廖 明，李宇辰，劉 剛，唐淋偉

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000)

1 前 言

高低溫試驗(yàn)設(shè)備主要根據(jù)降溫溫度、降溫速率、總制冷量等需求選擇不同的制冷工藝。例如采用一級(jí)壓縮制冷方案可降溫至-40℃，采用復(fù)疊式蒸汽壓縮制冷方案可降溫至-80℃。部分降溫區(qū)間更低的環(huán)境試驗(yàn)室采用空氣制冷循環(huán)可以滿足0～-140℃的降溫要求[1]。由于液氮安全性較高、經(jīng)濟(jì)性較好，工程中常采用液氮制冷的方式實(shí)現(xiàn)-196℃降溫需求，同時(shí)液氮降溫也常用于更低溫度區(qū)間如液氫、液氦低溫區(qū)的預(yù)冷。在實(shí)際應(yīng)用中，大連冰山生產(chǎn)的醫(yī)用低溫箱復(fù)疊制冷系統(tǒng)采用R404A/R508作為高低溫級(jí)制冷劑，可使0.5 m3箱體內(nèi)部達(dá)到-50～-80℃，實(shí)現(xiàn)低溫貯藏功能。華陰低溫環(huán)境試驗(yàn)室采用空氣制冷作為制冷方案，室內(nèi)有效容積為480 m3，試驗(yàn)室從15℃降到-55℃的空載降溫時(shí)間為7.5 h，60 t試件滿載降溫時(shí)間為14.5 h。中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的0.3 m連續(xù)式跨聲速低溫風(fēng)洞采用液氮噴射蒸發(fā)冷卻降溫+低溫壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)低溫氮?dú)饬鲃?dòng)制冷的方式，試驗(yàn)段總溫范圍為110～323 K，馬赫數(shù)范圍0.15～1.3。上海交通大學(xué)研制了一套低溫環(huán)境模擬艙設(shè)備，該設(shè)備艙室內(nèi)部的溫度調(diào)節(jié)范圍為-20～50℃，溫度均勻度±2℃以內(nèi)，溫度波動(dòng)度±1℃以內(nèi)。該艙室工作時(shí)內(nèi)部為氦氣，通過液氮蒸發(fā)冷卻與熱沉完成對流及輻射換熱將內(nèi)部空間溫度控制在(-171±3)℃，通過低溫氦氣與熱沉完成對流及輻射換熱將艙室溫度穩(wěn)定至(-208±8)℃[2-3]。

某低溫環(huán)境試驗(yàn)室艙室容積大于40 m3，工作溫度為110～293 K，試驗(yàn)室相關(guān)設(shè)備研制沒有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和設(shè)計(jì)手冊可以遵循，多個(gè)配套設(shè)備都必須非標(biāo)設(shè)計(jì)。工藝流程設(shè)計(jì)是低溫環(huán)境試驗(yàn)室設(shè)計(jì)的核心，文中主要闡述了工藝流程設(shè)計(jì)。

2 試驗(yàn)室主要技術(shù)指標(biāo)

試驗(yàn)艙室空間為5.4 m×4.3 m×2 m；艙室內(nèi)氣體在60 min可降溫至110 K，在60 min內(nèi)可從低溫回溫至293 K；艙室內(nèi)試驗(yàn)件重量為600 kg，最大厚度不超過50 mm，試驗(yàn)件在120 min內(nèi)可降溫至110 K，在120 min內(nèi)可由低溫回溫至273 K；試驗(yàn)室恢復(fù)至常溫常壓狀態(tài)時(shí)，人員可進(jìn)出試驗(yàn)室。

3 工藝流程設(shè)計(jì)

3.1 制冷方式分析

本環(huán)境試驗(yàn)室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)范圍為110～293 K，最低溫達(dá)到了液氮溫區(qū)制冷區(qū)，而空氣制冷與復(fù)疊式蒸汽壓縮制冷不能達(dá)到降溫要求，因此擬采用液氮作為冷源[4]。目前低溫絕熱結(jié)構(gòu)、液氮加注及噴射等裝置的制造工藝較為成熟[5]，采用液氮作為冷源的方案除降溫指標(biāo)需求外，還具有較高的可行性，同時(shí)設(shè)備現(xiàn)場具有大型液氮生產(chǎn)及儲(chǔ)存裝置，采用該方案還可節(jié)約建設(shè)成本。

采用液氮作為冷源的制冷方式主要有兩種。一種是采用液氮噴射的方式，在試件表面及室內(nèi)空氣中噴射液氮，利用液氮蒸發(fā)潛熱與顯熱實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)件及室溫的快速降溫。該方案制冷原理相對簡單，但由于液氮蒸發(fā)潛熱巨大，試驗(yàn)件降溫速率過快導(dǎo)致試驗(yàn)件脆性增加，容易造成工件開裂，不符合本設(shè)備研制要求。另一種是通過液氮與氮?dú)饣蚋稍锟諝庠趽Q熱器中完成換熱，向室內(nèi)輸送低溫氣體來實(shí)現(xiàn)降溫。該方案可通過調(diào)節(jié)換熱器內(nèi)液氮及氣體流量實(shí)現(xiàn)液氮的完全氣化并輸送溫差可控的氣體。同時(shí)換熱器內(nèi)采用干燥空氣，降溫過程中不用置換干燥空氣就可避免試件及試驗(yàn)室內(nèi)壁表面結(jié)霜，這樣升溫后人員也能正常進(jìn)入試驗(yàn)室完成操作。該方案滿足試驗(yàn)室功能需求，本設(shè)備采用該制冷方案完成工藝流程設(shè)計(jì)。

