李兆堅(jiān) 邱一男 徐元元 鄭 直 何 仁

（航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京特種工程設(shè)計(jì)研究院 北京 100028）

1 引 言

低溫環(huán)境可以對(duì)航天、航空、兵器、車輛和電子儀器等設(shè)備和裝備的工作性能和工作可靠性產(chǎn)生不利影響[1]。深冷低溫環(huán)境是太空的基本環(huán)境條件之一,因此在航天產(chǎn)品和裝備的研制和驗(yàn)收過(guò)程中都需要進(jìn)行低溫環(huán)境試驗(yàn)。大型低溫環(huán)境模擬試驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱低溫環(huán)境室）是在室內(nèi)大空間中人工模擬出低溫環(huán)境、進(jìn)行大型設(shè)備或裝備的低溫環(huán)境適應(yīng)性和可靠性試驗(yàn)的重要設(shè)施。低溫環(huán)境室的室內(nèi)外空氣溫濕度等環(huán)境參數(shù)存在很大差異,因此其室內(nèi)通常需要保持高于室外的正壓,以防止室外空氣滲入室內(nèi)影響室內(nèi)環(huán)境條件,避免低溫系統(tǒng)出現(xiàn)結(jié)霜凍堵等故障。但如果室內(nèi)正壓過(guò)高,會(huì)對(duì)低溫環(huán)境室的結(jié)構(gòu)帶來(lái)安全隱患,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成低溫環(huán)境室圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞的安全事故,另外也會(huì)增加系統(tǒng)的新風(fēng)量,使運(yùn)行能耗和費(fèi)用大幅度增加?？梢?jiàn)低溫環(huán)境室室內(nèi)正壓的合理控制是維持室內(nèi)低溫環(huán)境的一個(gè)基本條件,也是直接關(guān)系到低溫環(huán)境室安全性、運(yùn)行能耗和費(fèi)用的一個(gè)重要問(wèn)題。

以往在低溫環(huán)境室室內(nèi)正壓設(shè)計(jì)時(shí),其室內(nèi)氣壓均按均勻假設(shè)來(lái)考慮,室內(nèi)正壓測(cè)控點(diǎn)通常設(shè)置在下部,室內(nèi)正壓通常控制在5—10 Pa 的范圍內(nèi),室內(nèi)正壓的安全防護(hù)通常按200 Pa 設(shè)計(jì)[2]。但大型低溫環(huán)境室的豎向空間高大,室內(nèi)空氣密度大大高于室外空氣,其室內(nèi)氣壓沿豎向會(huì)出現(xiàn)顯著變化,因此有必要對(duì)其豎向氣壓變化規(guī)律及對(duì)設(shè)計(jì)工作的影響進(jìn)行分析,但以往沒(méi)有相關(guān)研究的文獻(xiàn)報(bào)道。本研究對(duì)大型低溫環(huán)境室在不同室溫下的室內(nèi)氣壓分布情況進(jìn)行分析,為大型低溫環(huán)境室的室內(nèi)正壓設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

2 大型低溫環(huán)境室豎向壓力分布的計(jì)算方法

由于低溫環(huán)境室對(duì)室內(nèi)溫度的均勻度要求較高,可假設(shè)室內(nèi)溫度是均勻的,同時(shí)假設(shè)其室外空氣溫度也是均勻的,低溫環(huán)境室室內(nèi)空間的高度為H。為確保低溫環(huán)境室室內(nèi)全部空間維持正壓,將低溫環(huán)境室的室內(nèi)正壓控制點(diǎn)設(shè)置在頂部,并維持5 Pa 的微正壓,則頂部的室內(nèi)氣壓為:

式中:PHn為低溫環(huán)境室室內(nèi)頂部的氣壓,Pa;PHw為低溫環(huán)境室頂部室外的氣壓,Pa。

室內(nèi)豎向氣壓分布:

室外豎向氣壓分布:

式中:Phn和Phw分別為離地面高度為h處的室內(nèi)和室外氣壓,Pa;h為距離地面的高度,m;ρn和ρw分為室內(nèi)和室外的空氣密度,kg/m3;g為重力加速度,其值為9.8 N/kg。

高度為h處的室內(nèi)正壓:

式中:ΔPh為距地面高度為h 處的室內(nèi)正壓（即室內(nèi)外壓差）,Pa。

其中空氣密度與溫度和氣壓有關(guān),在深冷低溫接近液化溫度的狀態(tài)下,采用理想氣體狀態(tài)方程來(lái)計(jì)算空氣密度會(huì)出現(xiàn)一定偏差,筆者以理想氣體狀態(tài)方程為基礎(chǔ),采用對(duì)低溫工況下的計(jì)算偏差進(jìn)行擬合修正的方法,得到多溫區(qū)的空氣密度計(jì)算公式如下:

