CN112361209A - 一种液氮汽化稳压系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液氮汽化稳压系统，其中，增压液氮出液阀、空温汽化器、自增压调节阀形成增压回路，自增压液氮出液阀打开后，液氮储罐中的液氮经空温汽化器汽化为氮气后，经由控制液氮储罐气枕最终压力值的自增压调节阀后通入液氮储罐气枕内，实现自增压。该稳压系统用热交换的方法，满足大流量供气系统的液氮汽化和压力稳定，利用电加热方式为水浴汽化器供热，使液氮汽化后的氮气达到一定温度，并增加了压力和温度缓冲装置达到稳定压力和稳定温度的功能。

Description

一种液氮汽化稳压系统

技术领域

本发明涉及一种液氮汽化稳压系统，适用于各种大流量供气系统，属于低温系统控制领域。

背景技术

供气系统在试验中提供持续的、压力稳定的、温度适中的供气，以保证试验的正常进行。随着国防事业的发展，多种装备及试验系统对液氮供气的需求急剧增加。

供气系统一般有两种方式供气，一种供气方式为通过空气压缩机将空气压缩至压力容器内，再通过各级减压将供气压力调节至使用压力。另一种供气方式为利用液氮汽化方法将汽化后的氮气输送至使用终端。液氮汽化方式的供气系统通常由低温介质存储设备、管路、阀门和控制系统等组成。而液氮汽化后，供气压力变化急速，易产生压力波动，其压力稳定性和安全性是试验供气中非常重要的环节。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术中的上述不足和需求，本发明提出一种液氮汽化稳压系统，用热交换的方法，满足大流量供气系统的液氮汽化和压力稳定，利用电加热方式为水浴汽化器供热，使液氮汽化后的氮气达到一定温度，并增加了压力和温度缓冲装置达到稳定压力和稳定温度的功能。

(二)技术方案

一种液氮汽化稳压系统，包括液氮储罐、自增压液氮出液阀、液氮汽化出液阀、空温汽化器、自增压调节阀、第二放空阀、第二安全阀、低温氮气调节阀、第一放空阀、第一安全阀、液氮汽化调节阀、电加热水浴汽化器、第一温度变送器、电加热器、换热介质补液阀、第二温度变送器、缓冲装置、压力变送器、供气流量调节阀、第三温度变送器；其中，增压液氮出液阀、空温汽化器、自增压调节阀形成增压回路，自增压液氮出液阀打开后，液氮储罐中的液氮经空温汽化器汽化为氮气后，经由控制液氮储罐气枕最终压力值的自增压调节阀后通入液氮储罐气枕内，实现自增压。

液氮储罐还连接有热氮供气通路，所述热氮供气通路上自液氮储罐依次连接液氮汽化出液阀、液氮汽化调节阀、电加热水浴汽化器、缓冲装置，打开液氮汽化出液阀，液氮经由液氮汽化调节阀进行调节后进入电加热水浴汽化器进行加热，进而进入缓冲装置，所述缓冲装置用于稳定电加热汽化器产生的压力脉动以及氮气温度，最后自缓冲装置输出终端用气。

所述液氮汽化出液阀和液氮汽化调节阀之间的热氮供气通路上还连接有第一安全阀，所述第一安全阀与所述热氮供气通路之间还设有第一放空阀。

所述电加热水浴汽化器罐体上设置液氮进口、液氮出口和换热介质补液口，电加热水浴汽化器罐体上还设置有第一温度变送器；液氮自液氮进口进入电加热水浴汽化器中并由其底部设置的电加热器进行加热，第一温度变送器监测加热过程中换热介质的温度，换热介质的温度达到目标温度后，电加热器停止工作，液氮由液氮出口输出。

为降低电加热水浴汽化器漏热，在其筒体外部采取保温措施。

所述空温汽化器包括空温汽化液氮入口、空温汽化氮气第一出口、空温汽化氮气第二出口；在所述增压回路上，液氮自空温汽化液氮入口进入控温汽化器后再由空温汽化氮气第一出口流出，自空温汽化氮气第二出口连通有冷氮供气通路，所述冷氮供气通路经由低温氮气调节阀连通至缓冲装置。

