液氮再冷凝裝置的設計與驗證

朱建生，焦天恕，陸文海，劉立強

(1.航天低溫推進劑技術國家重點實驗室，北京100190； 2.酒泉衛星發射中心，甘肅 酒泉735300)

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·低溫與制冷·

液氮再冷凝裝置的設計與驗證

朱建生1，2，焦天恕2，陸文海1，劉立強1

(1.航天低溫推進劑技術國家重點實驗室，北京100190； 2.酒泉衛星發射中心，甘肅 酒泉735300)

摘要:搭建了一個液氮零蒸發主動冷卻的貯存測試系統，該系統的目標是針對一個日蒸發率為0.4 %的10 m3液氮貯槽實現液氮冷凝回收。首先，將貯槽中蒸發的冷氮氣通到一個200 L的液氮杜瓦中，并通過該杜瓦頂部的GM制冷機，進行冷卻和再液化，并對該杜瓦中的液氮液位進行測量，獲得液化率。當200 L中的液氮杜瓦中的液氮完成液化后，通過切換閥門，并對杜瓦升壓，將再液化的液氮泵入10 m3的液氮貯槽中，恢復液氮貯槽中的液面，完成一次再冷凝。通過實驗測試驗證了該系統可以實現大于40 L/d的再液化率，能夠滿足該液氮貯槽的零蒸發要求。

關鍵詞:零蒸發;再冷凝;GM制冷機

近年來，隨著空間制冷技術、低溫絕熱技術及電子技術的發展，大大促進了低溫液體零蒸發存儲技術的發展。零蒸發貯存是指利用制冷機、再液化器或輻射器等來平衡低溫液體儲罐的熱損失，從而使儲罐內低溫液體的蒸發率為零并使低溫液體儲罐內的壓力保持恒定的一種貯存方法[1]。

現有的實現零蒸發貯存技術可分為兩大類，一是采用被動技術，二是采用主動技術。采用被動技術一方面是指改進低溫容器的絕熱措施以減少漏熱；主動技術是指選用合適的低溫制冷設備來提供冷量使氣化的蒸氣再冷凝為液體，實現無排放的長期貯存[2]。可以通過使用低溫制冷機的閉式循環來實現，也可通過使用再液化器的開式循環來實現。本項目采用主動技術，針對一個日蒸發率為0.4%的10 m3液氮貯存槽開展液氮再冷凝裝置研制。

1設計思想

該液氮再冷凝裝置，采用小型低溫制冷機產生的冷量對氮氣(來源于液氮貯存槽)進行冷凝，產生的液態氮由一個200 L液氮杜瓦來收集儲存，然后再通過增壓裝置將杜瓦中的液態氮輸送回到液氮貯存槽中，以實現10 m3液氮貯存槽中蒸發的氮氣液化并且回收進入液氮儲槽中循環利用，達到無損耗儲藏的目的。

2設備組成及流程

2.1組成

設計制作的液化設備主要由以下幾個部分組成：200 L液氮杜瓦、AL300型低溫制冷機、氦壓縮機、常溫氦氣傳輸金屬軟管、冷頭換熱器、冷水機組、控制系統和液氮(冷氮氣)傳輸管線組成。

2.2流程

小型低溫制冷機的冷頭裝在液氮杜瓦上面向上延伸的頸口法蘭上，構成制冷機液氮杜瓦組件，通過帶有自密封快速接頭的氦氣金屬軟管與氦壓縮機連接，由于壓縮機功率較大，發熱量較大，因此氦壓縮機選擇為水冷式壓縮機。

另外配備一臺風冷式冷水機組，利用循環冷卻水來冷卻氦壓縮機。制冷機液氮杜瓦組件、氦壓縮機和冷水機組均安裝有萬向輪，可隨意移動，各個子部件之間以及液氮杜瓦和液氮儲槽之間均為柔性管連接，方便安裝和拆卸，且不受位置限制。具體的流程圖如下圖1所示。

