用于低温设备的液氮分配系统

李鸿勋

(北京卫星环境工程研究所，北京 100094)

0 引言

液氮分配系统在空间环境模拟器、大型氦制冷机液氮级热交换器、液氮温度纯化器和低温泵等都有应用。从前大多是采用强制循环液氮系统，较少采用重力输送自循环液氮系统。重力输送自循环系统也称为自然循环系统或热虹吸系统。最早应用重力输送自循环液氮系统的是原苏联70年代建成的两台大型空间模拟器，此后再没有应用，直到90年代美国的几个空间模拟器由于改造的需要采用了重力输送自循环液氮系统。

1969年美国福特公司建成的空间模拟器因铝热沉疲劳损坏不得不更换热沉，于1994年对液氮系统进行了改造，改为重力输送自循环液氮系统。

1962年美国哥达德中心建成的空间模拟器，由于其铝热沉支撑结构设计不合理造成热沉损坏，于1996年进行了改造，液氮系统改为重力输送自循环液氮系统。

詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)为了做空间模拟试验，由于其体积大，必须在航空航天局(NASA)约翰逊空间中心(JSC)的大型模拟器A中进行。约翰逊空间中心模拟器A直径19．8 m、高35.66 m，模拟器内液氮热沉直径17．4 m、高28 m。太空望远镜要求90～120天的长期试验，因此要求试验设备有很高的可靠性，但原模拟器A液氮泵只有300 h保养周期，大量控制阀和泄放装置，系统对电力的高度依赖性等因素都降低了模拟器的可靠性。控制阀的故障会破坏热沉和氦板的工作，太多的阀门不能控制热沉温度的均匀性。总之，原模拟器A不能完成太空望远镜的试验任务，经过多个方案论证，最后还是采用了自然循环系统，于2010年完成了模拟器A的改造。

近几年，一些高温超导研究机构在研究和试验63～87 K过冷液氮自然循环系统中的热和流动特性，以便使过冷液氮的自然循环系统用于高温超导电力设备。

上述设备采用自然循环系统而不用强制循环系统，主要因为前者有稳定、可靠、低成本、低热沉(分路支管)温度、低液氮消耗和较高效率的优点。

目前，液氮分配系统有5种基本型式，即开式沸腾液氮分配系统、带压节流液氮分配系统、单相密闭循环液氮分配系统、带文丘利管的单相密闭循环液氮分配系统和重力输送自循环液氮分配系统。

1 重力输送自循环液氮系统性能和特点分析

5种基本液氮循环系统中前4种都是强制循环系统。除了开式沸腾系统外都有液氮泵和多个阀门，为了各支管温度均匀都采用了过冷液氮，系统压力较高。而自然循环系统是一个简单系统，是被热负荷的热产生的浮力驱动的。因此要关注支路管中液氮被加热后管中流动状况。

1.1 液氮在典型管中流动形式随热负荷变化状况

在重力输送自循环系统中，相分离器槽(液氮贮槽)是关键部件，一方面供应系统液氮，又在返回的液氮中进行气液分离，气氮排出，而液氮继续参与系统的循环。重力输送自循环液氮系统中没有液氮泵，驱动力来自液氮分离器槽的静力压头。液氮从分离器槽通过垂直管供应汇集管进模拟器内热沉的底部，通过热沉上升后进入返回的汇集管再回到分离器槽。在此气体放出而液体回到热沉。

很明显，如果没有传热进入系统就不会形成循环，但由于漏热使热量传入系统中，就分散蒸发管中液体。其结果是气体排出，这导致密度的差异，从而形成驱动力，使液氮在热沉中循环，并保持液体的液氮温度。如图1所示给出了典型管中各种阶段流动形式和随热负荷变化状况图。从下面进入热沉的液体是单向流，再向上是过冷沸腾，热沉是处于饱和核态沸腾区，因此在液氮系统每个模块供液线上装有调节阀，以便控制管路中液体和蒸气的比例，决定液体的供给压力，使热沉控制在饱和核态沸腾区。