所述空温汽化氮气第二出口与低温氮气调节阀之间的冷氮供气通路上还连接有第二安全阀，所述第二安全阀与所述冷氮供气通路之间还设有第二放空阀。

所述缓冲装置包括热氮入口、冷氮入口和出口；高温氮气由所述热氮供气通路经热氮入口进入缓冲装置，低温氮气由所述冷氮供气通路经冷氮入口进入缓冲装置，所述缓冲装置对所述稳压系统供气过程起到缓冲作用，使压力不产生波动，同时通入低温氮气与汽化后的高温氮气混合后，将氮气温度调节至终端用气所需温度后由出口排出。

所述出口至终端用气之间还依次设有供气流量调节阀和温度变送器；所述缓冲装置上还设有第二温度变送器和压力变送器。

一种液氮汽化稳压系统的操作方法，包括以下步骤：

S1.试验准备阶段：检查并确保低温氮气调节阀、液氮汽化调节阀、第一温度变送器、第二温度变送器、压力变送器、供气流量调节阀、第三温度变送器均正常；

S2.液氮储罐的预冷加注：打开各液氮储槽加注口以及放空口，先由上部进液，液氮汽化后的氮气经放空口排出，预冷完成后，关闭放空口，打开测满阀，再由下部进液为液氮储罐加注液氮；

S3.液氮储罐增压：打开自增压液氮出液阀，液氮经空温汽化器后汽化，调节自增压调节阀以调节氮气的增压压力，直至增压至目标压力值；

S4.供气通路内气体置换：打开液氮汽化出液阀、液氮汽化调节阀、供气流量调节阀，液氮储罐内的液氮经电加热水浴汽化器加热后，将供气通路内的空气置换为氮气，置换完成后，关闭供气流量调节阀；

S5.缓冲装置充压：打开自增压液氮出液阀，液氮储罐内的液氮经空温汽化器汽化后，调节低温氮气调节阀，为缓冲装置进行增压，同时监测压力变送器，达到压力目标值后，关闭供气流量调节阀；

S6.启动供气：打开供气流量调节阀，开始为终端供气，利用液氮汽化调节阀控制热氮供气通路的压力，利用第三温度变送器监测终端用气的氮气温度，利用低温氮气调节阀控制通入缓冲装置的低温氮气流量，调节供气氮气温度；

S7.供气结束：关闭液氮汽化调节阀，将所有供气通路内的压力泄压至常压，并关闭液氮汽化出液阀。

(三)有益效果

本发明的一种液氮汽化稳压系统，用热交换的方法，满足大流量供气系统的液氮汽化和压力稳定，利用电加热方式为水浴汽化器供热，使液氮汽化后的氮气达到一定温度，并增加了压力和温度缓冲装置达到稳定压力和稳定温度的功能。其中，液氮储罐通过空温汽化器自增压方式，为液氮储罐气枕增压。气枕压力将液氮排出，并通入水浴汽化器管程，管程内的液氮与水浴汽化器壳程中的高温液态介质进行换热，并汽化为高温氮气。液氮储罐出口处，配有低温氮气调节阀，氮气管路配有压力变送器和温度变送器，通过调整电动调节阀开度，控制所需汽化的液氮流量，从而达到供气压力可控的目的。液氮汽化后的氮气通入稳压系统的缓冲装置，缓冲装置为一套罐体结构。此时通入缓冲装置的氮气为高温氮气，如直接供至用气终端，将对终端设备产生不利因素，因此缓冲装置留有一路接口，将液氮储罐空温汽化器汽化后的低温氮气通入缓冲装置内，与水浴汽化器汽化后的高温氮气进行对流换热，最终将缓冲装置内的氮气温度降至常温或设备需要的冷氮气。因液氮汽化过程中，液氮汽化膨胀，引起供气管路中的压力呈正弦波形式波动。根据液氮汽化稳压系统总供气量，设计缓冲装置容积大小，缓冲装置罐体配有温度变送器，监测缓冲装置内氮气温度。通过温度反馈可以调节通入低温氮气量，达到稳定压力功能，同时稳定供气温度的功能。

