賴歡,陳振華,高榮,陳萬華,劉秀芳,侯予

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安;2.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計(jì)及測試技術(shù)研究所,621000,四川綿陽)

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大型高速低溫風(fēng)洞冷量回收的方法研究

賴歡1,2,陳振華2,高榮2,陳萬華2,劉秀芳1,侯予1

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安;2.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計(jì)及測試技術(shù)研究所,621000,四川綿陽)

為提高低溫風(fēng)洞排氣冷量的綜合利用和節(jié)能減排,實(shí)現(xiàn)大型低溫風(fēng)洞科學(xué)建設(shè),分析了目前大型低溫設(shè)備冷量回收利用的現(xiàn)狀和方法;針對低溫風(fēng)洞高雷諾數(shù)試驗(yàn)運(yùn)行中排氣系統(tǒng)的工作流程和特點(diǎn),對大型高速低溫風(fēng)洞排氣冷量進(jìn)行了初步計(jì)算,結(jié)合當(dāng)前低溫工質(zhì)氣化冷量回收技術(shù)方案的流程分析和國內(nèi)外低溫系統(tǒng)冷量回收利用的技術(shù)特點(diǎn),對低溫風(fēng)洞液氮噴霧制冷后冷量回收與高效利用的方法和可行性進(jìn)行了初步研究。綜合考慮技術(shù)難度和投資經(jīng)濟(jì)性,提出了通過蓄冷設(shè)備、空分裝置、固態(tài)氮制取進(jìn)行冷量回收的3種主要技術(shù)途徑。分析結(jié)果表明:采用蓄冷設(shè)備需要周邊用冷設(shè)備支持,回收效率低;利用空分裝置無需額外投資,經(jīng)濟(jì)性較好;固態(tài)氮制取回收效率高,硬件投資大,經(jīng)濟(jì)性較差。通過合理調(diào)整風(fēng)洞試驗(yàn)流程,選取合適的技術(shù)方案,可以實(shí)現(xiàn)大型低溫風(fēng)洞的冷量回收。

低溫風(fēng)洞;液氮噴霧;冷量回收

低溫風(fēng)洞利用降低氣流溫度的方法達(dá)到提高風(fēng)洞雷諾數(shù)模擬的目的,是工程上實(shí)現(xiàn)高雷諾數(shù)模擬的最佳方案。對于大型低溫工程,采用噴入液氮、利用液氮潛熱進(jìn)行快速降溫是最經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的途徑[1]。目前,世界上兩座大型的生產(chǎn)型跨聲速低溫風(fēng)洞——美國國家跨聲速風(fēng)洞(NTF)和歐洲跨聲速風(fēng)洞(ETW)均利用液氮噴射制冷實(shí)現(xiàn)低溫運(yùn)行,兩座風(fēng)洞的最大液氮消耗量分別為420和250 kg·s-1。氣化后的氮?dú)馔ㄟ^排氣塔排入大氣,排氣溫度最低可達(dá)-183 ℃[2]。為了避免低溫氮?dú)鈱ε艢馑車諝庠斐衫湮廴?NTF和ETW風(fēng)洞均采用燃?xì)饧訜峥諝馀c低溫氮?dú)饣旌?將排氣溫度提高至0 ℃以上。在復(fù)溫階段,低溫氮?dú)馀c高溫空氣混合,被加熱到常溫,直接排入大氣。為了獲得高溫空氣,必須燃燒很多的燃料,對能源造成了巨大的浪費(fèi)。

當(dāng)前,可持續(xù)經(jīng)濟(jì)建設(shè)對傳統(tǒng)能源的使用、綠色能源再生和能源循環(huán)利用提出了更高的環(huán)保指標(biāo)。對于大型的熱能設(shè)備,如熱電站,要求對排放的蒸汽、冷卻水等必須采取熱能回收措施,減少對環(huán)境的熱污染[3]。同樣,對于大型低溫設(shè)備,如液化天然氣(LNG)流程、環(huán)境模擬設(shè)備等,必須保證制冷循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)不對環(huán)境造成冷污染。目前,對于大型低溫工程,如LNG氣化站,液化天然氣氣化復(fù)熱至常溫(25 ℃)將釋放大約8×105J·kg-1的冷量。提高大型低溫設(shè)備排放的冷量利用率,已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)[4]。大型高速低溫風(fēng)洞,在設(shè)計(jì)和建設(shè)時(shí)應(yīng)充分考慮運(yùn)行的合理性、經(jīng)濟(jì)性和安全性,實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行、節(jié)能減排。文獻(xiàn)[5]對大型低溫風(fēng)洞設(shè)計(jì)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析,認(rèn)為低溫風(fēng)洞排氣冷量的處理和回收利用是風(fēng)洞科學(xué)建設(shè)、節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

