CN107543030A

CN107543030A - 基于常温的水浴式液氮汽化方法

Info

Publication number: CN107543030A
Application number: CN201610839163.8A
Authority: CN
Inventors: 张文兵; 李新明; 张俊刚; 方贵前; 杨江; 向树红; 王磊; 张强
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2018-01-05

Abstract

本发明公开了一种基于常温的水浴式液氮汽化系统，包括自增压液氮贮槽、液氮输液管路、汽化池、水浴式汽化器、氮气输出管路，其中，通过对液氮贮槽进行升压，压差通过液氮输液管路将液氮贮槽中的液氮输入到水浴式汽化器中，汽化器放置在充满常温水的汽化池水面下，利用热容量大的水对液氮进行汽化换热，通过氮气输出管路形成稳定的气流输出。本发明产生的氮气气流量大，系统运行稳定，运行成本低，能源消耗少。

Description

基于常温的水浴式液氮汽化方法

技术领域

本发明属于航天器噪声环境试验技术领域，具体涉及一种基于常温的液氮汽化方法。

背景技术

航天器在发射和飞行阶段会经历严酷的噪声环境，噪声环境会诱发严重的振动响应，航天器的破坏或失效与振动响应的激烈程度密切相关。航天器噪声环境试验是模拟航天器经历噪声环境、检测航天器设计可靠性的必备手段，在航天器研制进程中具有重要作用，航天器噪声环境试验一般在混响室噪声试验系统中进行。大功率声源是混响室噪声试验系统的必要设备，大功率声源一般采用将气体的机械能转换为声能，稳定流速的气源是试验系统重要的组成部分。航天器噪声环境试验要求的试验空间大，声压级高，这就要求混响室噪声试验系统应具备相当大规模的气源系统，例如，一个1000m³混响室，要达到153dB的总声压级，其标准状态下的气流量约为300m³/min，同时还要求一定的持续时间。另外，气源的选择要考虑洁净度要求、综合经济性能、环境污染等方面。

大型气源系统一般采用大型空压机压缩空气或液氮汽化办法获取，对于大型航天器噪声环境试验所需气源规模，空压机压缩空气方法气流量很难满足应用需求，空气易受环境污染，而且设备占用空间大，能耗高。常规液氮汽化方法一般采用空气对流换热方法，空气热容量较低，对于大流量气源应用所需汽化换热设备规模庞大，另外，这一方法受空气环境温度影响较大，在冬季低温时间，液氮汽化速度较慢，很难满足高气流量应用需求。

发明内容

本发明利用水热量大的特点，提供了一种采用常温水浴式液氮汽化方法，该方法能够获得大流量、洁净氮气源，用于大型航天器噪声环境试验。

本发明采用的技术解决方案如下：

基于常温的水浴式液氮汽化系统，包括自增压液氮贮槽、液氮输液管路、汽化池、水浴式汽化器、氮气输出管路，其中，通过对液氮贮槽进行升压，压差通过液氮输液管路将液氮贮槽中的液氮输入到水浴式汽化器中，汽化器放置在充满常温水的汽化池水面下，利用热容量大的水对液氮进行汽化换热，通过氮气输出管路形成稳定的气流输出。

其中，液氮贮槽自带自增压设备，设计压力选择1.8MPa，根据试验耗气量设计贮槽容积，试验中氮气总消耗量的计算公式如下：

V＝L_w×t×N_t

式中V为氮气总消耗量，L_w为单次试验氮气消耗量，t为单次试验时间，N_t为试验工况数，氮气总消耗量转换为液氮的计算公式为：

V_L＝V/β

式中V_L为液氮总消耗量，β为液氮汽化的膨胀系数，取为676。液氮总消耗量即为设计的液氮贮槽容积。

其中，液氮输液管路采用耐低温管材，一般选择0Cr18Ni9不锈钢材料，液氮输液管路的液氮管径如下：

式中v为液氮流速，一般v≤2m/s，β为液氮汽化的膨胀系数，取为676。

其中，水浴式汽化器由盘管和支架组成，其中蛇形排列的盘管受到支架的支撑。

进一步地，盘管总长度为：

其中r为盘管半径，S为换热面积，盘管厚度应考虑工作压力进行选择，汽化器总体尺寸应结合汽化池尺寸及盘管总长度等进行具体设计。

其中，液氮输液管路和氮气输出管路上分别设置有低温阀门和手动阀门。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用水热容量大的特定，可进行超大热负荷汽化换热，从而获取高速稳定的洁净氮气流，受环境温度影响较小。方法原理简单可行，系统运行稳定，常温水资源可重复利用，运行成本低，无其它能源消耗。

附图说明

图1为本发明的基于常温的水浴式液氮汽化系统的结构示意图；

其中，1、自增压液氮贮槽；2、低温阀门；3、液氮输液管路；4、汽化池；5、水浴式汽化器；6、常温水；7、氮气输出管路；8、手动阀门。

图2为本发明的基于常温的水浴式液氮汽化系统中汽化器的结构示意图。

其中，21、盘管；22、支架。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

如图1所示，基于常温的水浴式液氮汽化方法涉及的系统设备包括：自增压液氮贮槽1、低温阀门2、液氮输液管路3、汽化池4、水浴式汽化器5、常温水6、氮气输出管路7、手动阀门8。通过对液氮贮槽1进行升压，压差通过液氮输液管路3将液氮贮槽中的液氮输入到水浴式汽化器5中，汽化器5放置在充满常温水的汽化池4水面下，利用热容量大的水对液氮进行汽化换热，通过氮气输出管路7形成稳定的气流输出，液氮输液管路3和氮气输出管路7上分别设置有低温阀门2和手动阀门8。

