics of slush nitrogen [J]. Advances in Cryogenic Engineering, 2006, 51(B):1033-1040.

6 陳 虹, 邱小林, 高 旭, 等. 低溫液體傳輸中夾帶固態(tài)顆粒的流動(dòng)特性研究[J]. 低溫工程,2014(4): 1-4.

Chen Hong, Qiu Xiaolin, Gao Xu, et al. Investigation on flow characteristic of entraining solid particlein cryogenic liquid transmission process[J]. Cryogenics,2014(4):1-4.

7 江 敏,張學(xué)軍,王 煒. 直接接觸式冰漿生成器單氣泡傳熱數(shù)值模擬[J].低溫工程,2014(2):19-23.

Jiang Min, Zhang Xuejun, Wang Wei. Numerical simulation of a single bubble in direct-contact ice slurry generator[J]. Cryogenics,2014(2):19-23.

Theoretical and experimental studies of nitrogen recycling by slush nitrogen

Gao Rong1Zhang Wei1Chen Wanhua1Chen Zhenhua1Li Yuanming2Zhang Sunmin2

(1China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang 621000, China)(2Wuhan Ceerman Technology Co.Ltd, Wuhan 430000, China)

Injecting liquid nitrogen into the wind tunnel to decrease the total temperature is an effective way to increase the experimental Reynolds number. To keep the inner pressure balance, the gaseous nitrogen which is generated from the liquid nitrogen evaporation is vented from the tunnel. In order to decrease the wind tunnel’s running cost, the nitrogen reclaim system is came up with by using cooling energy-storedslush nitrogen. The heat transfer and mass interaction are carefully studied, which indicate the economic status of nitrogen is 215 K. Based on the vacuum cooling mechanism, validation experiments are conducted. The slush nitrogen was prepared and the vented is absorbed. The maximum absorbing mass flow is 0.6 kg/s when the level of slush nitrogen is 0.5 m.

slush nitrogen; cryogenic wind tunnel; nitrogen reclaiming

2016-03-15；

2016-06-07

高 榮，男，41歲，碩士，工程師。

V211.74,TB66

A

1000-6516(2016)03-0023-07