由于低溫風(fēng)洞運(yùn)行模式的特殊性,其冷量回收存在很大的困難,目前相關(guān)方面的研究報(bào)道較少[6]。為了實(shí)現(xiàn)低溫風(fēng)洞的科學(xué)建設(shè),本文針對低溫風(fēng)洞排氣系統(tǒng)的工作流程和特點(diǎn),對大型高速低溫風(fēng)洞排氣冷量進(jìn)行計(jì)算,對低溫風(fēng)洞排氣冷量的回收與高效利用可行性進(jìn)行了初步的研究,提出了可以通過蓄冷設(shè)備、空分裝置、固態(tài)氮制取進(jìn)行冷量回收的技術(shù)途徑。

1 低溫風(fēng)洞運(yùn)行模式介紹

圖1是典型的液氮噴射制冷的低溫風(fēng)洞原理圖。通過液氮泵將液氮從低溫儲(chǔ)槽中注入風(fēng)洞回路,對氣流和模型進(jìn)行降溫,通過風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)獲得試驗(yàn)需求的風(fēng)速(馬赫數(shù)),通過排氣控制閥門控制氮?dú)獾呐欧帕髁?獲得試驗(yàn)所需的氣流壓力。

圖1 低溫風(fēng)洞原理圖

對于大型低溫風(fēng)洞,試驗(yàn)過程中必須持續(xù)不斷地向風(fēng)洞內(nèi)注入液氮以平衡風(fēng)洞驅(qū)動(dòng)氣流做功帶來的熱量;同時(shí),持續(xù)氣化的液氮轉(zhuǎn)變成低溫氮?dú)鈺r(shí)將帶來約800倍的體積膨脹量。為了保持試驗(yàn)正常的總壓值不變,必須持續(xù)不斷地將氣化的低溫氮?dú)馀懦龆大w。低溫氮?dú)馊糁苯优湃氪髿?會(huì)在排氣塔周邊造成低溫氮?dú)獾某练e、起霧、濕空氣結(jié)冰,進(jìn)而破壞局部環(huán)境和天氣。因此,對低溫風(fēng)洞排氣冷量進(jìn)行回收處理是非常必要的。

2 國內(nèi)外冷量回收的現(xiàn)狀

與低溫風(fēng)洞類似具有大量冷量釋放的低溫系統(tǒng)集中在天然氣行業(yè)。液化天然氣復(fù)溫至室溫氣態(tài)時(shí),會(huì)排出大量的冷能。20世紀(jì)90年代以來,LNG工業(yè)得到廣泛應(yīng)用和高速成長,在一次能源結(jié)構(gòu)中已約占24%。天然氣氣化冷量應(yīng)用于聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)、熱泵等方面已成為各國競相開發(fā)的研究熱點(diǎn)[7]。

2.1 LNG冷量回收利用現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代末,國際上開始關(guān)注LNG冷量回收利用的可行性研究,日本和韓國是開展液化天然氣冷量回收研究起步較早的國家,已有20多年的歷史[4]。主要分為以下幾類:①供LNG岸基接收站自身使用,利用氣化冷量冷卻熱空氣進(jìn)行綜合發(fā)電;②外部工廠貨物冷卻系統(tǒng)集成使用,對食品冷藏系統(tǒng)進(jìn)行供冷[8];③作為氣體分離及液化設(shè)備換熱器冷量輸入[9];④用于海水淡化[10]和石油化工系統(tǒng)[11-12];⑤為建筑空調(diào)設(shè)備提供冷源[13]。近年來,國際上對于LNG冷量回收利用的研究主要集中在如何高效利用LNG,優(yōu)化燃?xì)獍l(fā)電熱力學(xué)循環(huán)流程,提高電站發(fā)電效率,減少CO2的排放[3]。

