真空羽流試驗(yàn)設(shè)備的負(fù)壓液氮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉然，凌桂龍，蔡國飆

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真空羽流試驗(yàn)設(shè)備的負(fù)壓液氮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉然1，凌桂龍2，蔡國飆2

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2. 北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100191）

真空羽流試驗(yàn)設(shè)備用于發(fā)動(dòng)機(jī)真空羽流效應(yīng)試驗(yàn)研究，同時(shí)兼顧衛(wèi)星等熱真空試驗(yàn)，對(duì)液氮系統(tǒng)有特殊要求。針對(duì)低至70K液氮溫度需求，設(shè)計(jì)一種全新的負(fù)壓液氮系統(tǒng)，即利用液氮在負(fù)壓下具有比常壓液氮更低的飽和溫度，來獲得比常壓液氮系統(tǒng)更低的液氮溫度。該負(fù)壓液氮系統(tǒng)主要由液氮輸送子系統(tǒng)、常壓過冷器子系統(tǒng)、負(fù)壓抽氣子系統(tǒng)、液氮泵子系統(tǒng)、熱沉子系統(tǒng)及排放子系統(tǒng)組成，其中常壓過冷器子系統(tǒng)和負(fù)壓抽氣子系統(tǒng)構(gòu)成“負(fù)壓過冷器”，具有常壓過冷器功能，供液溫度可調(diào)，可為熱沉提供70～77K液氮制冷，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)羽流及衛(wèi)星熱真空試驗(yàn)需求。

空間環(huán)境模擬；液氮系統(tǒng)；負(fù)壓過冷器；設(shè)計(jì)；真空羽流試驗(yàn)

0 引言

液氮系統(tǒng)是空間環(huán)境模擬設(shè)備的重要組成部分，其主要作用是為熱沉提供液氮制冷，使熱沉溫度低于100K并保持熱沉溫度均勻。目前常用的液氮系統(tǒng)類型有開式沸騰系統(tǒng)、帶壓節(jié)流系統(tǒng)、單相流密閉循環(huán)系統(tǒng)，可根據(jù)試驗(yàn)用途及系統(tǒng)熱負(fù)荷選擇使用[1-5]。

北京航空航天大學(xué)2012年研制成功并正式投入使用的真空羽流試驗(yàn)設(shè)備（PES）是多用途試驗(yàn)設(shè)備[6]。不同于KM3、KM4、KM6等空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備[7-10]，PES專門用于姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)真空羽流效應(yīng)試驗(yàn)研究，同時(shí)兼顧衛(wèi)星等熱真空試驗(yàn)，因此對(duì)試驗(yàn)溫度有特殊要求。

PES設(shè)備采用雙層一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，配有兩套臥式圓筒形熱沉[11]，即液氮熱沉和液氦熱沉，并安裝于內(nèi)徑5.2m、長12.6m的臥式真空容器中。液氦熱沉直徑4.2m，長9.9m；液氮熱沉直徑4.6m，長10m；為增強(qiáng)吸附效應(yīng)，最內(nèi)側(cè)安裝羽流吸附泵。

PES熱沉有兩種工作模式：1）發(fā)動(dòng)機(jī)羽流試驗(yàn)時(shí)，液氮熱沉通液氮制冷，表面平均溫度需低于90K（極限73K）；液氦熱沉及羽流吸附泵通液氦制冷，表面平均溫度需低于10K（極限4.2K）。2）衛(wèi)星等真空熱試驗(yàn)時(shí)，液氮熱沉作為防輻射屏不工作，液氦熱沉及羽流吸附泵通液氮制冷，表面平均溫度需低于90K（極限73K）。

熱沉溫度越低抽氣效率越高，但上述液氮系統(tǒng)需要為液氮熱沉提供最低77K液氮，同時(shí)只能將液氦熱沉制冷過程中液氮、液氦轉(zhuǎn)換溫區(qū)最低溫度降至77K。另外，羽流試驗(yàn)時(shí)，液氮熱沉溫度及轉(zhuǎn)換溫區(qū)越低，就越能減小價(jià)格昂貴的液氦的消耗量，從而節(jié)約試驗(yàn)成本。

