大型低溫環(huán)境室豎向氣壓變化特點分析

李兆堅 邱一男 徐元元 鄭 直 何 仁

（航天低溫推進劑技術(shù)國家重點實驗室 北京特種工程設(shè)計研究院 北京 100028）

1 引 言

低溫環(huán)境可以對航天、航空、兵器、車輛和電子儀器等設(shè)備和裝備的工作性能和工作可靠性產(chǎn)生不利影響[1]。深冷低溫環(huán)境是太空的基本環(huán)境條件之一,因此在航天產(chǎn)品和裝備的研制和驗收過程中都需要進行低溫環(huán)境試驗。大型低溫環(huán)境模擬試驗室（以下簡稱低溫環(huán)境室）是在室內(nèi)大空間中人工模擬出低溫環(huán)境、進行大型設(shè)備或裝備的低溫環(huán)境適應(yīng)性和可靠性試驗的重要設(shè)施。低溫環(huán)境室的室內(nèi)外空氣溫濕度等環(huán)境參數(shù)存在很大差異,因此其室內(nèi)通常需要保持高于室外的正壓,以防止室外空氣滲入室內(nèi)影響室內(nèi)環(huán)境條件,避免低溫系統(tǒng)出現(xiàn)結(jié)霜凍堵等故障。但如果室內(nèi)正壓過高,會對低溫環(huán)境室的結(jié)構(gòu)帶來安全隱患,嚴重時會造成低溫環(huán)境室圍護結(jié)構(gòu)破壞的安全事故,另外也會增加系統(tǒng)的新風量,使運行能耗和費用大幅度增加。可見低溫環(huán)境室室內(nèi)正壓的合理控制是維持室內(nèi)低溫環(huán)境的一個基本條件,也是直接關(guān)系到低溫環(huán)境室安全性、運行能耗和費用的一個重要問題。

以往在低溫環(huán)境室室內(nèi)正壓設(shè)計時,其室內(nèi)氣壓均按均勻假設(shè)來考慮,室內(nèi)正壓測控點通常設(shè)置在下部,室內(nèi)正壓通?？刂圃?—10 Pa 的范圍內(nèi),室內(nèi)正壓的安全防護通常按200 Pa 設(shè)計[2]。但大型低溫環(huán)境室的豎向空間高大,室內(nèi)空氣密度大大高于室外空氣,其室內(nèi)氣壓沿豎向會出現(xiàn)顯著變化,因此有必要對其豎向氣壓變化規(guī)律及對設(shè)計工作的影響進行分析,但以往沒有相關(guān)研究的文獻報道。本研究對大型低溫環(huán)境室在不同室溫下的室內(nèi)氣壓分布情況進行分析,為大型低溫環(huán)境室的室內(nèi)正壓設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)。

2 大型低溫環(huán)境室豎向壓力分布的計算方法

由于低溫環(huán)境室對室內(nèi)溫度的均勻度要求較高,可假設(shè)室內(nèi)溫度是均勻的,同時假設(shè)其室外空氣溫度也是均勻的,低溫環(huán)境室室內(nèi)空間的高度為H。為確保低溫環(huán)境室室內(nèi)全部空間維持正壓,將低溫環(huán)境室的室內(nèi)正壓控制點設(shè)置在頂部,并維持5 Pa 的微正壓,則頂部的室內(nèi)氣壓為:

式中:PHn為低溫環(huán)境室室內(nèi)頂部的氣壓,Pa;PHw為低溫環(huán)境室頂部室外的氣壓,Pa。

室內(nèi)豎向氣壓分布:

室外豎向氣壓分布:

式中:Phn和Phw分別為離地面高度為h處的室內(nèi)和室外氣壓,Pa;h為距離地面的高度,m;ρn和ρw分為室內(nèi)和室外的空氣密度,kg/m3;g為重力加速度,其值為9.8 N/kg。

高度為h處的室內(nèi)正壓:

式中:ΔPh為距地面高度為h 處的室內(nèi)正壓（即室內(nèi)外壓差）,Pa。

其中空氣密度與溫度和氣壓有關(guān),在深冷低溫接近液化溫度的狀態(tài)下,采用理想氣體狀態(tài)方程來計算空氣密度會出現(xiàn)一定偏差,筆者以理想氣體狀態(tài)方程為基礎(chǔ),采用對低溫工況下的計算偏差進行擬合修正的方法,得到多溫區(qū)的空氣密度計算公式如下:

