CN110017919B - 低温输液管路漏热量测试系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种低温输液管路漏热量测试系统，包括：待测试低温输液管，设置在低温制冷系统中的流量计、温度传感器和压力计传感器，温度传感器包括设置在第一测试点上的第一温度传感器和第二测试点上的第二温度传感器，压力传感器包括第一测试点上和第一压力传感器和第二测试点上的第二压力传感器，温度传感器上设有防护罩，防护罩固定在待测试低温输液管上，且防护罩外环设有辐射冷屏，防护罩与辐射冷屏之间留有间隙，辐射冷屏表面设有绝热材料，根据流量计测得的质量流量、第一测试点的温度和压力及第二测试点的温度和压力获得待测试低温输液管上的第一测试点和第二测试点之间的漏热量。上述低温输液管路漏热量测试系统及测量方法测量精确度较高。
Description
技术领域
本发明属于制冷及低温工程领域，特别涉及一种低温输液管路漏热量测试系统及测量方法。
背景技术
现今的工程应用领域，低温液体的应用越来越广泛，尤其应用在超导，航天和基础物理应用领域。常用的低温液体有液氦、液氢、液氧、液氮等；常用的传输低温液体的方式有低温储罐，低温管道等。低温液体制取不易，液氦等汽化潜热更低，如何有效的输运低温液体就需要性能优异的低温输液管路。如何测定评价低温输液管的绝热保冷性能就尤为关键了。
在Kawano K等的文章“Design and Construction of Long Cryogenic PipingLines[C]//1997:493-496.”提出通过测试液氦传输管线外表面温度的方式，利用室内对流换热系数来计算得到液氦传输管线的漏热量。这种方式较为简便，只需测试外管壁面温度、室内温度和室内的对流换热系数即可。但是，这种方式测试精度不高，2000:1395-1402.”提出了蒸发杜瓦储罐内的氦蒸汽通过输液管的方式，通过测量输液管两端的焓差，进而将氦蒸汽复温通过流量计测试通过输液管的气体质量流量。这种方式需要将液氦传输管线从低温系统中独立出来，且未进行压力的测试。
近年来，Dittmar N等的文章“Characterisation and optimisation offlexible transfer lines for liquid helium.Part I:Experimental results[J].Cryogenics,2016,79:53-62.”中提出了所谓的零流量传输的方式，增加一个杜瓦储罐，通过调节阀门保证储罐的液位保持不变，得到出口处的质量流量，进而根据焓差得到漏热量。但是这种保证液位不变的方式实现比较困难，液氦的液面波动比较大。
发明内容
基于此，有必要提供一种测量精确度较高的低温输液管路漏热量测试系统及测量方法。
一种低温输液管路漏热量测试系统，包括：待测试低温输液管，设置在待测试低温输液管一端的低温制冷系统中的流量计，设置在待测试低温输液管上的温度传感器和压力计传感器，所述温度传感器包括设置在第一测试点上的第一温度传感器和第二测试点上的第二温度传感器，所述压力传感器包括设置在第一测试点上和第一压力传感器和第二测试点上的第二压力传感器，所述温度传感器上设有防护罩，所述防护罩固定在待测试低温输液管上，且所述防护罩外环设有辐射冷屏，所述防护罩与所述辐射冷屏之间留有间隙，所述辐射冷屏表面设有绝热材料，根据所述流量计测得的质量流量、所述第一测试点的温度和压力及所述第二测试点的温度和压力获得待测试低温输液管上的所述第一测试点和所述第二测试点之间的漏热量。
在一实施方式中，所述防护罩为圆环形防护罩，待测试低温输液管上设有圆环形支撑件，所述辐射冷屏包裹在所述圆环形支撑件上，所述绝热材料包裹在所述辐射冷屏上，所述绝热材料套设有绝热层外管。
在一实施方式中，所述圆环形防护罩的径向宽度比所述温度传感器径向宽度大3-4mm，所述圆环形防护罩的轴向长度比所述温度传感器的轴向长度大3-4mm。