圖1　實驗系統的流程圖

3設備部件功能特點

3.1液氮杜瓦

液氮杜瓦所起到的作用是儲存制冷機液化后的液氮并將液氮通過增壓之后輸送回到液氮儲槽之中。

參考現有的低溫貯存設備的結構[3]，開展了該液氮杜瓦的設計，該液氮杜瓦全部由不銹鋼制成，表面進行拋光處理，杜瓦采用高真空、多層絕熱結構，并設置自增壓盤管，無需借助外部氣源，便可自行增壓泵輸送液體。杜瓦上部配有增壓閥、進氣閥、輸液閥、排氣閥、內膽爆破閥、夾層抽氣兼外膽爆破閥、2個安全閥(0.4 MPa、0.8 MPa各一個)、引線接口、液位計、壓力表和制冷機接口等。

3.2AL300型低溫制冷機

設備運行所需冷量全部由AL300型低溫制冷機產生，它是整個設備中最關鍵的部件。AL300型低溫制冷機采用絕熱放氣膨脹法獲得低溫，它以氦氣為工質進行閉循環，主要由壓縮機、冷頭、高低壓氦氣軟管組成。壓縮機和冷頭分開放置，冷頭安裝在液氮杜瓦法蘭上，壓縮機可選擇安裝遠離現場的合適地方，它們之間用耐高壓金屬軟管連接，制冷機的冷量由冷頭提供。

AL300型低溫制冷機工作溫區在25～300 K，在70 K時可產生250 W制冷功率，操作簡單，電機轉速只有1 Hz，工作壽命長。制冷機壓縮機上裝有壓力和溫度保護裝置，當壓力異常或壓縮機油溫度過高時，壓縮機自動保護停止工作，安全系數很高。

3.3冷頭換熱器

冷頭換熱器是用于冷氮氣與制冷機冷頭產生冷量的交換，使冷氮氣被液化，然后液氮將在重力作用下滴落并儲存在200 L液氮杜瓦內部。換熱器和周圍的氮氣持續進行這樣的熱交換，使得從液氮儲槽中過來的那些積聚在杜瓦上部的氮氣逐步的被液化。

冷頭換熱器由導熱良好的無氧銅制成，做成翅片狀，以增大換熱面積，直接緊密連結在制冷機的冷頭上，間隙充填銦片，以減小接觸熱阻，外表面鍍鉻以防銹蝕。當冷氮氣接觸到換熱器的表面時，由于換熱器表面溫度很低，并且有很大的冷量，所以兩者之間進行熱交換從而實現氮氣的液化。

3.4冷水機組

由于AL300型低溫制冷機中的壓縮機為水冷式氦氣壓縮機，冷水機組主要用于對通過氦氣壓縮機的循環水進行冷卻，以防止壓縮機溫度過高而保護停止運行。

所用冷水機組采用全封閉、低噪音、高效壓縮機，自帶數顯溫控器，機組內裝置不銹鋼水箱，大流量、高揚程專用水泵，機組備有冷卻回路。完善的安全保護系統與故障電子訊號能確保機組運行不受損害安全運轉。

3.5控制系統

設備的主要控制系統有：制冷機控制系統、冷水機組控制系統、液氮液位控制系統。

低溫制冷機控制系統主要控制制冷機運行及過熱保護、高壓保護、缺相保護等，冷水機組控制系統主要控制風機、冷凍水泵的運行及相關保護。

液氮液位控制系統的主要目的是通過液位控制器來控制整個系統。工作時，當液氮杜瓦內的液氮高至一定液位后，控制器會自動切斷制冷機運行；當液氮杜瓦內的液氮低到一定液位后，控制器會自動啟動制冷機運行。

3.6液氮(冷氮氣)輸送管道

液氮(冷氮氣)輸送管道的主要作用是，將液氮儲罐和液化設備連為一體，液氮(或氮氣)在其中形成循環，并同時起保溫作用，減小液氮(或氮氣)在輸運過程中的漏熱，減少系統冷損。液氮杜瓦、液氮儲槽通過輸送管道連接，形成閉環回路，液氮(冷氮氣)在其中循環。

液化設備中輸送管道主要有兩條：液氮儲槽氮氣出氣管一根，用于將液氮儲槽中蒸發的冷氮氣輸送至液氮杜瓦中；液氮杜瓦出液管一根，用于將杜瓦中回收液化的氮氣輸送到液氮儲槽中。

