CN102759231B - 常压/负压液氮过冷器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种常压/负压液氮过冷器系统，包括内外容器组成的过冷器本体、电加热器及温控系统、真空蝶阀控制系统、缓冲气罐和真空机组，过冷器本体内部设置有板翅式换热器，电加热器、真空蝶阀控制系统、缓冲气罐和真空机组依次通过管路连接并在电加热器另一侧通过低温气动阀门连接到过冷器本体上，放空管也通过低温气动开关阀门以与上述加热器另一侧并联的方式设置在过冷器本体上，开启放空管的气动开关阀门并关闭抽真空的气动开关阀门时为常压过冷器，关闭放空管的气动开关阀门并开启抽真空的气动开关阀门时为负压过冷器。该系统利用液氮在负压下具有更低的饱和温度，来冷却单项密闭循环液氮，得到了更低的循环液氮温度，更加真实有效的模拟了空间环境温度，提高了航天器地面热真空环境模拟试验的效率，拓展了试验温度区间。

Description

常压/负压液氮过冷器系统

技术领域

本发明属于空间环境模拟试验领域，具体涉及一套用于空间环境模拟器常压/负压液氮制冷及自动控制系统。

背景技术

过冷器是空间环境模拟器液氮系统的重要设备之一，常压过冷器是指过冷器内容器中的液氮为常压状态(外界大气压)。目前，空间环境模拟器内使用的过冷器均为常压过冷器。在单相密闭循环系统中，过冷器承担换热器的角色，从过冷器排出的液氮经过液氮泵后，以一定的压力和流量输送到热沉中，在其中吸收热量，温度升高，但仍低于其饱和温度。升温后的液氮从热沉流出，进入过冷器内的板翅换热器，与过冷器内容器中的常压液氮进行热交换，温度降低，形成一定过冷度，流回液氮泵，完成一个单项密闭循环。在整个过程中，过冷器内容器常压液氮的温度决定了整个循环中液氮的最低温度，也决定了热沉的温度。使用常压过冷器的空间环模设备热沉可维持低于100K。

由饱和液氮的物性可以看出，液氮的饱和温度随液氮压力的降低而降低，如图1所示，负压液氮过冷是利用液氮在真空(低于外界大气压)下汽化沸腾换热来过冷高压液氮，使高压液氮获得更低的温度，从而达到制冷作用。

负压液氮过冷器是指过冷器内容器里的液氮压力低于一个大气压的过冷器。负压过冷器的设计利用了真空液氮过冷技术，过冷器热交换器的一侧液体是单向密闭循环的液氮，另一侧是压力为负压下的液氮，过冷器内负压状态下的液氮吸热不断汽化，来冷却单向密闭循环的液氮，以获得比常压过冷器更低的液氮温度。

根据过冷器的功能可知，热沉中的液氮温度决定了热沉和试验件所能达到的极限温度，目前国内环境模拟设备中所使用的均为常压过冷器，一个大气压下的饱和液氮温度约为78K，利用此液氮来冷却密闭循环中的高压液氮，在过冷器出口密闭循环的高压液氮温度可达82K左右。在系统额定热负荷内，热沉温度可维持低于100K。负压过冷器可得到更低的液氮循环温度，例如：液氮在0.2bar压力下，饱和温度约为65.8K，利用0.2bar压力下的饱和液氮冷却密闭循环系统内的高压液氮，可使过冷器出口液氮温度达到73K左右，在系统热负荷内，热沉温度可维持低于90K。由此可见，研制一种能够在环境模拟设备中使用的出口液氮温度更低的负压液氮过冷器系统非常必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种常压/负压液氮过冷器系统，该系统是一种能够在常压过冷器系统和负压过冷器系统之间进行切换的两状态过冷系统，能够更好地满足环境模拟试验。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

一种常压/负压液氮过冷器系统，包括内外容器组成的过冷器本体、电加热器及温控系统、真空蝶阀控制系统、缓冲气罐和真空机组，过冷器本体内部设置有板翅式换热器，密闭循环液氮入口与密闭循环液氮出口分别通过控制阀门与板翅式换热器相连，过冷器本体内容器的内部填充有液面高于板翅式换热器的液氮，过冷器本体上设置有供废液排出的残液排出口和液氮补给的负压液氮入口；电加热器、真空蝶阀控制系统、缓冲气罐和真空机组依次通过管路连接并在电加热器另一侧通过低温气动阀门连接到过冷器本体上，放空管也通过低温气动开关阀门以与上述加热器另一侧并联的方式设置在过冷器本体上，真空蝶阀控制系统通过PID方式控制并保持过冷器本体内的压力，电加热器及温控系统加热并控制从过冷器内排出的低温氮气的温度，开启放空管的气动开关阀门并关闭抽真空的气动开关阀门时为常压过冷器，关闭放空管的气动开关阀门并开启抽真空的气动开关阀门时为负压过冷器。

