采用液氮噴霧技術的低溫環路結構模擬系統研究

張蓓樂,陳小磚,薛絨,劉秀芳

(1.河南理工大學機械與動力工程學院,454000,河南焦作;2.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)

座艙蓋作為戰斗機外部唯一的透明部件,是戰機的關鍵部件,它的可靠性決定著飛行員的生命安全和戰機的正常飛行,應具有較好的強度和疲勞性能。進行高空低溫環境模擬試驗是考核座艙蓋性能的重要指標之一,因此建立專用的高低溫環境模擬試驗臺,驗證座艙蓋強度及疲勞特性,是飛機設計定型過程中必不可少的環節。

低溫環境模擬系統作為高低溫環境模擬試驗臺重要的一部分,近年來受到了越來越多的重視。低溫環境模擬系統的關鍵問題之一就是采用有效的低溫制冷手段。美國、法國、俄羅斯等國對低溫環境模擬試驗室的研究較早:美國的試驗設備最初采用干冰直噴法,后來隨著科學技術的提高,改為更具制冷效果的液氮;法國的試驗系統整體上與美國的類似,而俄羅斯則采用渦輪空氣制冷直噴法[1]。在國內,大型低溫環境試驗室大多采用蒸氣壓縮式制冷和空氣制冷這兩種方式,但這兩種制冷方式都存在制冷系數小、降溫速率慢、能耗大的缺點[2-6]。

圖1 試驗臺設計流程圖

對于大空間的快速降溫,噴霧冷卻是最為經濟實用的途徑。噴霧冷卻是將液體工質加壓后從噴嘴噴出,形成均勻的微細霧狀液滴,通過液滴蒸發將環境中的熱量帶走[7]。與其他制冷方式相比,噴霧冷卻具有換熱效率高、工質需求量少、溫度均勻性好、無沸騰滯后性等一系列優點[8]。目前,對于大空間噴霧冷卻的研究主要集中在對水等常溫工質的理論與試驗研究。Montazeri等通過數值模擬對水在大空間噴霧冷卻系統中的降溫特性進行了研究,發現歐拉-拉格朗日法可以較準確地預測水噴霧系統的蒸發過程[9-10]。Sadafi等研究了鹽水在噴霧冷卻塔中的降溫效果,發現鹽水噴霧冷卻系統的降溫效果相較于純水噴霧冷卻系統有明顯優勢,但存在腐蝕現象[11-12]。Alkhedhair等對自然通風的干燥管道在水噴霧條件下的降溫特性進行了數值模擬和試驗研究[13]。屠欣丞等針對大空間內細水霧噴射對局域環境的調節進行了數值模擬和試驗研究[14]。此外,以水為工質的大空間噴霧冷卻技術應用廣泛,如隧道[15-16]、礦井[17]、溫室[18]、大型室內場館[19]等的噴霧降溫。雖然以液氮為工質的噴霧冷卻技術近年來在低溫風洞中的應用被廣泛關注[20-24],但對于液氮噴霧冷卻的研究及大空間噴霧降溫的低溫試驗相對較少。

本文根據座艙蓋高空低溫環境模擬試驗的要求,設計了采用液氮噴霧冷卻技術的小型環路結構低溫環境模擬系統低溫風洞,用于驗證液氮噴霧冷卻方案的可行性,研究系統低溫運行過程中關鍵截面的溫度分布和降溫特性。

1 試驗系統介紹

該低溫環境模擬系統主要由低溫環路系統、液氮噴霧系統和測試系統組成,試驗臺設計流程圖和實物圖如圖1和圖2所示。低溫環路系統由風機、可視化窗口、噴霧降溫段、工作段及連接件組成;液氮噴霧系統由高壓氮氣瓶、液氮杜瓦、過冷器、噴嘴以及相關連接管路組成;測試系統包括了流速測量系統、壓力測量系統、電磁比例閥壓力控制系統、溫度采集系統以及電加熱和功率測量系統。

環路結構試驗臺以0.3 m×0.3 m的噴霧降溫段和工作段為主要結構,兩者由彎管及管路連接。為盡可能減少漏熱,在環路管路外加裝保溫棉絕熱處理,將管壁導熱減小到最低程度;為防止試驗中管路內氣體泄漏,維持環路內正壓,用熱熔膠對管路連接處做密封處理。

