CN114562836A - 压力和过冷度可控的小型过冷液氮获取装置 - Google Patents

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    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus

Abstract

一种压力和过冷度可控的小型过冷液氮获取装置，包括：液氮杜瓦、换热盘管、电机执行机构、流量调节阀、PLC控制器、浮球液位计、液氮加注排气一体口、液氮储罐和增压气瓶，其中：换热盘管和浮球液位计设置于液氮杜瓦内，液氮储罐、增压气瓶和流量调节阀依次连接至液氮杜瓦，电机执行机构与换热盘管相连，PLC控制器采集浮球液位计信号，液氮加注排气一体口设置于液氮杜瓦上。本装置可为相关实验研究及应用提供压力及过冷度可控的过冷液氮输出，具有安装简便易操作且工作稳定的特点。

Description

压力和过冷度可控的小型过冷液氮获取装置
技术领域
本发明涉及的是一种低温过冷实验领域的技术，具体涉及一种压力和过冷度可控的小型过冷液氮获取装置。
背景技术
现有低温过冷实验多采用液氮作为冷却介质，在维持压力的情况下，通过引入外部冷源与带压液氮进行间壁式换热，使得带压液氮的温度降到77K附近，达到过冷目的。但现有技术均无法通过简洁的结构获得过冷度和压力都独立可控的过冷液氮，更不能实现对液氮温度和压力的独立控制。
发明内容
本发明针对现有技术无法对过冷度进行精确控制且不具备液位高度控制的不足，提出一种压力和过冷度可控的小型过冷液氮获取装置，可为相关实验研究及应用提供压力及过冷度可控的过冷液氮输出，具有安装简便易操作且工作稳定的特点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种压力和过冷度可控的小型过冷液氮获取装置，包括：液氮杜瓦、换热盘管、电机执行机构、流量调节阀、PLC控制器、浮球液位计、液氮加注排气一体口、液氮储罐和增压气瓶，其中：换热盘管和浮球液位计设置于液氮杜瓦内，液氮储罐、增压气瓶和流量调节阀依次连接至液氮杜瓦，电机执行机构与换热盘管相连，PLC控制器采集浮球液位计信号，液氮加注排气一体口设置于液氮杜瓦上。
所述的增压气瓶用于释放带压气体，挤压液氮储罐内的液氮，提供稳定压力的液氮输出。
所述的换热盘管的上、下游分别设有第一和第二温度传感器、第一和第二压力传感器，用于监测过冷液氮流的入口和出口温度与压力状态；在过冷液氮的上游，进一步设有低温调节阀，通过节流降压原理，用于调节所需过冷液氮的输送流量和输送压力；在低温调节阀的上游，进一步设有第三压力传感器，用于监测上游液氮源压力的供应稳定性。
所述的液氮杜瓦设有顶盖，浮球阀液位计的杆穿过液氮杜瓦的顶盖，并在外部光栅传感器，得到液氮杜瓦内的液位高度。
所述的液氮杜瓦上设有柔性管路，待冷却的液氮在柔性管路内流动，该柔性管路穿过液氮杜瓦的顶盖进入液氮杜瓦内之后与换热盘管连通，经换热器冷却，从换热盘管的另一端经由第二柔性管路穿过液氮杜瓦顶盖，进一步与绝热输液管相连，实现过冷液体的获取和对外输送。
所述的换热盘管通过丝杆与电机执行机构相连，该丝杆穿仓液氮杜瓦的顶盖。
所述的电机执行机构包括电机和丝杆，通过电机驱动丝杆的转动，实现换热盘管在高度上的调节。
所述的液氮杜瓦内充注一定量的常压定温液氮作为消耗性冷源，由PLC控制器采集液位高度，同时采集电机执行机构的高度位置信息，计算两者之间的相对高度坐标差值，根据预先标定的高度坐标差值、流量(与第三压力传感器和第一压力传感器之间的差值成正比)、实际过冷度参量之间的对应关联式，以实际过冷度和设定过冷度之间的偏差作为目标函数，采用PID算法经电机执行机构调整盘管换热器的高度，最终实现过冷温度的精确控制，获得所需过冷度的液氮流体。