進(jìn)入21世紀(jì)以來,關(guān)注可持續(xù)發(fā)展、加強(qiáng)資源節(jié)約型循環(huán)經(jīng)濟(jì)的開發(fā)成為能源開發(fā)的導(dǎo)向標(biāo)。對于LNG冷量綜合回用主要采取閃蒸汽冷凝回收、氣體分離供冷、工業(yè)物料低溫破碎、海水淡化、干冰生產(chǎn)等技術(shù)方案。上海小洋山陸上液化天然氣基站針對上海周邊LNG冷量綜合使用制定了開發(fā)計(jì)劃,約70%的冷量將供周邊空氣分離站和聯(lián)合燃?xì)庋h(huán)發(fā)電站使用[14-15]。

2.2 低溫風(fēng)洞冷量利用現(xiàn)狀

由于低溫風(fēng)洞運(yùn)行的特殊性,其冷量的釋放與LNG接收站的冷量排放有所不同:一是隨試驗(yàn)工況的變化,排氣流量在10～300 kg·s-1浮動(dòng),排氣壓力在15～45 kPa波動(dòng),表現(xiàn)出較強(qiáng)的冷量參數(shù)波動(dòng)性;二是隨實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的變化,設(shè)備運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)集中期和空閑期,一年中不同時(shí)段的冷量排放量也不相同。冷量值的不穩(wěn)定性是低溫風(fēng)洞進(jìn)行冷量回收的最大難點(diǎn)。作為目前世界上僅有的兩座生產(chǎn)型低溫高雷諾數(shù)跨聲速風(fēng)洞,NTF和ETW都曾經(jīng)嘗試進(jìn)行排氣冷量的回收。NTF曾考慮采用帶液膨脹機(jī)方案液化風(fēng)洞排放的低溫氮?dú)?。理論分析表?該方案回收效率主要取決于帶液膨脹機(jī)效率,可以達(dá)到12%～18%[16],但在NTF引導(dǎo)風(fēng)洞進(jìn)行的縮尺驗(yàn)證表明,回收率僅約10%。由于回收效率低于期望值,NTF建設(shè)時(shí)沒有采用該回收方案。ETW的液氮通過商業(yè)公司采購,沒有配套的空分設(shè)備,周邊也沒有大型冷量利用設(shè)施,因此冷量回收利用僅限于部分回收,將風(fēng)洞預(yù)冷階段的排氣冷量引入模型準(zhǔn)備間,對模型進(jìn)行預(yù)冷處理,冷量的利用率較低。試驗(yàn)期間排放的大量冷量,從環(huán)?？紤]進(jìn)行了加熱復(fù)溫處理,避免環(huán)境污染。

3 低溫風(fēng)洞冷量回收潛在途徑

對于大型低溫風(fēng)洞,盡管冷量排放存在非持續(xù)性、瞬時(shí)冷量大、冷量波動(dòng)等特點(diǎn),但由于試驗(yàn)工況和運(yùn)行時(shí)間在較長的一段時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定的,其運(yùn)行工況周期性重復(fù)。因此,其冷量的排放量是可以預(yù)估的。低溫風(fēng)洞冷量回收利用的關(guān)鍵是:①確定冷量輸出量;②尋找穩(wěn)定的用冷設(shè)備;③采用可行的技術(shù)途徑;④對經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評估。

3.1 低溫風(fēng)洞排放冷量的估算

由于低溫風(fēng)洞對液氮的需求極大,一般在低溫風(fēng)洞附近直接建設(shè)一套空分設(shè)備,專為風(fēng)洞供給液氮。NTF配套的空分系統(tǒng)液氮產(chǎn)出量為430 t·d-1。工作時(shí)液氮最大流量可達(dá)450 kg·s-1,在排氣溫度為110 K時(shí),最大排氣流量約為425 kg·s-1。ETW沒有配置專用的空分系統(tǒng),通過商業(yè)氣體公司購買液氮,轉(zhuǎn)注儲(chǔ)存在3 000 m3的液氮儲(chǔ)罐中,維持試驗(yàn)的需要,液氮年平均消耗約為30～50 kt。