式中:ρ為空氣密度,kg/m3;P為空氣絕對壓力,Pa;T為空氣溫度,K;XT為實際氣體修正系數(shù)。

其中XT的計算公式如下:

經(jīng)與相關(guān)數(shù)據(jù)[3]的對比分析,在80 K 至400 K的溫度范圍內(nèi),該空氣密度算法的平均相對誤差為0.08%,可以滿足相關(guān)研究的精度要求。

根據(jù)上述計算方法,可以得到低溫環(huán)境室在不同室內(nèi)溫度下不同高度的室內(nèi)正壓值。

3 大型低溫環(huán)境室豎向壓力分布算法的驗證

理論計算方法的準確性需要得到實測數(shù)據(jù)的驗證,采用某大型低溫環(huán)境室的實測數(shù)據(jù)對上述計算方法的計算準確性進行對比驗證,結(jié)果見表1,其中大氣壓力采用當?shù)叵募臼彝獯髿鈮毫4]。由表1 可見,該低溫環(huán)境室下部正壓的計算值與實測值的平均相對誤差為5.9%,可見該計算方法具有較高的計算準確度。由表1 的實測值可見,大型低溫環(huán)境室豎向壓力差較大,在室溫為-55 ℃、高度為21 m 時可達到85 Pa,其底部室內(nèi)正壓值遠超過以往室內(nèi)正壓的設(shè)計值范圍:5—10 Pa[2]。

表1 某低溫環(huán)境室室內(nèi)豎向氣壓變化的計算與測試結(jié)果對比表Table 1 Comparison table of calculation and test results of indoor vertical air pressure variation in a cryogenic environmental chamber

4 大型低溫環(huán)境室豎向壓力分布特點計算分析

采用上述計算方法,對某大型深冷低溫環(huán)境室室內(nèi)豎向壓力分布進行計算分析,以考察在不同室溫下大型低溫環(huán)境室室內(nèi)豎向正壓的分布情況,計算條件如下:

室外溫度為30 ℃,氣壓為標準大氣壓:101 330 Pa。大型低溫環(huán)境室的室內(nèi)空間高度為20 m。降溫過程中低溫環(huán)境室的室溫是不斷下降的,室溫按30 ℃、10 ℃、-30 ℃、-55 ℃、-100 ℃、-165 ℃這6 種情況分別計算,計算結(jié)果見表2、圖1 和圖2。

表2 某大型低溫環(huán)境室在不同室溫下室內(nèi)正壓變化的計算結(jié)果Table 2 Calculation results of positive pressure changes in a large-scale cryogenic environmental chamber at different indoor air temperatures

圖1 某大型低溫環(huán)境室在不同室溫下的室內(nèi)豎向正壓分布圖Fig.1 Indoor vertical positive pressure distribution diagram of a large-scale cryogenic environmental chamber at different indoor air temperatures

圖2 某大型低溫環(huán)境室的室溫與上下氣壓差的關(guān)系圖Fig.2 Relationship between indoor air temperature and air pressure difference between top and bottom in a large-scale cryogenic environmental chamber

由圖1 和表2 可見,在低溫環(huán)境試驗時,大型低溫環(huán)境室的室內(nèi)正壓在豎向呈現(xiàn)出上低下高的線性分布,上下正壓差與室溫和高度兩個參數(shù)有關(guān)。在室溫不變的情況下,低溫環(huán)境室的室內(nèi)空間高度越高,其上下正壓差就越大,呈線性相關(guān)。由圖2 可見,室溫對大型低溫環(huán)境室豎向正壓變化的影響很大,在降溫過程中隨著室溫不斷下降,大型低溫環(huán)境室上下正壓差不斷增大,兩者呈非線性的關(guān)系?？梢姶笮偷蜏丨h(huán)境室的室內(nèi)正壓呈現(xiàn)出豎向的不均勻性和降溫過程不斷變化的不穩(wěn)定性的兩大特點。