所述的绝热输液管采用真空夹套保护的低温输液管方式，绝热性能好，结构紧凑，以维持过冷液氮的状态。
技术效果
本发明基于浮球液位计实时监测液位高度联合电机执行机构调节根据盘管换热器浸没液氮内的高度(换热面积)，并结合流量变量之间相关联从而实现液氮流过冷度精确调控，使得液氮过冷度的调节既自适应不同流速的液氮管流工况，也无需担心液氮杜瓦内冷源液氮随时间改变的液面位置。其更加智能或者说适用能力更强。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图中：1增压气瓶、2液氮储罐、3低温调压阀、4低温阀前压力传感器、5液氮入口压力传感器、6液氮出口压力传感器、7盘管换热器、8步进电机、9液位浮球、10液位导杆、11液位指示器、12液氮杜瓦、13、14第一、第二温度传感器、15真空绝热管、16液氮补液口、17 PLC控制器。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种压力和过冷度均可控的小型过冷液氮获取和输送装置，包括：液氮杜瓦12以及分别与之相连的液氮源和真空绝热管15，其中：液氮杜瓦12内设有液位浮球9和高度可调的盘管换热器7，通过控制器17采集液位高度实现对液氮源的启闭以及盘管换热器7的上下位移，从而控制盘管换热器7与液氮杜瓦12内部常压液氮的换热面积，从而得到不同过冷度的液氮流体。
所述的液氮源包括：依次相连的增压气瓶1、液氮储罐2和低温调压阀3，其中：低温调压阀3分别与液氮杜瓦12的输入端以及控制器17相连并接收控制指令。
所述的高度可调，通过设置于液氮杜瓦12外部的步进电机8与盘管换热器7相连，步进电机8接收来自控制器17的指令实现正反转动，从而控制盘管换热器7在液氮杜瓦12内的深度。
所述的液位浮球9与设置于液氮杜瓦12外部的液位指示器11相连。
所述的增压气瓶1用于控制液氮储罐2内压力恒定，由于液氮储罐2内压力恒定，低温调压阀4前的液氮压力基本保持恒定。
所述的液位浮球9为中空不锈钢材质，壁厚很薄，在液氮中具有较大浮力，在液氮温度下也不会发生形变，可带动所述液位导杆10随液氮面的上升而上升，间接反映液氮杜瓦12内常压液氮的液位。
所述的液位导杆开孔内壁与液位导杆10表面皆经抛光处理，二者接触面光滑，其摩擦力可忽略不计，避免了开孔内壁与液位导杆10摩擦力太大导致所述液位导杆10移动距离不精准而降低测量的准确性以及实时性。
低温调压阀3前，杜瓦液氮入口以及换热杜瓦液氮出口均设有压力计4、5、6，所测得电压信号经PLC控制器17处理后输出至控制器17。通过调节氮气钢瓶1向液氮瓶2的增压压力，保证后者的出口压力即压力计4读数为目标液氮输出压力的1.5倍以上；压力计6的读数作为目标输出压力；将压力计4与压力计6之间的差值作为调节函数，通过PID控制算法由PLC控制器17发送模拟量信号给低温调压阀3进行动态调节，来获得稳定的出口压力(压力计6读数)。
所述的液氮杜瓦12的液氮入口和液氮出口均设有铂电阻的温度传感器13、14，通过预先记录所测量的盘管换热器垂直升降高度与液氮杜瓦液氮入口和液氮出口液氮温度的关系，拟合得出关系曲线，通过控制器17向步进电机8输出模拟量信号控制盘管换热器7浸没液氮杜瓦12内常压液氮的深度，并通过PID控制算法实时调节模拟量信号来获得稳定的出口温度。
所述的液氮杜瓦液氮12出口通过KF法兰与真空绝热管15连接，真空绝热管15分外层管道和内层管道，外层管道和内层管道之间为真空层，使得真空套管出口液氮温度与第二温度传感器14所测温度一致，提高液氮的控温精度。
经过具体实际实验，在液氮杜瓦内的常压液氮储液高度于200mm到420mm之间缓慢变化，待冷管内液氮体积流率于0.2～4.8L/min范围的具体环境设置下，运行上述装置，能够实现设定过冷度-13.1℃～-0.5℃之间的可控输出，控制精度达±0.3℃。