3.1.1 預(yù)冷階段 預(yù)冷階段風(fēng)洞在低馬赫數(shù)下運(yùn)行,液氮小流量注入風(fēng)洞內(nèi),吸收風(fēng)扇作功產(chǎn)生的熱量,并對風(fēng)洞內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行降溫,利用氣化的氮?dú)鈱Χ大w內(nèi)濕氣進(jìn)行置換。該過程液氮的消耗量較小,其潛熱用于抵消風(fēng)扇作功轉(zhuǎn)換的熱能,顯熱用于對洞體內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行降溫。為了避免結(jié)構(gòu)件因溫度快速下降產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力,預(yù)冷階段的降溫速率一般控制在1 K·min-1,降溫持續(xù)時(shí)間約為2～3 h。該階段排氣溫度隨著風(fēng)洞洞體溫度的下降而線性下降并達(dá)到設(shè)定值(如110 K),最終排氣溫度、排氣流量恒定。這一階段的排氣冷量具有流量恒定和溫度線性下降的特點(diǎn),與預(yù)冷進(jìn)程同步一致。在風(fēng)洞預(yù)冷階段,處于試驗(yàn)準(zhǔn)備階段的模型也必須預(yù)冷到試驗(yàn)溫度。因此,該階段的排氣可以引入到模型準(zhǔn)備間對模型進(jìn)行同步預(yù)冷,達(dá)到冷量部分回收利用的目的。

3.1.2 試驗(yàn)階段 試驗(yàn)階段,液氮處于大流量消耗階段。液氮潛熱平衡風(fēng)扇作功,氣流溫度維持在工作設(shè)定溫度,液氮噴射流量約為0.5～280 kg·s-1。氣化后低溫氮?dú)飧鶕?jù)試驗(yàn)工況的不同將維持在90～200 K,經(jīng)排氣系統(tǒng)排出風(fēng)洞,該階段排氣冷量主要為氮?dú)獾娘@熱。按ETW風(fēng)洞設(shè)計(jì)工況考慮,運(yùn)行速度為0.9 Ma,排氣溫度為110 K,排氣壓力為4.5×105Pa,排氣質(zhì)量流量約為271.4 kg·s-1。氮?dú)獗榷▔簾崛輈p=1.165 8×103J/(kg·K)。考慮將氮?dú)鈴?fù)溫至288.15 K(15 ℃)的常溫,忽略氮?dú)馕镄噪S溫度的非線性,該工況下排氣冷量約為56 368.41 kJ·s-1(56 368.41 kW)[2]。表1～表3分別給出了排氣溫度在110、150和200 K時(shí),典型運(yùn)行工況下估算的排氣冷量。

3.1.3 回溫階段 風(fēng)洞回溫階段將停止噴射液氮,

表1 典型工況排氣溫度110 K時(shí)的冷量估算

表2 典型工況排氣溫度150 K時(shí)的冷量估算

表3 典型工況排氣溫度200 K時(shí)的冷量估算

利用風(fēng)扇怠速運(yùn)行發(fā)熱對洞體進(jìn)行緩慢回溫。若風(fēng)洞回溫階段安排在常溫工況以后,則該階段不存在冷量排氣,可以不考慮冷量回收。若風(fēng)洞回溫階段安排在低溫(如110 K)運(yùn)行之后,由于不再噴入液氮,排氣溫度回溫流程線性升溫,同樣可以將該階段的氣體引入模型更換間進(jìn)行同步回溫。因此,可視為無額外冷量排放,不需要回收冷量。

3.1.4 風(fēng)洞排氣冷量預(yù)估 選取風(fēng)洞設(shè)計(jì)工況點(diǎn),排氣溫度為110 K,運(yùn)行馬赫數(shù)為0.9,排氣總壓為4.5×105Pa,回收溫度為288.15 K,按照風(fēng)洞每天有效試驗(yàn)時(shí)間2 h估算,風(fēng)洞排氣冷量約為

Qe=Pet

(1)