图1 典型管中各种阶段流动形式和随热负荷变化状况图

只有使热沉中的液氮处于饱和核态沸腾区，液氮是泡状流或柱塞流时，液氮温度才能保证热沉温度能满足试验要求。如果液氮处于强制对流区，管内液氮为环状流或带有雾沫的环状流会损耗过多的液氮。

管内液氮的流动形式和所处的区域主要取决于所受热负荷的大小，因为在空间环境模拟器中，热沉所受的热负荷较小，因此热沉是在饱和核态沸腾区。

1.2 重力输送自循环液氮分配系统工作原理

重力输送自循环液氮系统工作原理如图2所示。液氮贮槽(相分离器)放在被冷却管上方一定的高度，由贮槽的下方连接输液管与热沉最下方的汇总管连接，成相互平行的管子。在没有热量输入的情况下，模拟器内和模拟器外的管内液体由于进入的静力压头等于返回的静力压头，就不会形成循环。假如模拟器内管吸收热量而模拟器外管没有吸收热量，吸收热量的竖直管中的液氮会膨胀甚至沸腾，结果是排出气体，这导致在同一高度上在模拟器内竖管中液氮的密度低于模拟器外竖管中液氮的密度。从而使该管中的压力低于模拟器外竖管中液柱压力，这一压力差就是促使液氮环境回路流动的驱动压力，热流越高流速也就越大，为保持热沉的温度在要求的范围内，热沉管液氮应处于饱和核态沸腾区。在液氮系统中，热沉的竖直管中加热热沉密度通常不大，加热壁面上以核态沸腾为主要沸腾模式。壁面上活化核心处形成的气泡大到一定尺寸，然后在浮力的作用下脱离活化核心之后，沿壁面向上滑移一定距离，并在此过程中不断增大，最后脱离加热壁面。脱离后的气泡在液体中继续向上运动，并带动气泡周围的液体向上流动，从而形成自然循环。在上述两种力的作用下，最终形成重力输送自循环液氮系统。

图2 重力输送自循环液氮系统工作原理图

1.3 重力输送自循环液氮系统热分析

现在以约翰逊空间中心(JSC)空间模拟器为例说明自然循环系统的热设计。当使用自然循环系统时，在过程流动管径内要消除潜在的蒸气陷阱，并且在供液管和回液管之间使压力差最大化。要在模拟器顶部足够高的位置安放贮液罐(相分离器罐)，这样可以达到足够压力差，以保持运行过程通过热沉板高度的2/3是过冷(单相)状态，以保证过程流动通过管路最曲折部分。

在自然循环系统中会有一定的出口含气率的液体在管路末端返回到相分离器。质量流能使用能量平衡法计算，压力降可以直接计算。供给液体到相分离器返回液体密度所创造的可供的压力降必须大于需要的压力降。最关键的过渡连接件要保持在过冷区域。增加热沉的热负荷将降低流体的密度，可自动增加通过系统的液体流量。

JSC空间模拟器自然循环系统工作原理如图2所示，杰弗逊实验室成功的建造了2 K低温压缩机的自然循环(热虹吸)冷却系统，并对JSC空间模拟器改造进行了热分析。在已知参数下，可求得在不同出口蒸发率的各点压力降及密度等参数的对应值。

Zt为全高，Zt=32 m，Zv为两相流非加热段(5～6部分)，Zv=4.57 m，ηs为过冷液体非加热部分(1～2)等熵压力降效率，ηs=96%；ηe为液体加热部分(3～4)理想压力降效率，ηe=90%；ηt为液体 P加热部分(4～5)部分理想压力降，ηt=80%；ηm为两相非加热部分(5～6)等熵压力降效率，ηm=80%；P1为相分离器罐的压力，P1=P6，P1=0．1 155 MPa；P2为点2的压力，P2=0．357 MPa；T1为点1的温度，T1=78．44 K；T2为点2 的温度，T2=78．52 K；K*为加热部分高度位置为66．7%时计算压力P*用的系数。