如图2所示，水浴式汽化器由盘管21和支架22组成，其中蛇形排列的盘管21受到支架22的支撑。

实施案例

(1)系统设备能力设计

对于耗气量400Nm³/min的混响室，单次噪声试验耗气时间为5分钟，试验次数10计算，

氮气密度：ρ＝1.2507kg/m³

氮气流量：400Nm³/min

质量流：M＝1.2507×24000＝30016.8kg/h

则氮气总耗气量为：

V＝L_w×t×N_t＝400×5×10＝20000m³

液氮总消耗量为：

V_L＝V/β＝20000/676≈30m³

因此设计选用30m³的自增压液氮贮槽。

液氮输液管路选择0Cr18Ni9不锈钢材料，液氮管径计算公式如下：

考虑设计裕度，选用DN125mm管径的输液管路。

液氮换热过程分为两个阶段，一个为气化换热阶段，由饱和液体气化为饱和气体即103.73K氮气；另一个阶段为饱和气体升温为出口0℃度氮气。

气化热负荷：

Q1＝M(h_气-h_液)

Q1＝30016.8(87+64)＝4532536.8kJ/h＝1082823Kcal/h

升温热负荷：

Q2＝Mc_p(T₂-T₁)Q2＝30016.8×1.4×(273-103.73)＝7143998kJ/h＝1706701Kcal/h

于是得到总的热负荷：

Q＝Q1+Q2＝2789524Kcal/h

液氮温度-170℃，出口氮气温度0℃，按水温20±5℃，计算得到的对数平均温度为：

传热系数取为：

γ＝120Kcal/m²·h·K。

于是得到水浴式汽化器的换热面积为：

考虑一定的设计裕度，换热面积可取为400m²。汽化器采用盘管结构形式，盘管总长度为：

(2)试验方法案例

试验中，汽化池4中注满常温水6，将30m³自增压液氮贮槽1升压至0.5MPa，打开低温阀门2和手动阀门8，液氮通过DN125mm液氮输液管路3，注入到400m²换热面积水浴式汽化器5中，汽化后的氮气通过DN300氮气输出管路7形成稳定400Nm³/min氮气流。

其中，与气流量密切相关的另一个参数就是汽化器的换热面积，参考德国施林德尔《换热器设计手册》第三卷，其计算方法如下：

式中S为汽化器换热面积，Q为总热负荷，ΔT为对数平均温度，γ为传热系数，一般取为120～150Kcal/m²·h·K。液氮换热过程分为两个阶段，一个为气化换热阶段，由饱和液体气化为饱和气体即103.73K氮气；另一个阶段为饱和气体升温为出口0℃度氮气。

液氮焓值(103.73K)：

h_液＝-64kJ/kg

饱和氮气焓值(103.73K)：

h_气＝87kJ/kg

则气化热负荷：

Q1＝M(h_气-h_液)

升温热负荷：

Q2＝Mc_P(T₂-T₁)

于是得到总的热负荷：

Q＝Q₁+Q₂

其中：c_p——比热容，1.4kJ/kg·K

T₁——氮气饱和温度，K

T₂——氮气出口温度，K

式中M为质量流，M＝L_w×ρ，ρ为氮气密度。液氮贮槽内是气、液两相混合，因此液氮温度属于饱和温度，在工作压力1.0MPa下，液氮的饱和温度为103.73K(～-170℃)。

其中对数平均温度计算公式为

T_1，i——水初始温度，T_1，o——换热后水温度

T_2，i——液氮入口温度，T_2，o——出口氮气温度

利用该系统能获取洁净、高速、稳定和持续的氮气流，系统运行稳定，常温水资源可重复利用，运行成本低，无其它能源消耗。在液氮贮槽压力0.5MPa，汽化器换热面积440m²条件下，可以获取400m³/min高速稳定的氮气流。

Claims

1.基于常温的水浴式液氮汽化系统，包括自增压液氮贮槽、液氮输液管路、汽化池、水浴式汽化器、氮气输出管路，其中，通过对液氮贮槽进行升压，压差通过液氮输液管路将液氮贮槽中的液氮输入到水浴式汽化器中，汽化器放置在充满常温水的汽化池水面下，利用热容量大的水对液氮进行汽化换热，通过氮气输出管路形成稳定的气流输出。

2.如权利要求1所述的基于常温的水浴式液氮汽化系统，其中，液氮贮槽自带自增压设备，设计压力选择1.8MPa，根据试验耗气量设计贮槽容积，计算公式如下：

V＝L_w×t×N_t

式中V为氮气总消耗量，L_w为单次试验氮气消耗量，t为单次试验时间，N_t为试验工况数。

3.如权利要求1所述的基于常温的水浴式液氮汽化系统，其中，液氮输液管路采用耐低温管材，液氮输液管路的液氮管径如下：

<mrow> <mi>D</mi> <mo>&GreaterEqual;</mo> <mn>1.13</mn> <msqrt> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>w</mi> </msub> <mo>/</mo> <mi>&beta;</mi> <mi>v</mi> </mrow> </msqrt> </mrow>

式中v为液氮流速，v≤2m/s，β为液氮汽化的膨胀系数，取为676。

4.如权利要求3所述的基于常温的水浴式液氮汽化系统，其中，耐低温管材采用0Cr18Ni9不锈钢材料。

5.如权利要求1所述的基于常温的水浴式液氮汽化系统，其中，水浴式汽化器由盘管和支架组成，其中蛇形排列的盘管受到支架的支撑。

6.如权利要求5所述的基于常温的水浴式液氮汽化系统，其中，盘管总长度为：

其中r为盘管半径，S为换热面积。

7.如权利要求1所述的基于常温的水浴式液氮汽化系统，其中，液氮输液管路和氮气输出管路上分别设置有低温阀门和手动阀门。