附图说明

图1本发明的一种液氮汽化稳压系统结构原理图。

图2本发明的一种液氮汽化稳压系统工作流程图。

图中，1-液氮储罐；2-自增压液氮出液阀；3-液氮汽化出液阀；4-空温汽化器；4a-空温汽化液氮入口；4b-空温汽化氮气第一出口；4c-空温汽化氮气第二出口；5-自增压调节阀；6-第二放空阀；7-第二安全阀；8-低温氮气调节阀；9-第一放空阀；10-第一安全阀；11-液氮汽化调节阀；12-电加热水浴汽化器；液氮入口12a；液氮出口12b；13-第一温度变送器；14-电加热器；15-换热介质补液阀；16-第二温度变送器；17-缓冲装置；17a-热氮入口；17b-冷氮入口；18-压力变送器；19-供气流量调节阀；20-第三温度变送器。

具体实施方式

本发明的一种液氮汽化稳压系统，包括液氮储罐1、自增压液氮出液阀2、液氮汽化出液阀3、空温汽化器4、自增压调节阀5、第二放空阀6、第二安全阀7、低温氮气调节阀8、第一放空阀9、第一安全阀10、液氮汽化调节阀11、电加热水浴汽化器12、第一温度变送器13、电加热器14、换热介质补液阀15、第二温度变送器16、缓冲装置17、压力变送器18、供气流量调节阀19、第三温度变送器20；增压液氮出液阀2、空温汽化器4、自增压调节阀5形成增压回路，自增压液氮出液阀2打开后，液氮储罐1中的液氮经空温汽化器4汽化为氮气后，经由控制液氮储罐1气枕最终压力值的自增压调节阀5后通入液氮储罐1气枕内，实现自增压。

液氮储罐1还连接有热氮供气通路，所述热氮供气通路上自液氮储罐1依次连接液氮汽化出液阀3、液氮汽化调节阀11、电加热水浴汽化器12、缓冲装置17，打开液氮汽化出液阀3，液氮经由液氮汽化调节阀11进行调节后进入电加热水浴汽化器12进行加热，进而进入缓冲装置17，所述缓冲装置17用于稳定电加热汽化器12产生的压力脉动以及氮气温度，最后自缓冲装置17输出终端用气。

所述液氮汽化出液阀3和液氮汽化调节阀11之间的热氮供气通路上还连接有第一安全阀10，所述第一安全阀10与所述热氮供气通路之间还设有第一放空阀9。

所述电加热水浴汽化器12罐体上设置液氮进口12a、液氮出口12b和换热介质补液口15，电加热水浴汽化器12罐体上还设置有第一温度变送器13；液氮自液氮进口12a进入电加热水浴汽化器12中并由其底部设置的电加热器14进行加热，第一温度变送器13监测加热过程中换热介质的温度，换热介质的温度达到目标温度后，电加热器14停止工作，液氮由液氮出口12b输出。

为降低电加热水浴汽化器12漏热，在其筒体外部采取保温措施。

所述空温汽化器4包括空温汽化液氮入口4a、空温汽化氮气第一出口4b、空温汽化氮气第二出口4c；在所述增压回路上，液氮自空温汽化液氮入口4a进入控温汽化器4后再由空温汽化氮气第一出口4b流出，自空温汽化氮气第二出口4c连通有冷氮供气通路，所述冷氮供气通路经由低温氮气调节阀8连通至缓冲装置17。

所述空温汽化氮气第二出口4c与低温氮气调节阀8之间的冷氮供气通路上还连接有第二安全阀7，所述第二安全阀7与所述冷氮供气通路之间还设有第二放空阀6。

所述缓冲装置17包括热氮入口17a、冷氮入口17b和出口；高温氮气由所述热氮供气通路经热氮入口17a进入缓冲装置17，低温氮气由所述冷氮供气通路经冷氮入口17b进入缓冲装置17，所述缓冲装置17对所述稳压系统供气过程起到缓冲作用，使压力不产生波动，同时通入低温氮气与汽化后的高温氮气混合后，将氮气温度调节至终端用气所需温度后由出口排出。