式中:ρ為空氣密度,kg/m3;P為空氣絕對(duì)壓力,Pa;T為空氣溫度,K;XT為實(shí)際氣體修正系數(shù)。

其中XT的計(jì)算公式如下:

經(jīng)與相關(guān)數(shù)據(jù)[3]的對(duì)比分析,在80 K 至400 K的溫度范圍內(nèi),該空氣密度算法的平均相對(duì)誤差為0.08%,可以滿足相關(guān)研究的精度要求。

根據(jù)上述計(jì)算方法,可以得到低溫環(huán)境室在不同室內(nèi)溫度下不同高度的室內(nèi)正壓值。

3 大型低溫環(huán)境室豎向壓力分布算法的驗(yàn)證

理論計(jì)算方法的準(zhǔn)確性需要得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證,采用某大型低溫環(huán)境室的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)上述計(jì)算方法的計(jì)算準(zhǔn)確性進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,結(jié)果見(jiàn)表1,其中大氣壓力采用當(dāng)?shù)叵募臼彝獯髿鈮毫4]。由表1 可見(jiàn),該低溫環(huán)境室下部正壓的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差為5.9%,可見(jiàn)該計(jì)算方法具有較高的計(jì)算準(zhǔn)確度。由表1 的實(shí)測(cè)值可見(jiàn),大型低溫環(huán)境室豎向壓力差較大,在室溫為-55 ℃、高度為21 m 時(shí)可達(dá)到85 Pa,其底部室內(nèi)正壓值遠(yuǎn)超過(guò)以往室內(nèi)正壓的設(shè)計(jì)值范圍:5—10 Pa[2]。

表1 某低溫環(huán)境室室內(nèi)豎向氣壓變化的計(jì)算與測(cè)試結(jié)果對(duì)比表Table 1 Comparison table of calculation and test results of indoor vertical air pressure variation in a cryogenic environmental chamber

4 大型低溫環(huán)境室豎向壓力分布特點(diǎn)計(jì)算分析

采用上述計(jì)算方法,對(duì)某大型深冷低溫環(huán)境室室內(nèi)豎向壓力分布進(jìn)行計(jì)算分析,以考察在不同室溫下大型低溫環(huán)境室室內(nèi)豎向正壓的分布情況,計(jì)算條件如下:

室外溫度為30 ℃,氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓:101 330 Pa。大型低溫環(huán)境室的室內(nèi)空間高度為20 m。降溫過(guò)程中低溫環(huán)境室的室溫是不斷下降的,室溫按30 ℃、10 ℃、-30 ℃、-55 ℃、-100 ℃、-165 ℃這6 種情況分別計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、圖1 和圖2。

表2 某大型低溫環(huán)境室在不同室溫下室內(nèi)正壓變化的計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of positive pressure changes in a large-scale cryogenic environmental chamber at different indoor air temperatures

圖1 某大型低溫環(huán)境室在不同室溫下的室內(nèi)豎向正壓分布圖Fig.1 Indoor vertical positive pressure distribution diagram of a large-scale cryogenic environmental chamber at different indoor air temperatures

圖2 某大型低溫環(huán)境室的室溫與上下氣壓差的關(guān)系圖Fig.2 Relationship between indoor air temperature and air pressure difference between top and bottom in a large-scale cryogenic environmental chamber

由圖1 和表2 可見(jiàn),在低溫環(huán)境試驗(yàn)時(shí),大型低溫環(huán)境室的室內(nèi)正壓在豎向呈現(xiàn)出上低下高的線性分布,上下正壓差與室溫和高度兩個(gè)參數(shù)有關(guān)。在室溫不變的情況下,低溫環(huán)境室的室內(nèi)空間高度越高,其上下正壓差就越大,呈線性相關(guān)。由圖2 可見(jiàn),室溫對(duì)大型低溫環(huán)境室豎向正壓變化的影響很大,在降溫過(guò)程中隨著室溫不斷下降,大型低溫環(huán)境室上下正壓差不斷增大,兩者呈非線性的關(guān)系?？梢?jiàn)大型低溫環(huán)境室的室內(nèi)正壓呈現(xiàn)出豎向的不均勻性和降溫過(guò)程不斷變化的不穩(wěn)定性的兩大特點(diǎn)。

5 大型低溫試驗(yàn)室室內(nèi)正壓設(shè)計(jì)問(wèn)題分析

（1）大型低溫環(huán)境室或深冷低溫環(huán)境室的室內(nèi)豎向正壓差很大,在設(shè)計(jì)時(shí)不能忽略不計(jì)