為給熱沉提供低于77K的液氮制冷，本文設(shè)計(jì)了負(fù)壓液氮系統(tǒng)，可為熱沉提供最低70K的液氮，并可將液氮、液氦轉(zhuǎn)換溫區(qū)最低溫度降至73K。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

負(fù)壓液氮系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)：1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷60kW；2）系統(tǒng)最高工作壓力小于0.8MPa；3）系統(tǒng)可同時(shí)為液氮熱沉及液氦熱沉提供70～77K液氮制冷。

PES的負(fù)壓液氮系統(tǒng)采用閉式循環(huán)，其中液氮泵選型及負(fù)壓過冷器的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。負(fù)壓液氮系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要選取負(fù)壓過冷器的過冷度，根據(jù)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷計(jì)算所需的液氮循環(huán)流量；其次計(jì)算系統(tǒng)流阻，作為選擇液氮泵流量及揚(yáng)程的依據(jù)；再次根據(jù)選取的過冷度計(jì)算過冷器所需換熱面積；最后根據(jù)選取的溫度確定過冷器容器主體內(nèi)部壓力，并為過冷器配置相應(yīng)的真空泵，形成負(fù)壓抽氣系統(tǒng)。

過冷器容器主體內(nèi)部壓力的確定方法是：在一定流量及壓力條件下，過冷器容器主體中的液氮溫度將決定換熱器管路中液氮經(jīng)過換熱后的溫度，如果過冷器容器主體采用的是常壓液氮，則經(jīng)換熱后液氮溫度通常為常壓下的77K。為使液氮溫度進(jìn)一步降低，需要利用真空泵將過冷器容器主體內(nèi)部壓力降低，從而降低液氮的汽化溫度，實(shí)現(xiàn)換熱后管路中液氮溫度的降低。液氮三相點(diǎn)的壓力、溫度分別為0.0125MPa、63.15K[12]，為了避免壓力過低使液氮進(jìn)入三相點(diǎn)導(dǎo)致液氮固化，同時(shí)傳熱惡化，過冷器容器主體內(nèi)部液氮溫度要求不低于63.15K，實(shí)際可按70K設(shè)計(jì)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓為0.039MPa，實(shí)際操作中利用真空泵抽至0.04MPa即可。

負(fù)壓液氮系統(tǒng)主要由液氮輸送子系統(tǒng)、常壓過冷器子系統(tǒng)、負(fù)壓抽氣子系統(tǒng)、液氮泵子系統(tǒng)、熱沉子系統(tǒng)及排放子系統(tǒng)組成（如圖1所示），其中常壓過冷器子系統(tǒng)和負(fù)壓抽氣子系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)壓過冷器，可為熱沉提供最低70K的液氮。液氮輸送子系統(tǒng)為過冷器容器主體及系統(tǒng)管路提供液氮，負(fù)壓抽氣子系統(tǒng)為過冷器容器主體降壓，使得過冷器容器主體內(nèi)部飽和蒸氣壓在0.04～0.1MPa之間可調(diào)，實(shí)際值可根據(jù)熱沉所需溫度具體調(diào)節(jié)。當(dāng)需要熱沉提供73K背景溫度時(shí)，啟動(dòng)負(fù)壓抽氣系統(tǒng)，將過冷器容器內(nèi)部壓力調(diào)節(jié)至0.04MPa；當(dāng)熱沉溫度僅需要77K背景溫度時(shí)，可關(guān)閉電加熱器前端手閥，負(fù)壓抽氣系統(tǒng)不工作，過冷器相當(dāng)于常壓狀態(tài)，此時(shí)過冷器容器主體內(nèi)部飽和蒸氣壓為0.1MPa；如還需熱沉溫度在73～77K間可調(diào)，則僅需相應(yīng)調(diào)節(jié)過冷器容器主體內(nèi)部飽和蒸氣壓即可。

負(fù)壓液氮系統(tǒng)工作包含開式預(yù)冷和閉式循環(huán)2個(gè)階段。

1）開式預(yù)冷階段

液氮儲(chǔ)槽自帶汽化器增壓，液氮通過出液閥輸送到管路中，依次流經(jīng)過冷器、液氮泵旁路閥進(jìn)入液氮熱沉及液氦熱沉，充分利用液氮汽化潛熱及氣氮部分顯熱對(duì)液氮熱沉及液氦熱沉預(yù)冷，預(yù)冷升溫后的流體通過總放空閥排入大氣。開式預(yù)冷過程中如有液氮排出，可開啟氣動(dòng)截止閥將液氮回收至液氮儲(chǔ)槽。當(dāng)管路和液氮熱沉及液氦熱沉預(yù)冷完成后，進(jìn)入閉式循環(huán)階段。