式中:Qe為排氣冷量,kJ;Pe為排氣功率,kW;t時(shí)間,7 200 s。計(jì)算得Qe=405 852.552 MJ。

3.2 周邊冷量利用設(shè)備分析

3.2.1 大型建筑空調(diào)系統(tǒng) 低溫風(fēng)洞作為重要的國家級設(shè)備,必然依托航空航天部門進(jìn)行建設(shè)。美國NTF風(fēng)洞就位于蘭利宇航中心,與周邊的其他風(fēng)洞形成配套的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芰?。ETW建設(shè)地點(diǎn)位于科隆,毗鄰德國宇航中心,與其他大型風(fēng)洞配套形成完整的飛行器試驗(yàn)?zāi)芰ΑＲ虼?可以考慮將低溫風(fēng)洞排氣冷量引入周邊建筑空調(diào)制冷系統(tǒng),降低電制冷比例,節(jié)約能耗。以一幢12層的都市普通建筑為例,其建筑面積約為15 000 m2,制冷需求約為10 000 m2,圖2給出了空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗分布。如圖所示,城市空調(diào)系統(tǒng)在5月～11月為制冷運(yùn)行期,8月為高峰期,最高能耗約為3×105kW·h,月平均能耗1.5×105kW·h。單體建筑空調(diào)系統(tǒng)的制冷需求約為650 kW[14],按每天空調(diào)運(yùn)行時(shí)間12 h估算,完全回收風(fēng)洞每天的排氣冷量,需要14.5座該級別的單體建筑。

圖2 單體建筑全年空調(diào)能耗分布圖

圖3是設(shè)想的用于空調(diào)系統(tǒng)的多級換熱蓄冷原理圖。通過多級換熱器,利用中間冷媒蓄能,將排氣冷量回收用于空調(diào)冷卻水系統(tǒng),減少空調(diào)系統(tǒng)制冷機(jī)組的運(yùn)行,節(jié)約電能消耗。在該模式下,風(fēng)洞試驗(yàn)的高峰期應(yīng)與空調(diào)系統(tǒng)的使用期同步?？蓪⒃囼?yàn)高峰期安排在每年的7～9月份,使得排氣冷量與空調(diào)需求相匹配。

圖3 多級換熱器蓄能系統(tǒng)原理圖

該方案能有效利用周邊用冷設(shè)備,僅需增加空調(diào)2級蓄冷換熱裝置,經(jīng)濟(jì)性較好,缺點(diǎn)是受制于風(fēng)洞建設(shè)地點(diǎn)氣候條件,且必須提前規(guī)劃和核算低溫風(fēng)洞建設(shè)地點(diǎn)周邊建筑用冷量,回收利用率低。

3.2.2 空分設(shè)備 作為大型低溫風(fēng)洞,由于液氮消耗量較大,一般會(huì)就近建設(shè)全液體空分設(shè)備,生產(chǎn)液氮提供風(fēng)洞試驗(yàn)所需。目前大多數(shù)全液體空分設(shè)備采用空氣膨脹制冷流程。圖4是帶增壓透平膨脹機(jī)和制冷機(jī)組的空分裝置[17],通過主換熱器將原料空氣冷卻至100 K左右送入精餾塔獲取液體產(chǎn)品。主換熱器冷量源自工藝流程中引回的級間氮?dú)狻a(chǎn)品級低溫氮?dú)?、產(chǎn)品級低溫氧氣以及膨脹后的低溫空氣。將低溫排氣冷量作為主換熱器的一種冷量來源,將減少產(chǎn)品氧、氮和返流氣體的使用和膨脹機(jī)組的運(yùn)行氣量,能耗將大大降低。圖5是改進(jìn)的將風(fēng)洞排氣系統(tǒng)冷量引入主換熱器的空分流程[18]。

圖4 空氣循環(huán)膨脹制冷流程

圖5 利用排氣冷量的空分流程

按ETW風(fēng)洞液氮需求估算,需配置10 kN·m3/h的全液體空分設(shè)備,液氮的產(chǎn)出能耗需求約為400 W/kg。由于空分設(shè)備為不間斷工作制,因此可以通過蓄冷的方式將試驗(yàn)期間的排氣冷量儲(chǔ)存,再通過空分設(shè)備進(jìn)行回收利用。

與采用空調(diào)系統(tǒng)回收冷量不同,空分設(shè)備回收冷量,需將風(fēng)洞的運(yùn)行安排日均到全年,避免風(fēng)洞最高試驗(yàn)條件下的集中排冷,緩解蓄冷裝置的壓力。該方案充分利用風(fēng)洞配套用冷設(shè)備實(shí)現(xiàn)液氮回收,無需增加額外的硬件設(shè)備,經(jīng)濟(jì)性較好,缺點(diǎn)是風(fēng)洞排氣冷量的不穩(wěn)定性對空分設(shè)備冷媒切換和調(diào)峰能力要求較高,技術(shù)難度較大。