在一实施方式中，所述压力传感器通过引管与测试低温输液管连接。
在一实施方式中，所述引管的直径为4-8mm，所述引管的长度为15-30mm。
在一实施方式中，所述温度传感器的温度精度在±50mK以内，所述压力传感器的精度在±1000Pa以内。
在一实施方式中，待测试低温输液管上流入所述第一测试点的前端设有阀门控制膨胀制冷，用以调节管内流体的温度和流量。
在一实施方式中，待测试低温输液管内部的低温工质为液氦、液氢、甲烷、液氮或液氧。
在一实施方式中，待测试低温输液管的一端的低温制冷系统中管路上设有有压缩机、多个调节阀、多个换热器、膨胀机构及杜瓦储罐。
一种采用如上所述低温输液管路漏热量检测系统进行漏热量测量的方法，包括：
将低温制冷机调试到正常开机工况；
待低温制冷机达到待测试低温输液管的测温区，将待测试低温输液管的低温工质调节成测温区的单相流状态；
根据温度传感器和压力传感器的示数判断第一测试点和第二测试点的温差和压差是否达到预设阀值，如果是，开始记录数据，如果否，调整至第一测试点和第二测试点的温差和压差达到预设阀值后开始记录数据；
根据获取的数据计算第一测试点和第二测试点之间的漏热量。
在上述低温输液管路漏热量测试系统及测量方法中，能简便精确地测试管道任意两点或者多点的焓值，得到该段管路的焓差，进而测得漏热量。该系统能简便地测试单通道管路、多通道管路及同轴型管路等复合型低温输液管路漏热量测试；以及测试不同状态(气相或者液相)的低温工质，测试温区能达到4.5K-300K。具有操作简单，测试精确，替换性强，成本廉价等优点。
附图说明
图1为一实施方式的低温输液管路漏热量测试系统示意图；
图2为一实施方式的低温输液管路漏热量测试系统的温度传感器及压力传感器布置示意图。
具体实施方式
下面结合实施方式，对一种低温输液管路漏热量测试系统及测量方法作进一步的详细说明。
如图1和2所示，一实施方式的低温输液管路漏热量测试系统，包括：待测试低温输液管10，连接在待测试低温输液管10上一端的低温制冷系统中的流量计20、温度传感器30和压力计传感器40，流量计20，温度传感器30包括设置在待测试低温输液管10上第一测试点上的第一温度传感器310和第二测试点上的第二温度传感器320，压力传感器40包括设置在待测试低温输液管10上第一测试点上和第一压力传感器410和第二测试点上的第二压力传感器420，温度传感器30上设有防护罩50，防护罩50固定在待测试低温输液管10上，且防护罩50外环设有辐射冷屏60，防护罩50与辐射冷屏60之间留有间隙，辐射冷屏60表面设有绝热材料70，根据流量计20测得的质量流量m0、第一测试点的温度和压力及所述第二测试点的温度和压力获得待测试低温输液管10上的第一测试点和第二测试点之间的漏热量。具体的计算公式如下:漏热量Q＝m0·(h1-h2)，其中，第一测试点的焓值为h1和第二测试点的焓值h2。
优选地，流量计20为精度高±1％(FS)和合适量程的流量计。优选地，温度传感器30的温度精度在±50mK以内，压力传感器40的精度在±1000Pa以内。温度传感器30采用铜-康铜热电偶温度传感器，将热电偶均匀贴在绝热层外表面和支撑外表面，而后将引线通过温度接口14引出测试温度，单位为(K)。
在一实施方式中，防护罩50为圆环形防护罩，待测试低温输液管10上设有圆环形支撑件80，辐射冷屏60包裹在圆环形支撑件80上，绝热材料70包裹在辐射冷屏60上，绝热材料可以为多层，辐射冷屏60可以选用发射率低，延展性能好的材质，紫铜片，铝片等；绝热材料70套设有绝热层外管90。具体地，圆环形防护罩的径向宽度比温度传感器30径向宽度大3-4mm，圆环形防护罩的轴向长度比温度传感器30轴向长度大3-4mm，从而保证温度传感器能和管道进行充分换热，且圆环形防护罩的热阻能够忽略，保证温度传感器的测试精度。进一步地，采用辐射冷屏60包裹在圆环形支撑件80上，减少外界高温对温度传感器30的辐射热流，不会影响温度传感器30的测温精度；且在辐射冷屏60上面包扎多层绝热材料70对温度传感器30及管道进行保冷，进一步提高温度的测试精度。