与现有技术相比，本装置技术效果包括：
1)无需采用低温液体泵(有技术难度，不成熟，成本高，使用寿命不长)即可实现带压过冷液氮的输送。
2)通过进出口压力差与流量调节阀开度PID负反馈动态调节的方法，实现了上游压力浮动工况下，下游输出液氮流体的压力可控和控制稳定性。
3)在液氮杜瓦的盘管换热器与常压液氮换热，无论是杜瓦，还是盘管换热器都简单易得，可实现性好。
4)杜瓦内的液氮补加操作方便，可保证系统连续稳定运行，不受冷却液体量限制。
5)通过步进电机控制盘管换热器浸入常压液氮的深度，可以方便地实现对液氮平过冷度水平。
综上，本装置克服了传统相关技术不可动态调节的问题，而且实现了不同体积流率实现自适配，过冷度控制精度从±1℃以上提升到±0.3℃。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种压力和过冷度可控的小型过冷液氮获取装置，其特征在于，包括：液氮杜瓦、换热盘管、电机执行机构、流量调节阀、PLC控制器、浮球液位计、液氮加注排气一体口、液氮储罐和增压气瓶，其中：换热盘管和浮球液位计设置于液氮杜瓦内，液氮储罐、增压气瓶和流量调节阀依次连接至液氮杜瓦，电机执行机构与换热盘管相连，PLC控制器采集浮球液位计信号，液氮加注排气一体口设置于液氮杜瓦上。
2.根据权利要求1所述的压力和过冷度可控的小型过冷液氮获取装置，其特征是，所述的增压气瓶用于释放带压气体，挤压液氮储罐内的液氮，提供稳定压力的液氮输出。
3.根据权利要求1所述的压力和过冷度可控的小型过冷液氮获取装置，其特征是，所述的换热盘管的上、下游分别设有第一和第二温度传感器、第一和第二压力传感器，用于监测过冷液氮流的入口和出口温度与压力状态；在过冷液氮的上游，进一步设有低温调节阀，通过节流降压原理，用于调节所需过冷液氮的输送流量；在低温调节阀的上游，进一步设有第三压力传感器，用于监测上游液氮源压力的供应稳定性。
4.根据权利要求1所述的压力和过冷度可控的小型过冷液氮获取装置，其特征是，所述的液氮杜瓦设有顶盖，浮球阀液位计的杆穿过液氮杜瓦的顶盖，并在外部光栅传感器，得到液氮杜瓦内的液位高度。
5.根据权利要求1所述的压力和过冷度可控的小型过冷液氮获取装置，其特征是，所述的液氮杜瓦上设有柔性管路，待冷却的液氮在柔性管路内流动，该柔性管路穿过液氮杜瓦的顶盖进入液氮杜瓦内之后与换热盘管连通，经换热器冷却，从换热盘管的另一端经由第二柔性管路穿过液氮杜瓦顶盖，进一步与绝热输液管相连，实现过冷液体的获取和对外输送。
6.根据权利要求1所述的压力和过冷度可控的小型过冷液氮获取装置，其特征是，所述的换热盘管通过电机执行机构穿仓并固定在液氮杜瓦的顶盖上，该电机执行机构包括电机和丝杆，通过电机驱动丝杆的转动，实现换热盘管在高度上的调节。
7.根据权利要求1所述的压力和过冷度可控的小型过冷液氮获取装置，其特征是，所述的液氮杜瓦内充注一定量的常压定温液氮作为消耗性冷源，由PLC控制器采集液位高度，同时采集电机执行机构的高度位置信息，计算两者之间的相对高度坐标差值，根据预先标定的高度坐标差值、流量(与第三压力传感器和第一压力传感器之间的差值成正比)、实际过冷度参量之间的对应关联式，以实际过冷度和设定过冷度之间的偏差作为目标函数，采用PID算法经电机执行机构调整盘管换热器的高度，最终实现过冷温度的精确控制，获得所需过冷度的液氮流体。
8.根据权利要求1所述的压力和过冷度可控的小型过冷液氮获取装置，其特征是，所述的绝热输液管采用真空夹套保护的低温输液管方式，绝热性能好，结构紧凑，以维持过冷液氮的状态。
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