3.2.3 固態(tài)氮冷量回收 低溫風(fēng)洞工作氣體為氮?dú)?在冷量回收過程中,若氮?dú)獠槐晃廴?并進(jìn)入循環(huán)利用的工作流程,即可節(jié)約氮的用量。若將排氣考慮為熱媒,則可以通過更低溫度的冷媒對排氣進(jìn)行降溫液化處理,達(dá)到回收利用的效果。固態(tài)氮蓄冷回收氮?dú)夥桨傅幕驹硎且怨虘B(tài)氮為蓄冷工質(zhì),利用固態(tài)氮與風(fēng)洞排出冷氣(熱媒)進(jìn)行充分熱交換,將排出的氮?dú)饫鋮s、液化回收,可以部分替代低溫風(fēng)洞配套的空分設(shè)備。圖6是固態(tài)氮冷量回收原理圖,由固態(tài)氮制備、真空維持、氮?dú)庖夯?部分組成。來自風(fēng)洞排氣系統(tǒng)的低溫氮?dú)庠诠虘B(tài)氮儲(chǔ)槽中與固態(tài)氮及過冷液氮進(jìn)行充分換熱,氣氮冷卻獲得液氮,固態(tài)氮吸熱融化獲得液氮,通過低溫泵送入液氮儲(chǔ)槽中,達(dá)到循環(huán)利用的目的。從固態(tài)氮頂部抽取的氣氮通過低溫真空泵送回緩沖罐,經(jīng)過低溫壓縮機(jī)壓縮、膨脹機(jī)膨脹冷卻、主換熱器冷卻、冷箱液化,最終還原為液氮。

圖6 固態(tài)氮冷量回收原理圖

圖7 氮的飽和溫度-壓力曲線

由圖7可知,當(dāng)儲(chǔ)罐壓力持續(xù)下降時(shí),液氮的飽和溫度也持續(xù)下降,隨著液氮的蒸發(fā)吸熱,儲(chǔ)槽內(nèi)溫度降低。利用液氮在真空狀態(tài)下?lián)]發(fā)吸熱,降低剩余液氮溫度,凝固成固態(tài)氮。通過低溫真空泵持續(xù)抽取,維持固態(tài)氮儲(chǔ)槽壓力在負(fù)壓狀態(tài)。當(dāng)液氮蒸發(fā)吸熱使得剩余的液氮溫度降低至凝固溫度63.15 K以下時(shí),得到固態(tài)氮。將儲(chǔ)槽壓力維持在8 kPa下,固態(tài)氮吸收來自低溫風(fēng)洞排氣系統(tǒng)的氮?dú)鉄崃?熔化為液氮,再進(jìn)一步通過液氮與尾氣進(jìn)行換熱,將尾氣溫度降低至飽和溫度77.66 K,此時(shí)儲(chǔ)槽壓力上升至0.105 MPa。整個(gè)換熱需維持冷端液氮不氣化。固態(tài)氮熔點(diǎn)溫度為61.06 K,熔化熱r為62.773×103J/kg,比定壓熱容為1.052 9×103J/(kg·K),熔化溫差約為2.09 K。液態(tài)氮比定壓熱容為2.13×103J/(kg·K),換熱溫差ΔTv約為14.51 K。在該過程中,作為冷媒的固體氮變?yōu)檫^冷液氮,不產(chǎn)生氣化,作為熱媒的風(fēng)洞尾氣冷卻成過冷氮?dú)?進(jìn)入氮?dú)庖夯鞒?。參與換熱的固態(tài)氮貢獻(xiàn)的冷量為

Q=m(r+ΔTmcps+ΔTvcpl)

(2)

式中:Q為固態(tài)氮提供的冷量,kJ;m為固態(tài)氮質(zhì)量,kg;ΔTm為熔化溫差,2.09 K;cps為固態(tài)氮比定壓熱容,1.0529×103J/(kg·K);cpl為液態(tài)氮比定壓熱容,2.13×103J/(kg·K)。