在一实施方式中，压力传感器40通过引管410引出管道内的气体工质来测试输液管点的压力。引管410直径在4-8mm，引管410长度为15-30mm，这样在引管410内形成一段“气柱”，在这段气柱中对流换热可以忽略不计，导热量很小，这样便能减少外界环境对输液管内低温工质的漏热量，提高整体管线测压的精度，提高漏热量测试的精度。
在一实施方式中，待测试低温输液管10的一端的低温制冷系统中管路上设有压缩机、多个调节阀、多个换热器、膨胀机构及杜瓦储罐。具体地，在一实施方式中，如图1所示，低温输液管路漏热量测试系统的管路还宝包括压缩机101、第一调节阀102、第二调节阀103、膨胀机构104、第一流量计105、第一换热器106、第二换热107、第三换热器108、第四换热器109、第二流量计110、杜瓦储罐111、第三调节阀112，以调节管内流体的温度和流量。第一流量计105设置在膨胀机构104回气之前，用来测试回气的质量流量；第一调节阀102用来调节进入换热器和膨胀机构104的低温工质流量，在经过第一换热器106后，通过杜瓦储罐111的管路上的第二流量计110测试待测试低温输液管10的质量流量，通过两流量计对比可得到储罐中液化的液化量。在膨胀机构104管路安装第二调节阀103，控制开度，调节进入膨胀机构104的流量来调节制冷量。
在一实施方式中，待测试低温输液管10内部的低温工质温区能达到4.5K液氦温区以下，包括但不仅限于液氦、液氢、甲烷、液氮或液氧。
在上述低温输液管路漏热量测试系统中，能简便精确地测试管道任意两点或者多点的焓值，得到该段管路的焓差，进而测得漏热量。该系统能简便地测试单通道管路、多通道管路及同轴型管路等复合型低温输液管路漏热量测试；以及测试不同状态(气相或者液相)的低温工质，测试温区能达到4.5K-300K。具有操作简单，测试精确，替换性强，成本廉价等优点。
一实施方式的低温输液管路漏热量检测系统进行漏热量测量的方法，包括
S110、将低温制冷机调试到正常开机工况；
具体地，启动压缩机101循环，待气体纯化后打开第一调节阀102，进入第一换热器106进行预冷，开启第二调节阀103，将膨胀机构104开启，开启第三调节阀112，将整个低温制冷机达到正常开机工况；
S120、待低温制冷机达到待测试低温输液管的测温区，将待测试低温输液管的低温工质调节成测试温区的单相流状态；
具体地，待得整个低温制冷系统达到待测试低温输液管10的测温区，调节第一调节阀102和第三调节阀112控制待测试低温输液管10的第一测试点的温度和压力使得待测试管线的低温工质处于测试温区的单相流状态；
S130、根据温度传感器和压力传感器的示数判断第一测试点和第二测试点的温差压差是否达到预设阀值，如果是，开始记录数据，如果否，调整至第一测试点和第二测试点的温差压差达到预设阀值后开始记录数据；
根据第一温度传感器310和第二温度传感器320的示数，根据预设阀值判断是否有明显的温差，以及第一压力传感器410和第二压力传感器420是否有明显的压差，如果两测试点没有变化，第一调节阀102和第三调节阀112检测流量计示数，调小流量参数进一步观察第一测试点和第二测试点的数值，待得有较明显的差值后开始记录数据；待得数据稳定后连续采集24小时，观察数据有无变化；当数据变化小于5％，则记录的数据有效。
S140、根据获取的数据获得第一测试点和第二测试点之间的漏热量。
在上述低温输液管路漏热量检测系统进行漏热量测量的方法中，当需要测试其他温区，调节第三调节阀112和膨胀机构104进一步制冷达到测试温区，重复上述步骤进行测试；当需要对测试管的不同段进行测量时，将压力传感器30和温度传感器40对该段管的两端进行测量管内的流体性质，重复上述步骤，即可得到该两点所处段的测试漏热量；