以往在低溫環(huán)境室室內(nèi)正壓設(shè)計(jì)時(shí)通常假設(shè)室內(nèi)全空間的正壓是相同的,以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作。但上述計(jì)算分析結(jié)果表明,大型低溫環(huán)境室或深冷低溫環(huán)境室的室內(nèi)豎向正壓差很大,在20 m 的高度上,室溫為-55 ℃時(shí),豎向正壓差達(dá)到89 Pa,室溫為-165 ℃時(shí),豎向正壓差更是高達(dá)421 Pa,每米的正壓差就達(dá)到21 Pa,因此在大型低溫環(huán)境室或深冷低溫環(huán)境室的正壓控制設(shè)計(jì)時(shí),必須仔細(xì)考慮豎向正壓變化問(wèn)題,否則低溫環(huán)境室正壓設(shè)計(jì)將無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果,甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重的安全問(wèn)題。

（2）室內(nèi)正壓測(cè)量控制點(diǎn)的位置和參數(shù)控制范圍

為了方便安裝檢修,以往低溫環(huán)境室的室內(nèi)正壓測(cè)量控制點(diǎn)通常設(shè)置在低溫環(huán)境室的下部接近地面的位置,室內(nèi)正壓通?？刂圃?—10 Pa。但從上述計(jì)算結(jié)果可以看出,在這種情況下,即使將低溫環(huán)境室底部（地面附近）的正壓維持在10 Pa,其頂部也會(huì)達(dá)到較大的負(fù)壓,室溫為-55 ℃時(shí),頂部的負(fù)壓為79 Pa,當(dāng)室溫為-165 ℃時(shí),頂部的負(fù)壓高達(dá)411 Pa,室內(nèi)絕大部分空間處于負(fù)壓狀態(tài),無(wú)法達(dá)到室內(nèi)空間維持正壓的目標(biāo)?？梢?jiàn),以往將室內(nèi)正壓測(cè)量控制點(diǎn)設(shè)置在低溫環(huán)境室下部的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是不科學(xué)的,對(duì)于低溫環(huán)境室,尤其是室內(nèi)空間高度較高的大型低溫環(huán)境室或深冷低溫環(huán)境室,室內(nèi)正壓測(cè)量控制點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在低溫環(huán)境室的頂部,這樣才能保證室內(nèi)全部維持正壓。由于大型低溫環(huán)境室下部的正壓遠(yuǎn)高于上部的正壓,為了減少下部的正壓值,頂部的正壓應(yīng)盡可能減小,可將頂部正壓控制在0—5 Pa。

（3）低溫環(huán)境室在降溫過(guò)程中底部正壓會(huì)不斷增大

以往通常認(rèn)為低溫環(huán)境室在降溫過(guò)程中隨著室內(nèi)溫度下降,空氣會(huì)出現(xiàn)冷縮效應(yīng),其室內(nèi)壓力也會(huì)下降,但實(shí)際情況與此不同。低溫環(huán)境室都設(shè)置新風(fēng)干燥系統(tǒng),以維持室內(nèi)正壓,以前面的算例為例,對(duì)室內(nèi)高度為20 m、最低試驗(yàn)溫度為-165 ℃的深冷低溫環(huán)境室的情況進(jìn)行分析,將室內(nèi)正壓的定壓點(diǎn)設(shè)置在頂部,并將正壓值控制在5 Pa。由圖2 可知,隨著室內(nèi)空氣溫度由30 ℃降到-165 ℃,頂部正壓維持在5 Pa,而底部正壓則由5 Pa 不斷增大,最后達(dá)到426.5 Pa,因此大型低溫環(huán)境室圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮這種豎向不均勻、隨室溫變化的受力載荷的影響。在這么高的正壓下,圍護(hù)結(jié)構(gòu)、大門(mén)和密封結(jié)構(gòu)都必須進(jìn)行特殊防護(hù)。

（4）大型低溫環(huán)境室室內(nèi)正壓變化帶來(lái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

由圖1 可見(jiàn),由于室內(nèi)豎向正壓的不均勻性,大型深冷低溫環(huán)境室室內(nèi)底部正壓可能超過(guò)400 Pa,而以往大型低溫環(huán)境室通常按200 Pa[2]的均勻正壓進(jìn)行建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算和防護(hù),這存在較大的安全隱患,應(yīng)按具體條件計(jì)算得到的室內(nèi)豎向正壓分布數(shù)據(jù)進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算,考慮到室內(nèi)正壓的波動(dòng)性,對(duì)于大型深冷低溫環(huán)境室,其底部的正壓設(shè)計(jì)值應(yīng)不小于500 Pa,并留有一定余量,以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全可靠。另外,由于大門(mén)需要開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng),它通常是低溫環(huán)境室圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié),大型低溫環(huán)境室的大門(mén)通常面積較大,因此在超過(guò)400 Pa 的壓差下,其承受很大的向外壓力。例如,對(duì)于10 m2的大門(mén),其受到的向外推力超過(guò)4 000 N,這給大門(mén)受力結(jié)構(gòu)、密封和開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)都帶來(lái)困難,必須采取特殊防護(hù)措施。對(duì)于在低溫試驗(yàn)過(guò)程中需要人員進(jìn)入檢查的低溫環(huán)境室,應(yīng)單獨(dú)設(shè)置人員進(jìn)出的小門(mén),在滿足人員進(jìn)出的情況下小門(mén)的面積應(yīng)盡可能減小。