如表1所列，为求得不同出口蒸发率下的各点压力降及密度等参数，如图2所示，首先定义表1中各参数的意义:Xe=X6为出口点6液体的蒸发率；ΔPv为从2～3点经过阀门的压力降；X5为加热部分末端点5的蒸发率；q/w为每循环质量流量输入的热量；KeZq为在加热部分(3～5)饱和液体位置；ρt为加热部分(4～5)总体平均蒸气密度；ρe为加热部分(3～4)总体平均液体密度；P*为在K*位置时的压力，加热部分从3～5点高度衡量时，点3位置系数Ke=0，加热部分为最高点5时系数 Ke=1=100%，要求在总高度的66．7%，即 K*=66．7时的P*；P3、P4、P5表示 3、4、5 各点的压力；T3、T4、T5为3、4、5 各点的温度。

从上述计算结果可以理解自然循环的原理及特点。从数据可知，点6的X6出口蒸发率与点5的X5蒸发率变化规律是基本相同的，而且与每循环质量流量输入的热量g/w变化规律是一致的，这是说明输出管路液氮的蒸发是由于在管路从3～5点输入热量g/w的结果。由于热量的输入使输出管内液氮从饱和液体状态变到饱和气体状态，加热部分饱和液体的位置KeZq随着出口蒸发率X6的增加减小，这是由于热量增加，部分饱和液体变为饱和气体。在饱和液体状态时的密度ρe也远大于饱和气体状态的密度 ρt，而且 ρe变化不大，ρt则随着 X6的增大而减小，当热负荷增加时会减小流体密度，这将自动增加系统通过的液体流量，这是符合液氮循环规律的。

表1 出口蒸发率与各点压力降

已知点2的压力P2=0．357 MPa，当出口蒸发率X6=3．0%时，点3 的压力 P3=0．334 MPa，这说明进出管路在同一个高度水平时产生了压差，这压差除了阀门的阻力外，主要是由于出口有液氮蒸发，即输出管3～5点输入热量q/w的结果。由于输出管的加热，使系统产生了虹吸效应，这样才会形成自然循环系统。

从数据可知，由于P2是定值，2～3点之间的压力降主要是因为点3的压力P3降低造成的，由于在同一高度进出管路都有压差，这就产生了系统循环的驱动力。点2经过阀门到点3的压力降ΔPv是随出口蒸发率X6变化的，出口蒸发率X6越高，压力降ΔPv越大。从上述数据可知，当X6＞3%时ΔPv才有足够的压力降形成自然循环。

从数据可知，在出口蒸发率X6从3% ～20%时，点3 的温度 T3从 78．52 ～78．58 K；T4从 80．73 ～81.14 K；T5从79．10 ～78．55 K。从 3 ～5 点受热负荷加热部分的温度在78．52～81.14 K范围内，该温度保证了热沉温度的稳定性，并且温度低于强制循环系统时的温度。

一般在一个设备中要分几个区域，每个区域将工作在独立的自然循环系统(热虹吸系统)，每个系统在返回管路有本身的流量，这取决于该区域热负荷，并在该区域总流量形成的液体压力降相平衡。对于平均热负荷情况，可供压力降和需要的压力降是随着蒸发率变化曲线变化的，如图3所示，两曲线交叉点在出口蒸发率3%附近。这说明当出口蒸发率在大于3%时有效压力降才会大于需要的压力差。

1.4 重力输送自循环系统的优缺点

重力输送自循环液氮系统的优点:

(1)系统简单，无低温下的运动设备和部件；

(2)操作简单，维修方便，降低了设备和使用成本，系统没有过冷器、带压杜瓦、液氮泵和复杂的管路，因此节省了设备投资和运行成本；

(3)能很好的满足热沉温度要求、温度较低；

根据以上分析可以看出，流域内大部分区域作物都存在不同程度作物缺水情况，但是不同分区缺水的原因也有所区别。

(4)运行稳定，较开式沸腾液氮系统和单相密闭循环液氮系统有明显的优点，液氮贮槽起着一个气液分离器的作用，不会有开式沸腾系统的流体振动问题和喷出液氮的问题；

图3 驱动和需要压力降与蒸发率的关系

(5)节省液氮，对于大型长期运行的液氮设备会有很大经济效益。

虽然重力输送自循环液氮系统有许多优点，但有一个很大的缺点，要求热沉的管路需要与供液管形成U形回路，否则可能就没有办法循环。而单相密闭循环液氮系统对热沉管路设计无要求，缺点是其热负荷较强迫流动的液氮系统小。