液氮(冷氮氣)輸送管道主要結構分為內、外管：內管材料為耐低溫的不銹鋼金屬軟管，并以聚四氟乙烯材料作支承，采用真空多層絕熱方式。外管絕熱材料由具有高反射率的單面起皺鍍鋁薄膜和具有低熱導率的玻璃纖維布交替纏繞所構成，絕熱空間靜態真空度優于10-2Pa，能有效阻止外部熱量傳入內管中的低溫流體，輸送管道熱損耗<1.5 W/m。

圖2　無損貯存實驗系統實物圖

4冷氮氣再液化實驗及結果

按照上述流程和設備選型，搭建了該實驗測試系統，其實物如圖2所示，該實驗過程分為以下幾步：

1.使用純氮氣或者液氮儲槽蒸發出來的飽和氮氣對再液化器進行吹掃；

2.關閉液氮杜瓦的進氣閥門和排氣閥，打開水冷機組和G-M制冷機，等待系統降溫；

3.當制冷機冷頭溫度降至77 K時，打開進氣閥，確保此排液閥和排氣閥關閉；

4.每隔一定時間記錄一次液位計讀數；

5.當液位上升至一定高度后，關閉制冷機，關閉進氣閥門，打開200 L杜瓦自增壓閥，并打開回液閥，將液化后的液氮泵至10 m3的液氮貯存罐內；

6.如果需要再次液化回到步驟3；如果實驗完成后，關閉再液化器的進氣閥和排液閥，保持排氣閥打開狀態，關閉制冷機電源、水冷機組及控制系統。

實驗結果如表1所示。根據表中的數據計算，該系統可以實現40 L/d的再液化率，滿足整個系統零蒸發要求。

表1　液氮液化量數據

5結論

針對一個日蒸發率為0.4%的10 m3液氮貯存罐研制了一套液氮再冷凝裝置，本文介紹了該液氮再冷凝系統的設計思想和流程，并著重介紹了系統內部的各個子部件的功能特點。為了驗證該再液化系統的可行性，測試系統的再液化率，開展了相應的實驗研究，實驗結果表明，該系統能夠按照設計原理工作，并產生40 L/d的再液化率，滿足液氮貯存罐零蒸發的要求。

參考文獻：

[1] 宋斌杰，石玉美，汪榮順.國外低溫液體無損儲存的研究進展[J].低溫與超導，2007，35(6):469-473.

[2] 李廣武，安剛，李娜.低溫液體無損儲存技術的發展與應用[J].真空與低溫，2008，14(3):172-176.

[3] 殷合香，王炳忠，李映穎.低溫液體貯運技術及其蒸發率的測算[J].低溫與特氣，2002，20(3):8-11.

Design and Verification of ZBO Liquid Nitrogen Storage System

ZHU Jiansheng1,2, JIAO Tianshu2, LU Wenhai1, LIU Liqiang1

(1.State Key Laboratory of Technologies in Space Cryogenic Propellants，Beijing 100190，China；2.Jiuquan Satellite Launch Center，Jiuquan 735300，China)

Abstract:A Zero Boil-Off (ZBO) liquid nitrogen storage system is built. The goal of this system is to recover the liquid nitrogen from a 10 m3 liquid nitrogen storage tank with a daily evaporation rate of 0.4%. First of all, the cold nitrogen gas will be piped to a 200 L of liquid nitrogen dewar and then to the GM refrigerator to be reliquefied. The dewar has a level senor which can be used to measure the level of liquid nitrogen. When the liquid nitrogen dewar is full, the liquid nitrogen will be pumped back to 10 m3 liquid nitrogen tank. The experimental results show that the reliquefaction rate is more than 40 L/d, which can meet the requirement of ZBO liquid nitrogen storage system.

Key words:zero boil-off；recondensation；GM refrigerator

收稿日期：2016-04-21

基金項目：航天低溫推進劑技術國家重點實驗室基金課題(SKLTSCP1310)

中圖分類號：TB69

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7804(2016)03-0006-03

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.03.002

作者簡介：

朱建生(1974)，男，總工程師，主要研究方向液體推進劑應用技術。