2）閉式循環(huán)階段

將液氮泵所在管路預(yù)冷至液氮溫區(qū)后，啟動(dòng)液氮泵將液氮加壓后進(jìn)入液氮熱沉，打開過冷器回液閥，關(guān)閉熱沉放空隔離閥，通過閥門調(diào)節(jié)進(jìn)入液氮熱沉的液氮量，使液氮在熱沉內(nèi)完成熱量交換，溫度升高后的液氮進(jìn)入過冷器成為過冷液氮，通過回流管路進(jìn)入液氮泵，繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)。

根據(jù)試驗(yàn)需求，負(fù)壓液氮系統(tǒng)主要有2種工作模式，如圖2所示。

1）發(fā)動(dòng)機(jī)羽流試驗(yàn)?zāi)Ｊ?。在此工作模式下，為減小液氦耗量，液氮熱沉和液氦熱沉須同時(shí)工作，其中液氦熱沉先通液氮預(yù)冷至液氮溫區(qū)，然后通液氦預(yù)冷至液氦溫區(qū)。預(yù)冷過程中，當(dāng)液氮熱沉和液氦熱沉同時(shí)開式預(yù)冷至85K左右時(shí)，啟動(dòng)真空泵將過冷器容器主體內(nèi)部壓力抽至負(fù)壓0.04MPa并維持，使經(jīng)過過冷器換熱后的液氮降至70K，進(jìn)一步將液氮熱沉和液氦熱沉預(yù)冷至73K；然后停止對(duì)液氦熱沉的液氮供應(yīng)，同時(shí)啟動(dòng)液氮泵，使液氮熱沉單獨(dú)開始閉式循環(huán)，充分保持液氮熱沉溫度的均勻性，以降低液氮熱沉對(duì)液氦熱沉的熱輻射，此后液氦熱沉改用液氦繼續(xù)預(yù)冷至液氦溫區(qū)。

2）衛(wèi)星熱真空試驗(yàn)?zāi)Ｊ健Ｔ诖斯ぷ髂Ｊ较?，液氮熱沉作為防輻射屏不工作，僅液氦熱沉工作。向液氦熱沉輸入液氮制冷，系統(tǒng)管路經(jīng)過充分預(yù)冷并充滿液氮后，啟動(dòng)液氮泵，將過冷狀態(tài)下的液氮以一定壓力和流量輸送至液氦熱沉，將液氦熱沉吸收的熱量帶走，使液氦熱沉的溫度低于100K，然后返回過冷器，在過冷器內(nèi)與壓力為0.04～0.1MPa的液氮進(jìn)行熱交換，重新達(dá)到過冷狀態(tài)，形成一個(gè)密閉循環(huán)的制冷系統(tǒng)。

圖2 負(fù)壓液氮系統(tǒng)工作模式

2 關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型

2.1 液氮泵選型

液氮泵所需循環(huán)流量[13]為

1=36001/(c·Δ1·1)， (1)

式中：1為系統(tǒng)熱負(fù)荷，60 kW；c為液氮質(zhì)量定壓熱容，2.1kJ/(K·kg)；Δ1為液氮過冷度，4K；1為液氮密度，772kg/m3。計(jì)算得到液氮循環(huán)流量1=33.3m3/h。

計(jì)算液氮泵揚(yáng)程時(shí)，僅需考慮液氮在管路內(nèi)循環(huán)的阻力損失即可，計(jì)算公式[14]為

ΔΔ1+Δ2， (2)

， (4)

式中：Δ1為沿程阻力損失，Pa；Δ2為局部阻力壓力損失，Pa；為量綱為1的摩擦阻力系數(shù)；為管路長度，m；為管道直徑，0.08m；為平均流速，2.46m/s；Σ為液氮循環(huán)局部阻力系數(shù)之和。

為計(jì)算，首先計(jì)算雷諾數(shù)[14]：

=/， (5)