圖2 試驗臺實物圖

1.1 系統工作原理

系統采用噴入低溫液氮的方式,利用液氮較大的汽化潛熱和大溫差下的顯熱達到快速降溫的要求,工作過程如下。

(1)打開噴嘴處的旁通氮氣閥和環路系統排氣口,以較小頻率開啟風機,通過流道內低速循環風將系統內空氣從排氣口排出,防止空氣中水蒸氣在噴霧過程中結霜堵塞噴嘴。約10 min左右可認為氮氣充滿整個環路系統,關閉旁通氮氣,閉合排氣口。

(2)為避免流過噴嘴的液氮變為氣液兩相,將套管式過冷器外儲液罐充入液氮進行預冷。

(3)調節電磁比例閥設定高壓液氮的測試工況壓力,高壓兩相液氮在高壓氮氣的壓力下被送入過冷器中,流經內儲液罐和銅盤管,與過冷器外儲液罐常壓液氮進行換熱,被冷卻為過冷高壓液氮。

(4)將風機調節到測試風速,形成流道內循環風,將噴霧液滴吹入環路中。通過位于噴嘴和噴霧降溫段之間的可視化窗口觀察噴霧霧場,當看到連續穩定的霧場即可開始記錄試驗。

(5)噴霧液滴吹入噴霧降溫段充分蒸發,流經右側彎管均勻混合進入工作段,氮氣將從左上角彎管處的排氣口溢出,維持系統恒定正壓力,其余氣體流經加熱板返回風機入口完成環路循環。

(6)在工作段通過熱線風速儀實時觀察溫度及風速的變化情況,當采集的溫度達到-30 ℃時,結束一組工況的試驗記錄并封閉排氣孔。

(7)當熱線風速儀采集的溫度高于20 ℃時,開始新一輪的試驗測試。

1.2 噴嘴的選型

噴嘴采用BETE公司的細密霧化噴嘴P32,噴孔直徑為0.813 mm,其霧場比較稀薄,液滴比較分散。為控制噴嘴流量大小,用稱量法對噴嘴在不同壓差下的流量進行測量,試驗結果如圖3所示。噴嘴流量為單位時間內液氮杜瓦質量差的平均值,其數據如表1所示。

表1 不同壓差下的噴嘴流量

1.3 絕熱結構設計

為降低整個液氮噴霧降溫系統的漏熱量,減少液氮損耗量,保障系統內溫度的均勻性,需對低溫環路系統進行絕熱設計。堆積絕熱不需要工作在真空環境,適用于復雜絕熱空間,因此選擇該絕熱方式。

堆積絕熱絕熱層的厚度對系統的漏熱量及溫升有很大影響,通過仿真模擬對比工作段在絕熱層厚度分別為0、10、20、30、40和50 mm時的漏熱量和溫升情況,結果如圖4所示,本試驗選擇厚度為30 mm的絕熱材料對整個環路進行包裹。

圖3 不同壓差下液氮杜瓦質量下降曲線 圖4 不同厚度絕熱層壁面漏熱量

1.4 其他主要部件

(1)循環風機采用定制的變頻羅茨風機,通過改變風機電機的頻率從而改變風機的轉速;

(2)可視化窗口由有機玻璃構成,用于觀察噴嘴的位置及噴霧狀態;

(3)試驗采用套管式換熱器作為過冷器;

(4)在4個形狀大小完全相同的截面(噴霧降溫段入口截面1、出口截面2、工作段入口截面3和風機入口截面4)均勻布置9對熱電偶,如圖5所示;

(5)工作段中心位置采用testo405-V1熱線風速儀測量風速和溫度,在噴霧降溫段、工作段和風機入口采用皮托管和壓差計測量環路中的流速。

圖5 各測試面熱電偶分布

2 實際運行結果分析

2.1 噴霧霧場

采用高速相機對各種工況的噴霧霧場進行拍照,獲得噴霧霧場形態分布圖,如圖6所示。P32的霧場前半部分是液氮噴射所形成的規則圓錐形,后半部分是氣化形成的氮氣,氮氣受環境氣流的影響導致霧場形狀不規則。霧場中液滴直徑較小,意味著液滴在向下游運動的較短距離內可以完全蒸發。