所述出口至终端用气之间还依次设有供气流量调节阀19和温度变送器20。

所述缓冲装置17上还设有第二温度变送器16和压力变送器18。

供气前，先打开低温氮气调节阀8，将空温汽化器4输出的低温氮气为缓冲装置17增压至目标压力，然后关闭低温氮气调节阀8。供气时，电加热水浴汽化器12输出的高温氮气与缓冲装置17内预存的低温氮气混合，防止初始状态蓄能电加热汽化器12出口氮气温度过高，达到稳定氮气温度的效果。供气过程中，根据温度变送器20反馈温度值，调节低温氮气调节阀8，以控制通入缓冲装置17的低温氮气流量，达到温度调节的目的。

本发明的一种液氮汽化稳定系统的操作方法，包括以下步骤：

S1.试验准备阶段：检查并确保低温氮气调节阀8、液氮汽化调节阀11、第一温度变送器13、第二温度变送器16、压力变送器18、供气流量调节阀19、第三温度变送器20均正常；

S2.液氮储罐1的预冷加注：打开各液氮储槽加注口以及放空口，先由上部进液，液氮汽化后的氮气经放空口排出，预冷完成后，关闭放空口，打开测满阀，再由下部进液为液氮储罐1加注液氮；

S3.液氮储罐1增压：打开自增压液氮出液阀2，液氮经空温汽化器4后汽化，调节自增压调节阀5以调节氮气的增压压力，直至增压至目标压力值；

S4.供气通路内气体置换：打开液氮汽化出液阀3、液氮汽化调节阀11、供气流量调节阀19，液氮储罐1内的液氮经电加热水浴汽化器12加热后，将供气通路内的空气置换为氮气，置换完成后，关闭供气流量调节阀19；

S5.缓冲装置17充压：打开自增压液氮出液阀2，液氮储罐1内的液氮经空温汽化器4汽化后，调节低温氮气调节阀8，为缓冲装置17进行增压，同时监测压力变送器18，达到压力目标值后，关闭供气流量调节阀19；

S6.启动供气：打开供气流量调节阀19，开始为终端供气，利用液氮汽化调节阀11控制热氮供气通路的压力，利用第三温度变送器20监测终端用气的氮气温度，利用低温氮气调节阀8控制通入缓冲装置17的低温氮气流量，调节供气氮气温度；

S7.供气结束：关闭液氮汽化调节阀11，将所有供气通路内的压力泄压至常压，并关闭液氮汽化出液阀3。

Claims (10)

1.一种液氮汽化稳压系统，其特征在于，包括液氮储罐、自增压液氮出液阀、液氮汽化出液阀、空温汽化器、自增压调节阀、第二放空阀、第二安全阀、低温氮气调节阀、第一放空阀、第一安全阀、液氮汽化调节阀、电加热水浴汽化器、第一温度变送器、电加热器、换热介质补液阀、第二温度变送器、缓冲装置、压力变送器、供气流量调节阀、第三温度变送器；其中，增压液氮出液阀、空温汽化器、自增压调节阀形成增压回路，自增压液氮出液阀打开后，液氮储罐中的液氮经空温汽化器汽化为氮气后，经由控制液氮储罐气枕最终压力值的自增压调节阀后通入液氮储罐气枕内，实现自增压。

2.如权利要求1所述的一种液氮汽化稳压系统，其特征在于，液氮储罐还连接有热氮供气通路，所述热氮供气通路上自液氮储罐依次连接液氮汽化出液阀、液氮汽化调节阀、电加热水浴汽化器、缓冲装置，打开液氮汽化出液阀，液氮经由液氮汽化调节阀进行调节后进入电加热水浴汽化器进行加热，进而进入缓冲装置，所述缓冲装置用于稳定电加热汽化器产生的压力脉动以及氮气温度，最后自缓冲装置输出终端用气。