式中：為液氮?jiǎng)恿︷ざ?，由深冷泵手?cè)查得85K時(shí)，=1.16×10-4kg/ms。

由=1.21×106＞4000，判定液氮流動(dòng)狀態(tài)為紊流，得到=0.0953，由此計(jì)算Δ1=0.06MPa；根據(jù)液氮在循環(huán)管路中實(shí)際流動(dòng)的彎頭、三通、接管嘴及閥門等局部阻力類型及數(shù)量，計(jì)算局部阻力Δ2=0.19MPa；最終得到液氮循環(huán)管路總的阻力損失Δ=0.25MPa。

得出所需液氮泵揚(yáng)程為0.3MPa（阻力損失乘1.2的安全系數(shù)即為泵的揚(yáng)程）。經(jīng)調(diào)研，法國CRYOSTAR公司CS190型離心式液氮泵滿足要求，其流量40m3/h，揚(yáng)程0.3～0.35MPa。

2.2 負(fù)壓過冷器設(shè)計(jì)

負(fù)壓過冷器具有常壓過冷器功能，其工作原理是利用容器內(nèi)低壓液氮汽化來冷卻管道內(nèi)高壓循環(huán)的液氮。板翅式換熱器單位體積換熱面積大、加工方便、成本低，因此液氮系統(tǒng)采用鋁材板翅式換熱器。根據(jù)換熱面積、冷媒消耗量及工作壓力等主要參數(shù)，設(shè)計(jì)負(fù)壓過冷器。

1）常壓過冷器設(shè)計(jì)

過冷器冷媒消耗量[13]為

=1/， (6)

式中：為冷媒的消耗量，kg/h；為蒸發(fā)潛熱，J/kg。經(jīng)計(jì)算=1091kg/h=1.4m3/h=0.4L/s。

過冷器換熱面積[13]為

=1/(·Δ)， (7)

式中：為過冷器換熱面積，m2；為換熱系數(shù)，kW/(m2·K)；Δ為過冷度，K。經(jīng)計(jì)算=39m2，采用鋁板翅式換熱器，放在5m3真空粉末絕熱液氮儲(chǔ)槽中，過冷度大于5K。

2）負(fù)壓抽氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

負(fù)壓抽氣系統(tǒng)主要由真空泵和電加熱器組成：真空泵用于將過冷器容器主體抽氣至設(shè)定壓力；電加熱器用于保證真空泵入口溫度，避免真空泵工作時(shí)因入口溫度過低而發(fā)生損壞。為了降低設(shè)備研制成本，可考慮利用PES設(shè)備中現(xiàn)有設(shè)備：真空抽氣系統(tǒng)中的SP630螺桿泵名義抽速175L/s，可滿足負(fù)壓抽氣系統(tǒng)的抽氣要求；氣氮系統(tǒng)中的60kW電加熱器也能滿足負(fù)壓抽氣系統(tǒng)的加熱要求。

3）過冷器液位控制

過冷器中的液氮由于在運(yùn)行過程中消耗而需要不斷補(bǔ)充，其液位控制很重要。選擇性能穩(wěn)定的1151電容式差壓變送器進(jìn)行液位控制，其控制原理是：過冷器液氮液位的傳感器測(cè)量值與設(shè)定值的差值，經(jīng)PID運(yùn)算后，控制氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，從而實(shí)現(xiàn)控制過冷器液位的目的。其控制信號(hào)為4～20mA，控制誤差為±100mm。

最終確定的負(fù)壓過冷器主要性能參數(shù)為：熱負(fù)荷60kW；換熱面積39m2；容器設(shè)計(jì)壓力1.2MPa；容器工作壓力0.04～0.15MPa；換熱器工作壓力0.3MPa；蒸發(fā)溫度70～77K。

2.3 液氮儲(chǔ)槽選型

為滿足負(fù)壓液氮系統(tǒng)使用要求，在標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)槽基礎(chǔ)上，應(yīng)做如下修改設(shè)計(jì)：

1）增加口徑為DN80的上進(jìn)液管接口，可在液氮系統(tǒng)預(yù)冷時(shí)和試驗(yàn)結(jié)束后用于液氮回收；

2）增加壓力和液位變送器，使儲(chǔ)槽壓力和液位數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)傳送至上位機(jī)并進(jìn)行集中顯示與控制；