圖6 噴嘴P32在不同壓差下的霧場

2.2 噴霧降溫特性

在進行液氮噴霧環境降溫試驗時,系統內的最低目標溫度為降至-30 ℃。如表2所示,當風機頻率在10～30 Hz變化時,分別測試液氮噴嘴壓差為0.3～0.5 MPa時風洞環路的降溫情況。選取其中3組試驗數據(20 Hz/0.4 MPa、30 Hz/0.3 MPa和30 Hz/0.4 MPa)分析噴霧流量和風速對降溫特性的影響。圖7和圖8為兩個主要測試面噴霧降溫段入口測試面1和工作段入口測試面3的降溫特性曲線。通過對比分析發現,各測試面的降溫曲線具有類似規律,整個降溫過程可分為3個階段:階段I,初始平穩段,為環路系統溫度穩定在環境溫度的狀態;階段II,中間波動段,為開始噴霧初期霧場未穩定的狀態;階段III,穩定降溫段,為噴霧霧場達到穩定時持續降溫的狀態。

表2 試驗測試工況

由圖7可知,在降溫過程中,中心測點5的降溫速率最快,溫度也最低,其次是左下方的測點4、7和8,溫度相對較高的是上方和右側的測點1、2、3、6和9。造成這種溫度分布的原因是噴嘴正對著面1中心,液氮噴霧霧場中心的液氮最不易氣化,未氣化的液滴隨氣流撞擊測點5導致其溫度很低。霧場和未氣化的液滴在重力作用下向下偏移,導致位于面1下方的測點溫度也較低,而上方的測點溫度較高。為了達到較好的霧化效果,噴嘴P32的出口裝有撞針,撞針位于相對于面1的右側,造成面1右側的溫度小于左側對應位置的溫度。面3中測點1～9降溫曲線高度重合,如圖8所示,說明在氣流經過彎管充分混合后,測試面溫度均勻。

圖7 噴霧降溫段入口截面降溫特性曲線

圖8 工作段入口截面降溫特性曲線

圖9和圖10為測試面的平均溫度和標準誤差σ。由于面1靠近噴嘴,其平均溫度也較低。標準誤差用于反映各個面上溫度分布的均勻程度,與平均溫度分布相反,距離噴嘴越近標準誤差越大,即測試面溫度均勻性越差。選取風機頻率為20 Hz、噴霧壓差為0.4 MPa,分析系統在階段III即穩定降溫段4個測試面的溫度均勻性,標準誤差值從高到低分別是面1、2、4和3。該工況下噴霧流量較大,最靠近噴嘴的面1由于霧場氣液分布不均導致各測試點間溫差較大,即標準誤差最大;隨著小液滴的完全蒸發以及冷熱氣流在噴霧降溫段和在彎管處充分混合,工作段入口的面3各測點間溫度達到較高的均勻性,且在整個穩定降溫過程中均勻性保持穩定。面4受排氣口的影響,不均勻性有所增加。

圖9 測試面平均溫度

圖10 測試面的溫度均勻性

2.3 噴霧流量和風速影響

從過冷液氮通入噴嘴開始,工作段溫度從室溫21 ℃降至-30 ℃,平均降溫速率如表3所示。

表3 平均降溫速率

對比相同風速下的兩組工況可知,隨著噴霧流量的增大,階段II即噴霧初期霧場未穩定狀態的持續時間縮短,穩定噴霧時降溫速率加快,導致降溫時間縮短。由于受降溫速率加快的影響,使得各測試點間的溫度差異增大,測試面的溫度均勻性也較差。

在相同的噴霧流量下,風速增大,降溫速率減緩,測試面的標準誤差減小,即同一測試面各測點間溫差變小,具有更好的溫度均勻性。這是因為風速越大,風機的功率越高,電機發熱量增大導致系統的熱負荷增加,減小了降溫速率和測點間溫差。

3 結束語

本文設計的采用液氮噴霧技術的小型環路結構低溫環境模擬系統,控溫范圍為-30～20 ℃。在相同噴霧流量下,風速越大,環路降溫速率越慢,測試面的溫度均勻性越好;在相同風速下,噴霧流量越大,降溫速率越快,測試面的溫度均勻性越差。試驗驗證了運用液氮噴霧技術快速降溫的可行性,工作段溫度分布均勻,滿足座艙蓋疲勞測試對環境降溫速率和溫度均勻性的要求,為進一步研究低溫環路結構環境模擬系統中液氮噴霧的降溫特性以及大空間液氮相變噴霧霧場特性奠定了基礎,同時可為低溫環境模擬系統和大空間噴霧降溫系統的建設提供參考。