3.如权利要求2所述的一种液氮汽化稳压系统，其特征在于，所述液氮汽化出液阀和液氮汽化调节阀之间的热氮供气通路上还连接有第一安全阀，所述第一安全阀与所述热氮供气通路之间还设有第一放空阀。

4.如权利要求1所述的一种液氮汽化稳压系统，其特征在于，所述电加热水浴汽化器罐体上设置液氮进口、液氮出口和换热介质补液口，电加热水浴汽化器罐体上还设置有第一温度变送器；液氮自液氮进口进入电加热水浴汽化器中并由其底部设置的电加热器进行加热，第一温度变送器监测加热过程中换热介质的温度，换热介质的温度达到目标温度后，电加热器停止工作，液氮由液氮出口输出。

5.如权利要求4所述的一种液氮汽化稳压系统，其特征在于，为降低电加热水浴汽化器漏热，在其筒体外部采取保温措施。

6.如权利要求2所述的一种液氮汽化稳压系统，其特征在于，所述空温汽化器包括空温汽化液氮入口、空温汽化氮气第一出口、空温汽化氮气第二出口；在所述增压回路上，液氮自空温汽化液氮入口进入控温汽化器后再由空温汽化氮气第一出口流出，自空温汽化氮气第二出口连通有冷氮供气通路，所述冷氮供气通路经由低温氮气调节阀连通至缓冲装置。

7.如权利要求6所述的一种液氮汽化稳压系统，其特征在于，所述空温汽化氮气第二出口与低温氮气调节阀之间的冷氮供气通路上还连接有第二安全阀，所述第二安全阀与所述冷氮供气通路之间还设有第二放空阀。

8.如权利要求7所述的一种液氮汽化稳压系统，其特征在于，所述缓冲装置包括热氮入口、冷氮入口和出口；高温氮气由所述热氮供气通路经热氮入口进入缓冲装置，低温氮气由所述冷氮供气通路经冷氮入口进入缓冲装置，所述缓冲装置对所述稳压系统供气过程起到缓冲作用，使压力不产生波动，同时通入低温氮气与汽化后的高温氮气混合后，将氮气温度调节至终端用气所需温度后由出口排出。

9.如权利要求8所述的一种液氮汽化稳压系统，其特征在于，所述出口至终端用气之间还依次设有供气流量调节阀和温度变送器；所述缓冲装置上还设有第二温度变送器和压力变送器。

10.如权利要求9所述的一种液氮汽化稳压系统的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.试验准备阶段：检查并确保低温氮气调节阀、液氮汽化调节阀、第一温度变送器、第二温度变送器、压力变送器、供气流量调节阀、第三温度变送器均正常；

S2.液氮储罐的预冷加注：打开各液氮储槽加注口以及放空口，先由上部进液，液氮汽化后的氮气经放空口排出，预冷完成后，关闭放空口，打开测满阀，再由下部进液为液氮储罐加注液氮；

S3.液氮储罐增压：打开自增压液氮出液阀，液氮经空温汽化器后汽化，调节自增压调节阀以调节氮气的增压压力，直至增压至目标压力值；

S4.供气通路内气体置换：打开液氮汽化出液阀、液氮汽化调节阀、供气流量调节阀，液氮储罐内的液氮经电加热水浴汽化器加热后，将供气通路内的空气置换为氮气，置换完成后，关闭供气流量调节阀；

S5.缓冲装置充压：打开自增压液氮出液阀，液氮储罐内的液氮经空温汽化器汽化后，调节低温氮气调节阀，为缓冲装置进行增压，同时监测压力变送器，达到压力目标值后，关闭供气流量调节阀；

S6.启动供气：打开供气流量调节阀，开始为终端供气，利用液氮汽化调节阀控制热氮供气通路的压力，利用第三温度变送器监测终端用气的氮气温度，利用低温氮气调节阀控制通入缓冲装置的低温氮气流量，调节供气氮气温度；

S7.供气结束：关闭液氮汽化调节阀，将所有供气通路内的压力泄压至常压，并关闭液氮汽化出液阀。

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