由式(2)估算可得單位質(zhì)量的固態(tài)氮提供的冷量為95.88 kJ。同樣以風(fēng)洞設(shè)計(jì)點(diǎn)工況進(jìn)行排氣量估算,排氣溫度為110 K,運(yùn)行馬赫數(shù)為0.9,排氣總壓為4.5×105Pa,排氣流量為271.41 kg·s-1,排氣回收至飽和溫度的溫差為32.34 K,運(yùn)行時(shí)間為2 h,需要的冷量為

(3)

由式(3)計(jì)算得所需最大冷量為73 675 383.9 kJ,需要制備的固態(tài)氮約為768 412 kg。

采用固態(tài)氮回收風(fēng)洞排氣冷量,不會(huì)對原有風(fēng)洞配套設(shè)施造成影響,且液氮回收利用率高。缺點(diǎn)是固態(tài)氮的制備和儲(chǔ)存工藝還不成熟,技術(shù)難度高,硬件投資額度較大。

4 結(jié)束語

低溫風(fēng)洞排氣冷量的回收利用存在冷量巨大、短時(shí)輸出高、運(yùn)行波動(dòng)大等難點(diǎn),其回收技術(shù)途徑還處在探索階段。通過對目前LNG冷量回收利用系統(tǒng)和固態(tài)氮蓄能技術(shù)的分析,低溫風(fēng)洞冷量回收還應(yīng)加強(qiáng)以下幾方面的研究:

(1)對低溫風(fēng)洞運(yùn)行流程和試驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行詳細(xì)核算,確定冷量排放的峰值、日時(shí)均值和年排放總量,確定冷量回收的輸入?yún)?shù);

(2)對風(fēng)洞周邊潛在的用冷設(shè)備,特別是空分系統(tǒng)的用冷核算、固態(tài)氮制備和存儲(chǔ)工藝進(jìn)行深入研究和優(yōu)化;

(3)對回收方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評估,特別是蓄能設(shè)備的投資規(guī)模和回報(bào)率。

通過以上分析可知,低溫風(fēng)洞的冷量回收在技術(shù)上是可行的,在當(dāng)今能源短缺和環(huán)境友好性可持續(xù)發(fā)展的要求下,冷量回收利用也是必要的。通過合理配置冷量回收裝置,充分利用周邊的用冷設(shè)備,可以實(shí)現(xiàn)低溫風(fēng)洞排氣冷量的高效回收利用。

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(編輯 杜秀杰)

Cold Energy Recycle from Cryogenic Wind Tunnel Exhaust System

LAI Huan1,2,CHEN Zhenhua2,GAO Rong2,CHEN Wanhua2,LIU Xiufang1,HOU Yu1

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Facility Design and Instrumentation Institute, China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang, Sichuan 621000, China)

To promote the usage of potential cold energy from exhaust system of cryogenic wind tunnel, realize scientific construction and energy saving, the status and methods of cold energy recycle are discussed. The operating processes and features of exhaust system in high Reynolds number testing are introduced and the cold energy from cryogenic wind tunnel exhaust system is calculated preliminarily. Based on the process analysis of oversea cold energy recycle schemes from cryogenic fluids gasification and the technical features of domestic cold energy recycle schemes, the recovery and efficient utilization of cold energy from liquid nitrogen spray cooling in cryogenic wind tunnel are studied. Considering the technology feasibility and economical efficiency, three expected cryogenic energy recycle schemes are provided, including a storage of the exhaust energy for civil air-conditioning, re-liquefying the gaseous nitrogen through an air separation process and using solid nitrogen as the cooling source. The advantages and disadvantages of the above-mentioned three approaches are analyzed. The first scheme has a low recycling rate because of the necessary additional cold-consuming equipment; the second scheme has an acceptable recycling rate and a good economical efficiency without additional investment; the third scheme has a good recycling rate but the further higher investment. Thus an appropriate recycle scheme and a reasonable wind tunnel testing process are important for cryogenic wind tunnel exhaust energy recycling.

cryogenic wind tunnel; liquid nitrogen; cold energy recycle

2016-01-24。 作者簡介:賴歡(1981—),男,碩士生;侯予(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51406160);中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M560773);中國科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目(CRYO201409);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(2012JDGZ03)。

時(shí)間:2016-03-11

10.7652/xjtuxb201606021

TB69

A

0253-987X(2016)06-0136-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160311.1715.004.html