5 大型低溫試驗室室內(nèi)正壓設(shè)計問題分析

（1）大型低溫環(huán)境室或深冷低溫環(huán)境室的室內(nèi)豎向正壓差很大,在設(shè)計時不能忽略不計

以往在低溫環(huán)境室室內(nèi)正壓設(shè)計時通常假設(shè)室內(nèi)全空間的正壓是相同的,以簡化設(shè)計工作。但上述計算分析結(jié)果表明,大型低溫環(huán)境室或深冷低溫環(huán)境室的室內(nèi)豎向正壓差很大,在20 m 的高度上,室溫為-55 ℃時,豎向正壓差達到89 Pa,室溫為-165 ℃時,豎向正壓差更是高達421 Pa,每米的正壓差就達到21 Pa,因此在大型低溫環(huán)境室或深冷低溫環(huán)境室的正壓控制設(shè)計時,必須仔細考慮豎向正壓變化問題,否則低溫環(huán)境室正壓設(shè)計將無法達到預(yù)期效果,甚至會出現(xiàn)嚴重的安全問題。

（2）室內(nèi)正壓測量控制點的位置和參數(shù)控制范圍

為了方便安裝檢修,以往低溫環(huán)境室的室內(nèi)正壓測量控制點通常設(shè)置在低溫環(huán)境室的下部接近地面的位置,室內(nèi)正壓通?？刂圃?—10 Pa。但從上述計算結(jié)果可以看出,在這種情況下,即使將低溫環(huán)境室底部（地面附近）的正壓維持在10 Pa,其頂部也會達到較大的負壓,室溫為-55 ℃時,頂部的負壓為79 Pa,當室溫為-165 ℃時,頂部的負壓高達411 Pa,室內(nèi)絕大部分空間處于負壓狀態(tài),無法達到室內(nèi)空間維持正壓的目標。可見,以往將室內(nèi)正壓測量控制點設(shè)置在低溫環(huán)境室下部的傳統(tǒng)設(shè)計方法是不科學的,對于低溫環(huán)境室,尤其是室內(nèi)空間高度較高的大型低溫環(huán)境室或深冷低溫環(huán)境室,室內(nèi)正壓測量控制點應(yīng)設(shè)置在低溫環(huán)境室的頂部,這樣才能保證室內(nèi)全部維持正壓。由于大型低溫環(huán)境室下部的正壓遠高于上部的正壓,為了減少下部的正壓值,頂部的正壓應(yīng)盡可能減小,可將頂部正壓控制在0—5 Pa。

（3）低溫環(huán)境室在降溫過程中底部正壓會不斷增大

以往通常認為低溫環(huán)境室在降溫過程中隨著室內(nèi)溫度下降,空氣會出現(xiàn)冷縮效應(yīng),其室內(nèi)壓力也會下降,但實際情況與此不同。低溫環(huán)境室都設(shè)置新風干燥系統(tǒng),以維持室內(nèi)正壓,以前面的算例為例,對室內(nèi)高度為20 m、最低試驗溫度為-165 ℃的深冷低溫環(huán)境室的情況進行分析,將室內(nèi)正壓的定壓點設(shè)置在頂部,并將正壓值控制在5 Pa。由圖2 可知,隨著室內(nèi)空氣溫度由30 ℃降到-165 ℃,頂部正壓維持在5 Pa,而底部正壓則由5 Pa 不斷增大,最后達到426.5 Pa,因此大型低溫環(huán)境室圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮這種豎向不均勻、隨室溫變化的受力載荷的影響。在這么高的正壓下,圍護結(jié)構(gòu)、大門和密封結(jié)構(gòu)都必須進行特殊防護。

（4）大型低溫環(huán)境室室內(nèi)正壓變化帶來的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

由圖1 可見,由于室內(nèi)豎向正壓的不均勻性,大型深冷低溫環(huán)境室室內(nèi)底部正壓可能超過400 Pa,而以往大型低溫環(huán)境室通常按200 Pa[2]的均勻正壓進行建筑圍護結(jié)構(gòu)的受力計算和防護,這存在較大的安全隱患,應(yīng)按具體條件計算得到的室內(nèi)豎向正壓分布數(shù)據(jù)進行圍護結(jié)構(gòu)的受力計算,考慮到室內(nèi)正壓的波動性,對于大型深冷低溫環(huán)境室,其底部的正壓設(shè)計值應(yīng)不小于500 Pa,并留有一定余量,以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全可靠。另外,由于大門需要開關(guān)運動,它通常是低溫環(huán)境室圍護結(jié)構(gòu)受力的一個薄弱環(huán)節(jié),大型低溫環(huán)境室的大門通常面積較大,因此在超過400 Pa 的壓差下,其承受很大的向外壓力。例如,對于10 m2的大門,其受到的向外推力超過4 000 N,這給大門受力結(jié)構(gòu)、密封和開關(guān)機構(gòu)的設(shè)計都帶來困難,必須采取特殊防護措施。對于在低溫試驗過程中需要人員進入檢查的低溫環(huán)境室,應(yīng)單獨設(shè)置人員進出的小門,在滿足人員進出的情況下小門的面積應(yīng)盡可能減小。