3.2 工藝流程設(shè)計(jì)

環(huán)境試驗(yàn)室工藝流程如圖1所示，其工作原理為：液氮引自2000 m3液氮儲(chǔ)槽，采用低溫液氮泵輸送液氮至15 m3液氮穩(wěn)壓罐，再由液氮穩(wěn)壓罐通過擠壓供液的方式送到液氮換熱器中。室內(nèi)干燥空氣通過低溫風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)送到液氮換熱器，液氮供應(yīng)系統(tǒng)將液氮輸送到液氮蒸發(fā)冷卻機(jī)組，液氮在換熱器中蒸發(fā)吸熱，通過間壁換熱器換熱使空氣溫度下降，然后低溫空氣通過送風(fēng)管道送到室內(nèi)進(jìn)行降溫。液氮換熱器排出的低溫氮?dú)馔ㄟ^排放管道引到排氣塔加熱后集中排放。試驗(yàn)室采用電加熱空氣完成回溫。

圖1 工藝流程圖

該型低溫環(huán)境試驗(yàn)室由液氮供應(yīng)系統(tǒng)、空氣處理系統(tǒng)、鋼結(jié)構(gòu)及保溫系統(tǒng)、測控系統(tǒng)四個(gè)部分組成。液氮供應(yīng)系統(tǒng)的主要功能是對液氮換熱器供應(yīng)液氮及排放氮?dú)??？諝馓幚硐到y(tǒng)的主要功能是完成試驗(yàn)室內(nèi)空氣干燥、降溫、升溫等任務(wù)，并根據(jù)室內(nèi)氣壓變化情況完成補(bǔ)風(fēng)或排風(fēng)，確保室內(nèi)壓力與外部環(huán)境成微正壓。鋼結(jié)構(gòu)及保溫系統(tǒng)的主要功能是承載試驗(yàn)室結(jié)構(gòu)重量并與外部常溫環(huán)境保持絕熱，確保試驗(yàn)室內(nèi)部表面不結(jié)霜，外部表面不結(jié)露。測控系統(tǒng)的主要功能是對儀表、電氣設(shè)備狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)中閥門、泵等設(shè)備的自動(dòng)控制。

3.3 典型工藝流程分析

3.3.1液氮供應(yīng)工藝流程

液氮供應(yīng)系統(tǒng)的工藝流程為：設(shè)備預(yù)冷→供液→設(shè)備吹除復(fù)溫。

預(yù)冷前應(yīng)完成系統(tǒng)氣密性檢查、氮?dú)馇逑创党?。預(yù)冷工藝中，先預(yù)冷液氮離心泵，再預(yù)冷外線、液氮管路和液氮穩(wěn)壓罐，最后預(yù)冷液氮換熱器。

試驗(yàn)過程中，根據(jù)液氮穩(wěn)壓罐液位高度及所需要供液壓力計(jì)流量參數(shù)需求，可選擇采用液氮泵供液，或利用液氮穩(wěn)壓罐擠壓供液方式供液。

試驗(yàn)完成后需要對管路吹除復(fù)溫時(shí)，由現(xiàn)場配氣臺(tái)對液氮穩(wěn)壓罐前的供液管路進(jìn)行氮?dú)獯党?、?fù)溫。

3.3.2空氣處理工藝流程

空氣處理系統(tǒng)的典型工藝流程為：干燥空氣置換→液氮蒸發(fā)冷卻干燥空氣降溫→回溫。

試驗(yàn)室降溫前室內(nèi)通入干燥空氣完成氣體置換，待室內(nèi)露點(diǎn)達(dá)到-60℃指標(biāo)后，停止干燥開始降溫。為避免空氣中二氧化碳在極低溫下凝固，堵塞換熱器等設(shè)備，干燥空氣過程中還應(yīng)凈化空氣中的二氧化碳，干燥空氣生產(chǎn)設(shè)備借鑒空分純化系統(tǒng)中的吸附原理，采用變壓吸附技術(shù)可得到超低露點(diǎn)、低二氧化碳濃度的空氣。

液氮供應(yīng)系統(tǒng)完成準(zhǔn)備工作后，按流程對液氮換熱器提供液氮。為確保試驗(yàn)件能及時(shí)降溫并達(dá)到指標(biāo)要求，干燥空氣出口溫度應(yīng)比指標(biāo)要求更低。降溫過程中為充分利用液氮蒸發(fā)潛熱，確保液氮完全氣化，同時(shí)避免干燥空氣被液化，應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)閥門開度，確保干燥空氣出口溫度不低于95 K。待試驗(yàn)件內(nèi)部傳感器檢測到溫度達(dá)到要求后停止降溫。

