CN101318557B - 液氮抽吸制冷稀薄空气冷凝捕集装置 - Google Patents

Abstract

液氮抽吸制冷稀薄空气冷凝捕集装置，它涉及一种捕集装置。本发明解决了现有的稀薄空气冷凝捕集装置存在成本高、操作性差、不易实现所需要的制冷温度的问题。冷屏总成(26)安装在外桶(21)内，液氮室(25)设置在冷屏总成(26)内的底部，液化空气收集盘(28)设置在冷屏总成(26)内且位于液氮室(25)的下方，液化空气收集杜瓦(17)设置在支架总成(27)内且与其上的液化空气收集盘(28)连通，氮气抽出管(5)的一端穿过冷屏总成(26)的保温盖(26-1)并与液氮室(25)的上端连通，液氮输送管总成(13)设置在冷屏总成(26)上。本发明具有成本低、操作性强、操作简单的优点，能够提供55K甚至更低的低温冷源，有效地实现2000Pa以上空气的捕集。

Description

液氮抽吸制冷稀薄空气冷凝捕集装置 

技术领域

本发明涉及一种捕集装置，具体涉及一种液氮抽吸制冷稀薄空气冷凝捕集装置。 

背景技术

采用吸气式推进作为临近空间飞行器的动力装置，工质的获得和实现稀薄空气的高压比增压是其面临的核心技术挑战，利用低温冷源将临近空间大气冷凝、捕集后利用低温液体泵增压到10MPa，既解决了吸气式推进系统工质问题，又解决了高压比增压的关键技术难题。而高压比增压系统的核心问题在于稀薄空气的吸附捕获。空气的相变温度随海拔高度的变化，20km处的大气压力约为5000Pa，对应的空气的露点温度为62.3K，泡点温度为59.2K。直接利用现有的小型低温制冷机如G-M制冷机等可以提供稀薄空气冷凝液化的温度，但是需要采购制冷机和氦压缩机，所耗费的成本非常高。在低温技术中经常使用的制冷方法主要有相变制冷、气体绝热节流、气体等熵膨胀，其中相变制冷中主要包括液体气化制冷、固体升华制冷和液体抽吸制冷；利用液体抽吸制冷不仅可以使液体降温，而且可以使液体固化，只要将漏热控制在一定的范围内继续抽气可以使固体不断降温，直到外界漏热与抽气升华带走的热量平衡时达到最低的制冷温度。固体制冷剂的制冷温度取决于制冷剂及其固体蒸气的压力，固体蒸气压力越低固体制冷剂的温度越低，维持一定的压力就可以维持一定的固体制冷剂温度，因此可以利用抽气维持一定固体蒸气压力的方法来获得一定范围内的低温冷源，从而不仅降低了试验设备的费用，而且能够实现需要的制冷温度。采用液态空气或者液氧抽气减压制冷也可以获得所需的低温冷源，但这时可能出现氧气浓度过高的问题，对试验设备的加工要求更高，试验过程比较危险。因此现有的稀薄空气冷凝捕集装置存在成本高、操作性差、不易实现所需要的制冷温度的问题。 

发明内容

本发明为了解决现有的稀薄空气冷凝捕集装置存在成本高、操作性差、不易实现所需要的制冷温度的问题，进而提供了一种液氮抽吸制冷稀薄空气冷凝捕集装置。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种液氮抽吸制冷稀薄空气冷凝捕集装置，所述捕集装置包括支架总成、冷凝捕集罐体、数据采集模块、镍铬-金铁热电偶、氮气抽出管、空气抽出管、液氮输送管总成、液氮杜瓦、液化空气收集杜瓦、液化空气收集盘，所述冷凝捕集罐体安装在支架总成的上端；所述冷凝捕集罐体包括外桶、外桶盖、冷屏总成、液氮室，冷屏总成安装在外桶内，外桶盖盖在外桶上并与外桶的上端密闭连接，冷屏总成分别与外桶、外桶盖固接，液氮室设置在冷屏总成内的底部，液化空气收集盘设置在冷屏总成内且位于液氮室的下方，液化空气收集杜瓦设置在支架总成内且与支架总成上的液化空气收集盘连通，液化空气收集杜瓦的上端固定在外桶的底端面上，氮气抽出管的一端穿过冷屏总成的保温盖并与液氮室的上端连通，液氮输送管总成设置在冷屏总成上，液氮输送管总成上的竖直管穿出氮气抽出管插入液氮室的底部内，液氮输送管总成上的总管道与液氮杜瓦连通，镍铬-金铁热电偶设置在液氮室的外侧壁上，数据采集模块与镍铬-金铁热电偶连接，液氮室与外桶之间的空间为空气腔，所述外桶上设有空气抽口，空气抽出管通过空气抽口与空气腔连通。 