6 結(jié) 語

大型低溫環(huán)境室是大型裝備進行低溫環(huán)境適應(yīng)性和可靠性試驗的重要設(shè)施,室內(nèi)正壓控制是低溫環(huán)境室設(shè)計的一項重要內(nèi)容。以往在低溫環(huán)境室設(shè)計時,室內(nèi)正壓通常按均勻假設(shè)來考慮,室內(nèi)正壓測量控制點通常設(shè)置在低溫環(huán)境室的下部,室內(nèi)正壓通常控制在5—10 Pa,結(jié)構(gòu)設(shè)計時室內(nèi)正壓按均勻的200 Pa進行防護。為了驗證該設(shè)計方法的科學性,本文對低溫環(huán)境室室內(nèi)正壓分布規(guī)律進行研究,提出了低溫環(huán)境室室內(nèi)正壓的計算方法,采用實測數(shù)據(jù)進行驗證,結(jié)果表明該算法具有較高的計算準確性,其平均相對誤差為5.9%。采用該算法對大型低溫環(huán)境室的室內(nèi)氣壓分布狀況和特點進行分析,發(fā)現(xiàn)了以往低溫環(huán)境室室內(nèi)正壓設(shè)計方法存在一些問題,其主要結(jié)論如下。

（1）大型低溫環(huán)境室或深冷低溫環(huán)境室的室內(nèi)豎向正壓差很大,在設(shè)計時不能忽略。室溫為-165 ℃時,豎向正壓差高達421 Pa,每米的正壓差就達到21 Pa,而且在降溫過程中,下部正壓會不斷增大,因此在大型低溫環(huán)境室或深冷低溫環(huán)境室的工程設(shè)計時,必須仔細考慮豎向正壓變化問題,否則低溫環(huán)境室室內(nèi)正壓設(shè)計可能無法達到保持室內(nèi)正壓的預(yù)期效果,甚至會出現(xiàn)嚴重的安全問題。

（2）以往將室內(nèi)正壓測量控制點設(shè)置在低溫環(huán)境室的下部的設(shè)計方法會使低溫環(huán)境室大部分空間出現(xiàn)負壓。對于室內(nèi)空間的高度較高的大型低溫環(huán)境室或深冷低溫環(huán)境室,室內(nèi)正壓測量控制點應(yīng)設(shè)置在低溫環(huán)境室的頂部,以保證室內(nèi)全部空間維持正壓,頂部正壓控制在0—5 Pa 為宜。

（3）以往大型低溫環(huán)境室通常按200 Pa 的均勻正壓進行建筑圍護結(jié)構(gòu)的受力計算和防護,該設(shè)計取值是不安全的,實際室內(nèi)下部的正壓值可能遠超過這一數(shù)值,因此在大型低溫環(huán)境室結(jié)構(gòu)設(shè)計時,應(yīng)考慮室內(nèi)正壓豎向上小、下大的不均勻荷載的影響,并考慮下部室內(nèi)正壓隨溫度下降不斷增大對圍護結(jié)構(gòu)受力載荷的影響。對于大型深冷低溫環(huán)境室,其底部的正壓設(shè)計的安全防護值不應(yīng)小于500 Pa,大門的結(jié)構(gòu)、密封和開關(guān)機構(gòu)等必須特殊設(shè)計。另外,除了室內(nèi)正壓的合理控制以外,提高圍護結(jié)構(gòu)密封性對于防止室外空氣的滲入也是十分重要的。

本研究只是對室內(nèi)外溫差的熱壓作用所造成室內(nèi)正壓的變化進行分析,并未考慮室內(nèi)外風速的影響。室外自然風對低溫環(huán)境室外部會產(chǎn)生一定風壓,由此也會對室內(nèi)正壓產(chǎn)生重要影響,但該因素的影響十分復(fù)雜,需要單獨研究。