其中，真空蝶阀控制系统将过冷器本体内部的压力稳定在0.02MPa左右。

其中，过冷器本体的材料为0Cr18Ni9，过冷器本体的容器壁厚为5mm。

其中，缓冲气罐的材质为不锈钢，体积为1m³。

其中，真空碟阀控制系统为常规结构，包括可调蝶阀、控制器、薄膜真空规管、手动蝶阀等。

与现有的常压液氮过冷器相比，本发明的常压/负压液氮过冷器的优点在于：

a)利用液氮在负压下具有更低的饱和温度，来冷却单项密闭循环液氮，得到了更低的循环液氮温度，更加真实有效的模拟了空间环境温度，提高了航天器地面热真空环境模拟试验的效率，拓展了试验温度区间；

b)常压/负压过冷器在使用过程中，可根据系统热负荷的变化，可使系统在常压过冷器和负压过冷器之间自由切换，提高了系统的安全性及可靠性。

附图说明

图1为液氮饱和温度和压力的关系曲线示意图；

图2为本发明的常压/负压液氮过冷器系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的常压/负压液氮过冷器系统进行详细说明，具体实施方式仅为示例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。

参照图2，本发明的常压/负压液氮过冷器系统，包括由内外容器组成过冷器本体、电加热器及温控系统、真空蝶阀控制系统、缓冲气罐和真空机组，例如，过冷器本体的材料可以为0Cr18Ni9，优选过冷器本体的容器壁厚为5mm。过冷器本体内部设置有板翅式换热器，密闭循环液氮入口与密闭循环液氮出口分别通过控制阀门与板翅式换热器相连，过冷器本体内部填充有液面高于板翅式换热器的液氮，过冷器本体上设置有供废液排出的残液排出口和液氮补给的负压液氮入口；板翅式换热器内有两种流体，一种流体为从热沉系统排出的高压液氮，另一种是过冷器内容器内的负压饱和液氮，两种流体经过充分的热量交换，将高压饱和液氮变成具有一定过冷度的液氮，重新流回热沉。

其中，电加热器、真空蝶阀控制系统、缓冲气罐(例如缓冲气罐的材质为不锈钢，体积为1m³)和真空机组依次通过管路连接并在电加热器另一侧通过低温气动阀门连接到过冷器本体上，放空管也通过低温气动开关阀门以与上述加热器另一侧并联的方式设置在过冷器本体上，真空蝶阀控制系统通过PID方式控制并保持过冷器本体内的压力使其稳定在0.02MPa左右。电加热器及温控系统加热并控制从过冷器内排出的低温氮气的温度，开启放空管的气动开关阀门并关闭抽真空的气动开关阀门时为常压过冷器，关闭放空管的气动开关阀门并开启抽真空的气动开关阀门时为负压过冷器。

在热交换的过程中，过冷器内容器的负压饱和液氮因吸热不断汽化，产生的低温氮气经电加热器加热至常温，真空系统将加热至常温的气体排出系统。真空碟阀控制系统将维持过冷器内容器的压力，稳定在0.02MPa左右，此时过冷器内的负压液氮的饱和温度为65.8K，过冷器出口密闭循环液氮温度可维持低于73K。负压液氮过冷器系统可根据试验需求自由切换为常压过冷器使用。

真空碟阀控制系统是已知的控制结构，包括可调蝶阀、控制器、薄膜真空规管、手动蝶阀等；而真空机组包括两台机械泵，过冷器工作状态下内容器液氮充满率按80％设计，依靠真空碟阀的PID调节，将过冷器内容器真空度维持在0.02MPa±0.002MPa之间，而增加的缓冲气罐，可以使真空泵运行稳定。

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (4)

1.一种常压/负压液氮过冷器系统，包括内外容器组成的过冷器本体、电加热器及温控系统、真空蝶阀控制系统、缓冲气罐和真空机组，过冷器本体内部设置有板翅式换热器，密闭循环液氮入口与密闭循环液氮出口分别通过控制阀门与板翅式换热器相连，过冷器本体内容器的内部填充有液面高于板翅式换热器的液氮，过冷器本体上设置有供废液排出的残液排出口和液氮补给的负压液氮入口；电加热器、真空蝶阀控制系统、缓冲气罐和真空机组依次通过管路连接并在电加热器另一侧通过低温气动阀门连接到过冷器本体上，放空管也通过低温气动开关阀门以与所述电加热器另一侧并联的方式设置在过冷器本体上，真空蝶阀控制系统通过PID方式控制并保持过冷器本体内的压力，电加热器及温控系统加热控制从过冷器内排出的低温氮气的温度，当开启放空管的低温气动开关阀门并关闭抽真空的低温气动阀门时为常压过冷器，关闭放空管的低温气动开关阀门并开启抽真空的低温气动阀门时为负压过冷器。

2.如权利要求1所述的常压/负压液氮过冷器系统，其中，真空蝶阀控制系统将过冷器本体内部的压力稳定在0.02MPa左右。

3.如权利要求2所述的常压/负压液氮过冷器系统，其中，过冷器本体的材料为0Cr18Ni9。

4.如权利要求1所述的常压/负压液氮过冷器系统，其中，缓冲气罐的材质为不锈钢，体积为1m³。