本发明具有以下有益效果：本发明具有成本低、操作性强、操作简单的优点，本发明能够提供55K甚至更低的低温冷源，有效地实现2000Pa以上空气的捕集。此处，本发明还具有以下特点：一、具有模拟临近空间环境的大抽气量的抽气减压制冷能力；二、解决了固态凝华与升华的表面特性传热和传质的问题；三、在结构中实现了捕集与存储的集成。获得55K甚至更低的低温冷源，实现临近空间稀薄空气低温冷凝捕集。本发明能够模拟20km～50km临近空间的大气环境和实现了临近空间稀薄空气的冷凝、液化、收集和存储。解决了临近空间20km～50km稀薄空气的冷凝、液化、收集和存储的实验研究。 

附图说明

图1为本发明的结构原理图，图2是本发明的主视图(没有画出液氮杜瓦)。 

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述液氮抽吸制冷稀薄空气冷凝捕集装置包括支架总成27、冷凝捕集罐体1、数据采集模块19、镍铬-金铁热电偶18、氮气抽出管5、空气抽出管11、液氮输送管总成13、液氮杜瓦12、液化空气收集杜瓦17、液化空气收集盘28，所述冷凝捕集罐体1安装在支架总成27的上端；所述冷凝捕集罐体1包括外桶21、外桶盖20、冷屏总成26、液氮室25，冷屏总成26安装在外桶21内，外桶盖20盖在外桶21上并与外桶21的上端密闭连接，冷屏总成26分别与外桶21、外桶盖20固接，液氮室25设置在冷屏总成26内的底部，液化空气收集盘28设置在冷屏总成26内且位于液氮室25的下方，液化空气收集杜瓦17设置在支架总成27内且与其上的液化空气收集盘28连通，液化空气收集杜瓦17的上端固定在外桶21的底端面上，氮气抽出管5的一端穿过冷屏总成26的保温盖26-1并与液氮室25的上端连通，液氮输送管总成13设置在冷屏总成26上，液氮输送管总成13上的坚直管13-4穿出氮气抽出管5插入液氮室25的底部内，液氮输送管总成13上的总管道13-5与液氮杜瓦12连通，镍铬-金铁热电偶18设置在液氮室25的外侧壁上，数据采集模块19与镍铬-金铁热电偶18连接，液氮室25与外桶21之间的空间为空气腔35，所述外桶21上设有空气抽口24，空气抽出管11通过空气抽口24与空气腔35连通。 

液氮室25用于存储制冷工质液氮，空气腔35用于模拟低压力大气环境。液氮杜瓦12通过液氮输送管总成13向液氮室25内输送液氮，氮气抽出管5与2X-70D真空泵连接抽吸液氮实现制冷；空气抽口24与2XZ-15D型真空泵连接抽出空气腔35内的空气模拟稀薄空气环境。空气腔35的稀薄空气在液氮室25及其翅片组30上冷凝液化，液化后的空气在重力作用下流入液化空气收集杜瓦17，镍铬-金铁热电偶18用于测量液氮冷源的温度，为了使本发明方便操作控制，还可安装了各种阀门、接口等。 

具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述外桶21上设有第一传感器接口23，所述外桶盖20上还设在第二传感器接口36。如此设计，便于安装传感器。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。 

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述液氮输送管总成13由坚直管13-4、第一路管道13-1、第二路管道13-2、第三路管道13-3、总管道13-5、针阀14、冷屏阀15、腔体预冷阀16组成，所述总 管道13-5分别与第一路管道13-1、第二路管道13-2、第三路管道13-3连通，第一路管道13-1上设有针阀14，第二路管道13-2上设有冷屏阀15，第三路管道13-3上设有腔体预冷阀16，坚直管13-4与第一路管道13-1连通，第二路管道13-2缠绕在冷屏总成26的外表面上，第三路管道13-3与液化空气收集杜瓦17连通。液氮杜瓦12通过液氮输送管总成13上的坚直管13-4向液氮室25内输送液氮、通过第二路管道13-2冷却冷屏总成26、通过第三路管道13-3冷却液化空气收集杜瓦17。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。 

具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述冷屏总成26由保温盖26-1与保温杯体26-2组成，所述保温盖26-1与保温杯体26-2密闭连接，保温盖26-1与外桶盖20的下端面连接，保温杯体26-2与外桶21内侧壁连接。如此设计，便于安装。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。 