6 結(jié) 語(yǔ)

大型低溫環(huán)境室是大型裝備進(jìn)行低溫環(huán)境適應(yīng)性和可靠性試驗(yàn)的重要設(shè)施,室內(nèi)正壓控制是低溫環(huán)境室設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。以往在低溫環(huán)境室設(shè)計(jì)時(shí),室內(nèi)正壓通常按均勻假設(shè)來(lái)考慮,室內(nèi)正壓測(cè)量控制點(diǎn)通常設(shè)置在低溫環(huán)境室的下部,室內(nèi)正壓通?？刂圃?—10 Pa,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)室內(nèi)正壓按均勻的200 Pa進(jìn)行防護(hù)。為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法的科學(xué)性,本文對(duì)低溫環(huán)境室室內(nèi)正壓分布規(guī)律進(jìn)行研究,提出了低溫環(huán)境室室內(nèi)正壓的計(jì)算方法,采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明該算法具有較高的計(jì)算準(zhǔn)確性,其平均相對(duì)誤差為5.9%。采用該算法對(duì)大型低溫環(huán)境室的室內(nèi)氣壓分布狀況和特點(diǎn)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)了以往低溫環(huán)境室室內(nèi)正壓設(shè)計(jì)方法存在一些問(wèn)題,其主要結(jié)論如下。

（1）大型低溫環(huán)境室或深冷低溫環(huán)境室的室內(nèi)豎向正壓差很大,在設(shè)計(jì)時(shí)不能忽略。室溫為-165 ℃時(shí),豎向正壓差高達(dá)421 Pa,每米的正壓差就達(dá)到21 Pa,而且在降溫過(guò)程中,下部正壓會(huì)不斷增大,因此在大型低溫環(huán)境室或深冷低溫環(huán)境室的工程設(shè)計(jì)時(shí),必須仔細(xì)考慮豎向正壓變化問(wèn)題,否則低溫環(huán)境室室內(nèi)正壓設(shè)計(jì)可能無(wú)法達(dá)到保持室內(nèi)正壓的預(yù)期效果,甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重的安全問(wèn)題。

（2）以往將室內(nèi)正壓測(cè)量控制點(diǎn)設(shè)置在低溫環(huán)境室的下部的設(shè)計(jì)方法會(huì)使低溫環(huán)境室大部分空間出現(xiàn)負(fù)壓。對(duì)于室內(nèi)空間的高度較高的大型低溫環(huán)境室或深冷低溫環(huán)境室,室內(nèi)正壓測(cè)量控制點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在低溫環(huán)境室的頂部,以保證室內(nèi)全部空間維持正壓,頂部正壓控制在0—5 Pa 為宜。

（3）以往大型低溫環(huán)境室通常按200 Pa 的均勻正壓進(jìn)行建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算和防護(hù),該設(shè)計(jì)取值是不安全的,實(shí)際室內(nèi)下部的正壓值可能遠(yuǎn)超過(guò)這一數(shù)值,因此在大型低溫環(huán)境室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮室內(nèi)正壓豎向上小、下大的不均勻荷載的影響,并考慮下部室內(nèi)正壓隨溫度下降不斷增大對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力載荷的影響。對(duì)于大型深冷低溫環(huán)境室,其底部的正壓設(shè)計(jì)的安全防護(hù)值不應(yīng)小于500 Pa,大門(mén)的結(jié)構(gòu)、密封和開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)等必須特殊設(shè)計(jì)。另外,除了室內(nèi)正壓的合理控制以外,提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)密封性對(duì)于防止室外空氣的滲入也是十分重要的。

本研究只是對(duì)室內(nèi)外溫差的熱壓作用所造成室內(nèi)正壓的變化進(jìn)行分析,并未考慮室內(nèi)外風(fēng)速的影響。室外自然風(fēng)對(duì)低溫環(huán)境室外部會(huì)產(chǎn)生一定風(fēng)壓,由此也會(huì)對(duì)室內(nèi)正壓產(chǎn)生重要影響,但該因素的影響十分復(fù)雜,需要單獨(dú)研究。