1.5 重力输送自循环液氮系统设计要注意的问题

(1)热沉管路应形成一个自然对流回路，除汇总管可以做成环形管外，其他的支管路必须是要垂直或倾斜的，不能有水平支管。否则水平管中会形成气堵。如图4所示为原苏联Ф17．5 m×40 m模拟器热沉高30 m，为了能形成U形回路，除上下各一根环形水平汇总管外，其余的支管热沉全是从上到下，全长为30 m的铝翼形管；

(2)供液管和回液管一定是垂直走向，需要非走水平管时，也要有一个从下向上的斜度，在回液管中绝不允许从上向下的弯曲；

(3)为了确保支管上部的温度也能保持在液氮温度，根据外部辐射热的大小，应将液氮蒸发量控制在5%以内，这样才能保证有足够的驱动力，不会使支管上部蒸气太多，才能使支管保持液氮温度；

(4)要对冷却盘管的管阻和进出液氮管之间的压差仔细计算，确保在这个压差下有足够的液体流速，当多路供液时，在每路供应管上应加调节阀，使每路供液管都能满足上述条件。

2 三个用于大型空间模拟器的自然循环液氮系统

下面介绍三个用于大型空间模拟器的自然循环液氮系统，一个是原苏联上世纪70年代建成的，另一个是带文丘利管单相密闭循环预冷的自然循环系统，第三个是近期改造建设的约翰逊空间中心空间模拟器的自然循环液氮系统。

2.1 原苏联空间环境模拟器液氮分配系统

原苏联空间模拟器液氮系统如图4所示。从图中可知液氮系统由230 m3液氮贮槽、2台液氮泵、2台补液泵、排液罐和气氮再液化装置组成。气氮再液化装置由球形液氮贮槽(1 400 m3)、喷射泵、补液泵、蒸发器、逆向冷凝装置、冷却器和空气分离装置组成。在热沉启动时为减少预冷时间要用液氮泵输送液氮到热沉，在正常工作时，关闭液氮泵的进出口阀门，打开旁通阀，由上方的贮槽和旁通管路及热沉管路形成了重力输送自循环液氮系统，这会使热沉在低温下稳定运行。试验完成后，热沉中的液氮排放到排液罐。气氮液化装置用于液化蒸发的氮气，以补充液氮。

图4 原苏联Φ17．5 m×40 m空间模拟器液氮系统示意图

2.2 带文丘利管的单相密闭循环预冷的重力输送自循环液氮系统

如图5所示的自然循环系统在保持热沉温度的同时，在一定热负荷情况下液氮消耗最小，该系统可以手动，也可以自动操作。

该系统的特点是:使用带文丘利管液氮泵单相密闭循环预冷的重力输送自循环系统。系统包括:顶端液氮贮槽、过冷器盘管、顶端液氮贮槽补充液氮泵、文丘利管、液氮过冷器泵、低压液氮贮槽及真空容器内的热沉。在真空容器内的热沉由顶部热沉、圆柱热沉和底部热沉三部分组成。系统主要由带文丘利管的单相密闭循环启动系统和重力输送自循环系统两部分组成。

图5 带单相密闭循环预冷的自然循环液氮系统示意图

(1)带文丘利管单相密闭循环启动系统

在真空容器中主热沉热负荷损耗的液氮是由低压液氮贮槽供到顶端液氮贮槽的。顶端液氮贮槽高于真空容器，液氮由低压液氮贮槽底部供给顶端液氮贮槽补充泵液氮，再由补充泵将液氮泵到顶端的液氮贮槽。顶端液氮贮槽是工作在等于或接近一个大气压状态，因而保持液氮沸点在一个大气压热平衡饱和状态，并在这种状态下向热沉提供液氮。顶端液氮贮槽内装有液氮过冷器盘管，是单相密闭循环系统的重要组成部分。液氮通过过冷器盘管经文丘利管供应到液氮过冷器泵，过冷器盘管中的液氮通过I、J、K管路到达带文丘利管的泵，通过过冷器泵将压力提高到1．0 MPa，然后液氮经过管路通入真空容器中的热沉，热沉是暴露在真空容器中的热负荷。因为流体通过热沉压力足够高，因此液氮仍保持为液体(不会改变为气相)，从热沉出来的液氮经过管路M和N回到浸在上部的贮槽中的过冷器盘管，当液氮通过过冷器盘管时，在真空容器中得到的热量与过冷液体进行热交换，这会引起在贮槽的液氮沸腾更强烈。当液氮在顶端液氮贮槽中气化，液氮会重新由低压液氮贮槽通过顶端液氮贮槽补充气化的液氮。液氮通过过冷器盘管后，接近顶端液氮贮槽一样的压力，然后液氮再次经管路I、J和K流向过冷器泵继续循环。