具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述冷凝捕集罐体1还包括翅片组30，所述翅片组30设置在液氮室25的外侧壁上。为防止液氮室25向外界的辐射漏热在液氮室25的外侧安装了冷屏总成26，液氮室25外侧加装翅片组30以增大换热面积。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。 

具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述捕集装置还包括测量阀7、补气阀8，所述测量阀7、补气阀8均位于外桶21的外部，所述测量阀7、补气阀8通过管道分别与外桶21连通。测量阀7的作用是测量空气的冷凝速率，补气阀8的作用是使本发明在非工作状态时可打开补气阀8使空气腔35与外界大气连通。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。 

具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述捕集装置还包括液氮放空阀2，所述液氮放空阀2设置在氮气抽出管5上。液氮放空阀2的作用是本发明在非工作状态时打开使液氮室25与外界大气连通。其它组成及连接关系与具体实施方式一或六相同。 

具体实施方式八：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述捕集装置还包括真空计3、第一真空计9、抽空气阀10，所述真空计3设置在氮气 抽出管5上，所述第一真空计9、抽空气阀10分别设置在空气抽出管11上。真空计3用于测量液氮室25内的压力，第一真空计9用于测量空气腔35的压力，抽空气阀10用来切断或打开空气腔通过空气抽出管11与真空泵的连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一或六相同。 

具体实施方式九：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述捕集装置还包括抽氮气阀4，所述抽氮气阀4设置在氮气抽出管5上。抽氮气阀4用来切断或打开液氮室通过氮气抽出管5与真空泵的连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一或六相同。 

具体实施方式十：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述捕集装置还包括冷屏排空阀6，所述冷屏排空阀6设置在第二路管道13-2上。冷屏排空阀6用来控制排放第二路管道13-2内的氮气。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。 

工作过程：通过真空泵抽吸液氮腔内的氮使其气化或者升华吸热，剩余的氮自身冷却，从而获得低温冷源。试验过程中，在冷凝捕集稀薄空气的同时利用重力实现了低温液体的收集和存储。一、向液氮杜瓦12内灌入10L液氮，打开针阀14和抽氮气阀4，打开2X-70D真空泵向液氮室25内抽入一定量液氮后关闭抽氮气阀和针阀，关闭2X-70D真空泵。二、预冷液化空气收集杜瓦17，打开腔体预冷阀16，打开抽空气阀10，打开2XZ-15D真空泵向液化空气收集杜瓦中抽入一定量液氮冷却收集杜瓦后关闭腔体预冷阀。三、将空气腔35压力抽到40Pa以下。将空气腔35压力抽到40Pa以下后关闭2XZ-15D。四、打开冷屏，打开冷屏阀15，利用液氮杜瓦12中气化的冷氮气冷却冷屏。五、绝热抽液氮降温。打开2X-70D真空泵，缓慢打开抽氮气阀4，利用绝热抽气方法降低氮的温度至需要温度例如59K后关闭抽氮气阀。六、空气腔35升压到需要压力，打开补气阀8，将空气腔升压到需要的压力，例如5000Pa后关闭补气阀，冷凝后的液化空气在重力的作用下流入收集杜瓦17。七、开始试验。记录试验开始时间，缓慢打开抽氮气阀4维持氮低温冷源温度在需要的温度例如59K，缓慢打开测量阀7，当测量阀的流量达到最大并且罐内空气压力维持在设定的压力例如5000Pa没有升高时，此时的进气流量即可认为是液化速率。八、试验结束。记录试验结束时间，关闭抽氮气阀4，关闭2X-70D真 空泵；关闭抽空气阀10，拆下收集杜瓦17，称在其中收集的液化空气质量就可以计算出捕集速率。九、打开液氮放空阀2、补气阀7、冷屏排空阀6，保持各腔体与大气相通。 

这样通过液氮抽气制冷的方法可以获得55K甚至更低的低温冷源，能够实现临近空间2000-5000Pa稀薄空气冷凝液化。 

Claims (10)