3）在儲(chǔ)槽增壓器管路前安裝低溫電磁閥，以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)槽增壓的自動(dòng)控制。

根據(jù)試驗(yàn)需求，PES設(shè)備配有2個(gè)20m3立式液氮儲(chǔ)槽，其最高工作壓力為0.8MPa，液氮總儲(chǔ)存量為40m3。根據(jù)式(6)的計(jì)算結(jié)果，在系統(tǒng)熱負(fù)荷60kW條件下，液氮儲(chǔ)存量（95%充裝率）可滿足28h連續(xù)運(yùn)行。對(duì)于長時(shí)間的試驗(yàn)，需進(jìn)行液氮補(bǔ)加，液氮槽車轉(zhuǎn)注20m3液氮需3h，因此可通過轉(zhuǎn)注方式滿足系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行需求。

2.4 調(diào)試結(jié)果

利用某姿軌發(fā)動(dòng)機(jī)真空羽流試驗(yàn)對(duì)PES的負(fù)壓液氮系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試，結(jié)果如下：

1）液氮循環(huán)流量50.0m3/h；熱沉單次預(yù)冷（300～73K）所需液氮量為4m3，時(shí)間為3h；

2）采用34路PT100對(duì)液氮熱沉進(jìn)行測(cè)溫，進(jìn)入閉式循環(huán)后熱沉溫度分布均勻，平均溫度達(dá)到74.5K，但存在局部降溫緩慢的現(xiàn)象；

3）過冷器內(nèi)部壓力調(diào)節(jié)為0.05MPa，負(fù)壓過冷器液面溫度達(dá)到71.6K。

3 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了PES的負(fù)壓液氮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)、系統(tǒng)組成、工作原理及主要子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。負(fù)壓液氮系統(tǒng)中由常壓過冷器子系統(tǒng)和負(fù)壓抽氣子系統(tǒng)構(gòu)成的負(fù)壓過冷器具有常壓過冷器功能，可同時(shí)為液氮熱沉和液氦熱沉提供設(shè)計(jì)溫度為70～77K的液氮，且液氮溫度可調(diào)。系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)，由于負(fù)壓抽氣系統(tǒng)管阻較大，最終過冷器內(nèi)部壓力穩(wěn)定在0.05MPa，負(fù)壓過冷器液面溫度達(dá)到71.6K，未能達(dá)到70K的設(shè)計(jì)溫度。今后可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，減少系統(tǒng)阻力，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，以滿足科研生產(chǎn)的需求。

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（編輯：許京媛）

Design of negative pressureliquid nitrogen system of vacuum plume experimental facility

LIU Ran1, LING Guilong2, CAI Guobiao2

(1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China;2. School of Astronautics, Beihang University, Beijing 100191, China)

The plume effect experimental system(PES) is used for the plume effect test of rocket engines and the vacuum heat tests of satellites, with special requirements for the liquid nitrogen system. A new negative system is designed for the liquid nitrogen temperature as low as 70K. In this system, the liquid nitrogen at a negative pressure is used to have a lower saturation temperature than the atmospheric pressure nitrogen, and to obtain a lower liquid nitrogen temperature than the conventional liquid nitrogen subsystems. The negative pressure liquid nitrogen system consists of the liquid nitrogen delivery subsystem, the atmospheric subcooler subsystem, the negative pressure pumping subsystem, the liquid nitrogen pump subsystem, the heat sink subsystem and the discharge subsystem, where the atmospheric subcooler subsystem and the negative pressure pumping subsystem are combined to serve as the negative pressure subcooler. With the atmospheric subcooler, the negative pressure subcooler can adjust the temperature of the feeding fluid and provide the heat sink with 70-77K liquid nitrogen for refrigeration, to meet the demand of the engine plume experiment and the thermal vacuum test of satellites.

space environment simulation; liquid nitrogen system; negative pressure subcooler; design; vacuum plume experiment

V416.8

A

1673-1379(2017)04-0429-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.016

劉 然（1984—），女，碩士學(xué)位，從事空間環(huán)境模擬設(shè)備研制工作。E-mail: liuran_cast511@126.com。

2017-03-29；

2017-07-13