由过冷器盘管、管路 N、I、J、K 及文丘利管、液氮过冷器泵、管路L、主热沉和管路M所组成的带文丘利管单相密闭循环液氮系统是用于预冷热沉的系统，该系统启动和补充液氮损失是靠顶端液氮贮槽通过管路O到文丘利管，再进入液氮过冷器泵的吸入口。

(2)重力输送自循环系统

如上所述，顶端液氮贮槽中液氮损耗是由于热沉中的热负荷引起的，重力输送自循环系统的主要特点是在热真空容器中的热沉能保持要求的液氮温度主要依靠上方的贮槽，不是依靠液氮过冷器泵。

重力输送自循环系统工作循环为:液氮通过顶端液氮贮槽供应到真空容器内的热沉，通过管路P、J、Q和R到达热沉，先进入热沉较低的部分，然后就通过热沉整体区域或整体管路。

当液氮流动时，吸收真空容器中热沉的热量，因此会轻微的减少热沉内液氮的密度并增加热沉和导管J在同一高度任意点间的压力差。由于液氮继续在真空容器外的M管路中向上流动时，在某个高度或在低于顶端液氮贮槽的某个高度得到足够大的热量，液氮变为两相流并和供液管路J在相同高度比较具有更小的密度，因此给液氮提供了驱动力，这种驱动力可克服系统的摩擦损失并在自然对流的状态下进行流动，通过M和S管路两相流返回顶端液氮贮槽。

2.3 约翰逊空间模拟器的自然循环液氮系统

如图6所示为约翰逊空间中心模拟器的自然循环液氮系统。模拟器为满足詹姆斯·韦伯太空望远镜试验对其液氮系统进行改造，将强制循环液氮系统改造为自然循环液氮系统，是目前最简单效果较好的自然循环系统。系统消除了全部旋转部件并依赖自然循环(即依赖重力和密度变化)供应液氮到热沉，并使用五个相同的相分离器罐，每个0．9 m3，全部在模拟器顶部。模拟器热沉分为四个扇形体，每个扇形体由若干热沉区域组成，每个扇形热沉由独立的相分离器罐提供液氮，流体由上面贮罐靠重力自然流到热沉区域。相分离器罐中的液氮补充及热沉的预冷都是靠加热器加热环境蒸发器，用蒸发器产生的带压氮气充入液氮贮罐，用此罐中的液氮补充液氮和预冷热沉，该系统是目前最简单的自然循环液氮系统。由于改造后取消了液氮泵和减少了各种阀门，提高了系统的可靠性，自然驱动过程保证了系统的稳定性和低热沉温度。简化后的系统减少了维修和建造成本，提高了效率，节省了大量液氮，与改造前比较节省了27%的液氮。

图6 JSC空间模拟器自然循环液氮系统示意图

3 结束语

在各种使用液氮分配系统设备中，正常运行时，负荷允许的情况下应选用重力输送自循环(自然循环)液氮系统。因为该系统可达到较低的温度，最省液氮。选用自然循环系统后要进行一些技术准备工作。首先要进行液压测量，确定所需要的压力差，得到循环需要的液体蒸发率。本质上，最终在系统内会平衡蒸发率的值，对系统分析和预测是不可缺少的一个步骤，分析预测正如详细设计管路一样是个反复过程并正在走向成熟，通过分析和预测可以验证在系统内任何地方都不会超过最大蒸发率10%。在两相流的热力学和流体工艺设计中的工程能力和经验必须减少这些设计风险，通过预先设计来验证系统最终结果，以达到预期。

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