该装置能对待测试低温输液管10进行替换测试，可对管段进行替换测试；更换测试管线重复上述步骤进行测试。
在上述低温输液管路漏热量测试的方法中，能简便精确地测试管道任意两点或者多点的焓值，得到该段管路的焓差，进而测得漏热量。该系统能简便地测试单通道管路、多通道管路及同轴型管路等复合型低温输液管路漏热量测试；以及测试不同状态(气相或者液相)的低温工质，测试温区能达到4.5K-300K。具有操作简单，测试精确，替换性强，成本廉价等优点。
低温输液管路漏热量测试系统及测量方法配合在低温制冷系统中，在低温系统运行中便能测试得到低温传输管线的漏热量。本测试系统测量输液管两端点的温度和压力来得到任意段的焓差值，进一步在前端通过第一流量计测试输液管内的质量流量，换算得到输液管任意段的漏热量。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种低温输液管路漏热量测试系统，其特征在于，包括：待测试低温输液管，设置在待测试低温输液管一端的低温制冷系统中的流量计，设置在待测试低温输液管上的温度传感器和压力传感器，所述温度传感器包括设置在第一测试点上的第一温度传感器和第二测试点上的第二温度传感器，所述压力传感器包括设置在第一测试点上的第一压力传感器和第二测试点上的第二压力传感器，所述温度传感器上设有防护罩，所述防护罩固定在待测试低温输液管上，且所述防护罩外环设有辐射冷屏，所述防护罩与所述辐射冷屏之间留有间隙，所述辐射冷屏表面设有绝热材料，根据所述流量计测得的质量流量、所述第一测试点的温度和压力及所述第二测试点的温度和压力获得待测试低温输液管上的所述第一测试点和所述第二测试点之间的漏热量：漏热量Q＝m0·(h1-h2)，其中，h1为第一测试点的焓值和h2为第二测试点的焓值，m0为流量计测得的质量流量。
2.根据权利要求1所述低温输液管路漏热量测试系统，其特征在于，所述防护罩为圆环形防护罩，待测试低温输液管上设有圆环形支撑件，所述辐射冷屏包裹在所述圆环形支撑件上，所述绝热材料包裹在所述辐射冷屏上，所述绝热材料套设有绝热层外管。
3.根据权利要求2所述低温输液管路漏热量测试系统，其特征在于，所述圆环形防护罩的径向宽度比所述温度传感器径向宽度大3-4mm，所述圆环形防护罩的轴向长度比所述温度传感器的轴向长度大3-4mm。
4.根据权利要求1所述低温输液管路漏热量测试系统，其特征在于，所述压力传感器通过引管与测试低温输液管连接。
5.根据权利要求4所述低温输液管路漏热量测试系统，其特征在于，所述引管的直径为4-8mm，所述引管的长度为15-30mm。
6.根据权利要求1所述低温输液管路漏热量测试系统，其特征在于，所述温度传感器的温度精度在±50mK以内，所述压力传感器的精度在±1000Pa以内。
7.根据权利要求1所述低温输液管路漏热量测试系统，其特征在于，待测试低温输液管上流入所述第一测试点的前端设有阀门控制膨胀制冷，用以调节管内流体的温度和流量。
8.根据权利要求1所述低温输液管路漏热量测试系统，其特征在于，待测试低温输液管内部的低温工质为液氦、液氢、甲烷、液氮或液氧。
9.根据权利要求1所述低温输液管路漏热量测试系统，其特征在于，待测试低温输液管的一端的低温制冷系统中管路上设有压缩机、多个调节阀、多个换热器、膨胀机构及杜瓦储罐。
10.一种采用权利要求1-9任意一项权利要求所述低温输液管路漏热量检测系统进行漏热量测量的方法，其特征在于，包括：
将低温制冷机调试到正常开机工况；
待低温制冷机达到待测试低温输液管的测温区，将待测试低温输液管的低温工质调节成测温区的单相流状态；
根据温度传感器和压力传感器的示数判断第一测试点和第二测试点的温差和压差是否达到预设阈值，如果是，开始记录数据，如果否，调整至第一测试点和第二测试点的温差和压差达到预设阈值后开始记录数据；
根据获取的数据计算第一测试点和第二测试点之间的漏热量。
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