1.一种液氮抽吸制冷稀薄空气冷凝捕集装置，所述捕集装置包括支架总成(27)、冷凝捕集罐体(1)、数据采集模块(19)、镍铬-金铁热电偶(18)、氮气抽出管(5)、空气抽出管(11)、液氮输送管总成(13)、液氮杜瓦(12)、液化空气收集杜瓦(17)、液化空气收集盘(28)，所述冷凝捕集罐体(1)安装在支架总成(27)的上端；其特征在于所述冷凝捕集罐体(1)包括外桶(21)、外桶盖(20)、冷屏总成(26)、液氮室(25)，冷屏总成(26)安装在外桶(21)内，外桶盖(20)盖在外桶(21)上并与外桶(21)的上端密闭连接，冷屏总成(26)分别与外桶(21)、外桶盖(20)固接，液氮室(25)设置在冷屏总成(26)内的底部，液化空气收集盘(28)设置在冷屏总成(26)内且位于液氮室(25)的下方，液化空气收集杜瓦(17)设置在支架总成(27)内且与支架总成(27)上的液化空气收集盘(28)连通，液化空气收集杜瓦(17)的上端固定在外桶(21)的底端面上，氮气抽出管(5)的一端穿过冷屏总成(26)的保温盖(26-1)并与液氮室(25)的上端连通，液氮输送管总成(13)设置在冷屏总成(26)上，液氮输送管总成(13)上的竖直管(13-4)穿出氮气抽出管(5)插入液氮室(25)的底部内，液氮输送管总成(13)上的总管道(13-5)与液氮杜瓦(12)连通，镍铬-金铁热电偶(18)设置在液氮室(25)的外侧壁上，数据采集模块(19)与镍铬-金铁热电偶(18)连接，液氮室(25)与外桶(21)之间的空间为空气腔(35)，所述外桶(21)上设有空气抽口(24)，空气抽出管(11)通过空气抽口(24)与空气腔(35)连通。

2.根据权利要求1所述的液氮抽吸制冷稀薄空气冷凝捕集装置，其特征在于所述外桶(21)上设有第一传感器接口(23)，所述外桶盖(20)上还设有第二传感器接口(36)。

3.根据权利要求1所述的液氮抽吸制冷稀薄空气冷凝捕集装置，其特征在于所述液氮输送管总成(13)由竖直管(13-4)、第一路管道(13-1)、第二路管道(13-2)、第三路管道(13-3)、总管道(13-5)、针阀(14)、冷屏阀(15)、腔体预冷阀(16)组成，所述总管道(13-5)分别与第一路管道(13-1)、第二路管道(13-2)、第三路管道(13-3)连通，第一路管道(13-1)上设有针阀(14)，第二路管道(13-2)上设有冷屏阀(15)，第三路管道(13-3)上设有腔体预冷阀(16)，竖直管(13-4)与第一路管道(13-1)连通，第二路管道(13-2)缠绕在冷屏总成(26)的外表面上，第三路管道(13-3)与液化空气收集杜瓦(17)连通。

4.根据权利要求1所述的液氮抽吸制冷稀薄空气冷凝捕集装置，其特征在于所述冷屏总成(26)由保温盖(26-1)与保温杯体(26-2)组成，所述保温盖(26-1)与保温杯体(26-2)密闭连接，保温盖(26-1)与外桶盖(20)的下端面连接，保温杯体(26-2)与外桶(21)内侧壁连接。

5.根据权利要求1所述的液氮抽吸制冷稀薄空气冷凝捕集装置，其特征在于所述冷凝捕集罐体(1)还包括翅片组(30)，所述翅片组(30)设置在液氮室(25)的外侧壁上。

6.根据权利要求1所述的液氮抽吸制冷稀薄空气冷凝捕集装置，其特征在于所述捕集装置还包括测量阀(7)、补气阀(8)，所述测量阀(7)、补气阀(8)均位于外桶(21)的外部，所述测量阀(7)、补气阀(8)通过管道分别与外桶(21)连通。

7.根据权利要求1或6所述的液氮抽吸制冷稀薄空气冷凝捕集装置，其特征在于所述捕集装置还包括液氮放空阀(2)，所述液氮放空阀(2)设置在氮气抽出管(5)上。

8.根据权利要求1或6所述的液氮抽吸制冷稀薄空气冷凝捕集装置，其特征在于所述捕集装置还包括第一真空计(3)、第二真空计(9)、抽空气阀(10)，所述第一真空计(3)设置在氮气抽出管(5)上，所述第二真空计(9)、抽空气阀(10)分别设置在空气抽出管(11)上。

9.根据权利要求1或6所述的液氮抽吸制冷稀薄空气冷凝捕集装置，其特征在于所述捕集装置还包括抽氮气阀(4)，所述抽氮气阀(4)设置在氮气抽出管(5)上。

10.根据权利要求3所述的液氮抽吸制冷稀薄空气冷凝捕集装置，其特征在于所述捕集装置还包括冷屏排空阀(6)，所述冷屏排空阀(6)设置在第二路管道(13-2)上。

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