完成低溫試驗(yàn)后利用電加熱器進(jìn)行升溫，待試件及室內(nèi)溫度高于293 K后停止升溫，人員可進(jìn)入試驗(yàn)室完成試驗(yàn)件更換。此外，在升降溫過程中為了維持室內(nèi)微正壓，試驗(yàn)室需要具備降溫過程中補(bǔ)充干燥氣，升溫過程中排氣的功能。

4 主要設(shè)備計(jì)算

4.1 保溫結(jié)構(gòu)計(jì)算

按照GB 50264—2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，在該溫度區(qū)間下可采用高密度聚異腈脲酸酯(HD-PIR)作為絕熱材料。平面型單層防結(jié)露保冷層厚度δ計(jì)算公式如下：

(1)

式中，K為保冷厚度修正系數(shù)，取K=1.3；λ為絕熱材料在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，λ=0.017 W/(m·K)；as為保冷結(jié)構(gòu)表面換熱系數(shù)，as=8.141 W/(m2·K)；Ts=Td+3為絕熱保溫結(jié)構(gòu)外壁溫度，Td為露點(diǎn)溫度10℃；T0為絕熱材料與氣流接觸表面溫度；Ta為絕熱結(jié)構(gòu)外表面環(huán)境溫度。

計(jì)算得到δ=68 mm?？紤]HD-PIR材料導(dǎo)熱系數(shù)隨服役年限增加而增加，參考相似設(shè)備絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6]，設(shè)計(jì)厚度為160 mm。

4.2 制冷量計(jì)算

試驗(yàn)室內(nèi)冷負(fù)荷Q來源主要是室內(nèi)試驗(yàn)件降溫冷負(fù)荷Q1、干燥空氣降溫冷負(fù)荷Q2以及保溫絕熱結(jié)構(gòu)漏冷量Q3。

Q1=mcΔT/t

(2)

式中,△T=293-110=183 K，304 L不銹鋼熱容c在溫度區(qū)間內(nèi)取平均值0.4 kJ·kg-1·K-1，試驗(yàn)件降溫冷負(fù)荷Q1=6.1 kW。

Q2=m·Cp·ΔT/t，

(3)

視空氣為理想氣體，查表計(jì)算得95 K時(shí)空氣密度ρ為3.72 kg/m3，干空氣比熱容Cp為1064 J·kg-1·K-1，室內(nèi)及管道容積取53 m3，計(jì)算得Q2=10.8 kW。

(4)

式中，k為傳熱系數(shù);a1為低溫干燥空氣與絕熱層表面的對流換熱系數(shù)，參考文獻(xiàn)[7-9]，取a1=25 W/(m·K)；δ為絕熱材料厚度，δ=0.16 m；依照標(biāo)準(zhǔn)GB 50264—2013，取λ=0.035 W/(m·K)，a2=8.141 W/(m·K)；試驗(yàn)室內(nèi)部及送風(fēng)管道絕熱結(jié)構(gòu)表面積A為130 m2；計(jì)算得k=0.211 W/(m2·K)，Q3=5.4 kW。

由于試驗(yàn)室與外界相分隔的密封門、風(fēng)機(jī)及換熱器絕熱結(jié)構(gòu)漏熱量較大，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，同時(shí)絕熱結(jié)構(gòu)老化會(huì)使保冷能力變?nèi)酰虼讼到y(tǒng)制冷量應(yīng)保留一定的裕量，取30%裕量系數(shù)，Q0=1.3Q。

4.3 風(fēng)量計(jì)算

4.4 換熱器結(jié)霜分析

換熱器內(nèi)干燥空氣在常壓下露點(diǎn)不高于-60℃，含水量不高于0.011 g/m3。降溫過程中換熱器內(nèi)翅片管壁面溫度低于-60℃，因此翅片管外表面會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。降溫過程中室內(nèi)送風(fēng)為循環(huán)送風(fēng)加補(bǔ)風(fēng)方式，為維持室內(nèi)微正壓，干燥空氣補(bǔ)風(fēng)量不超過200 m3，因此干燥空氣中水分總量固定。經(jīng)計(jì)算換熱器內(nèi)部霜層總重量不大于2.8 g，由于換熱器面積大于50 m2，換熱器迎風(fēng)面霜層厚度較小，霜層對總換熱系數(shù)及通風(fēng)阻力的影響較小，可忽略換熱器內(nèi)霜層厚度。

5 結(jié) 語

根據(jù)某低溫環(huán)境試驗(yàn)室運(yùn)行工況、經(jīng)濟(jì)性及安全性要求，設(shè)計(jì)了液氮蒸發(fā)冷卻干燥空氣、低溫干燥空氣降溫、電加熱器回溫的工藝流程方案，綜合分析了工藝流程中關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，完善了系統(tǒng)功能性設(shè)計(jì)，完成了主要設(shè)備參數(shù)計(jì)算，可供相關(guān)設(shè)備工藝流程設(shè)計(jì)作為參考。