真空羽流试验设备的负压液氮系统设计

刘然，凌桂龙，蔡国飙



真空羽流试验设备的负压液氮系统设计

刘然1，凌桂龙2，蔡国飙2

（1. 北京卫星环境工程研究所，北京 100094；2. 北京航空航天大学宇航学院，北京 100191）

真空羽流试验设备用于发动机真空羽流效应试验研究，同时兼顾卫星等热真空试验，对液氮系统有特殊要求。针对低至70K液氮温度需求，设计一种全新的负压液氮系统，即利用液氮在负压下具有比常压液氮更低的饱和温度，来获得比常压液氮系统更低的液氮温度。该负压液氮系统主要由液氮输送子系统、常压过冷器子系统、负压抽气子系统、液氮泵子系统、热沉子系统及排放子系统组成，其中常压过冷器子系统和负压抽气子系统构成“负压过冷器”，具有常压过冷器功能，供液温度可调，可为热沉提供70～77K液氮制冷，满足发动机羽流及卫星热真空试验需求。

空间环境模拟；液氮系统；负压过冷器；设计；真空羽流试验

0 引言

液氮系统是空间环境模拟设备的重要组成部分，其主要作用是为热沉提供液氮制冷，使热沉温度低于100K并保持热沉温度均匀。目前常用的液氮系统类型有开式沸腾系统、带压节流系统、单相流密闭循环系统，可根据试验用途及系统热负荷选择使用[1-5]。

北京航空航天大学2012年研制成功并正式投入使用的真空羽流试验设备（PES）是多用途试验设备[6]。不同于KM3、KM4、KM6等空间环境模拟试验设备[7-10]，PES专门用于姿轨控发动机真空羽流效应试验研究，同时兼顾卫星等热真空试验，因此对试验温度有特殊要求。

PES设备采用双层一体化结构设计方案，配有两套卧式圆筒形热沉[11]，即液氮热沉和液氦热沉，并安装于内径5.2m、长12.6m的卧式真空容器中。液氦热沉直径4.2m，长9.9m；液氮热沉直径4.6m，长10m；为增强吸附效应，最内侧安装羽流吸附泵。

PES热沉有两种工作模式：1）发动机羽流试验时，液氮热沉通液氮制冷，表面平均温度需低于90K（极限73K）；液氦热沉及羽流吸附泵通液氦制冷，表面平均温度需低于10K（极限4.2K）。2）卫星等真空热试验时，液氮热沉作为防辐射屏不工作，液氦热沉及羽流吸附泵通液氮制冷，表面平均温度需低于90K（极限73K）。

热沉温度越低抽气效率越高，但上述液氮系统需要为液氮热沉提供最低77K液氮，同时只能将液氦热沉制冷过程中液氮、液氦转换温区最低温度降至77K。另外，羽流试验时，液氮热沉温度及转换温区越低，就越能减小价格昂贵的液氦的消耗量，从而节约试验成本。

为给热沉提供低于77K的液氮制冷，本文设计了负压液氮系统，可为热沉提供最低70K的液氮，并可将液氮、液氦转换温区最低温度降至73K。

1 系统方案设计

负压液氮系统的主要技术指标：1）系统设计热负荷60kW；2）系统最高工作压力小于0.8MPa；3）系统可同时为液氮热沉及液氦热沉提供70～77K液氮制冷。

PES的负压液氮系统采用闭式循环，其中液氮泵选型及负压过冷器的设计是关键。负压液氮系统设计时，首先要选取负压过冷器的过冷度，根据设计热负荷计算所需的液氮循环流量；其次计算系统流阻，作为选择液氮泵流量及扬程的依据；再次根据选取的过冷度计算过冷器所需换热面积；最后根据选取的温度确定过冷器容器主体内部压力，并为过冷器配置相应的真空泵，形成负压抽气系统。

过冷器容器主体内部压力的确定方法是：在一定流量及压力条件下，过冷器容器主体中的液氮温度将决定换热器管路中液氮经过换热后的温度，如果过冷器容器主体采用的是常压液氮，则经换热后液氮温度通常为常压下的77K。为使液氮温度进一步降低，需要利用真空泵将过冷器容器主体内部压力降低，从而降低液氮的汽化温度，实现换热后管路中液氮温度的降低。液氮三相点的压力、温度分别为0.0125MPa、63.15K[12]，为了避免压力过低使液氮进入三相点导致液氮固化，同时传热恶化，过冷器容器主体内部液氮温度要求不低于63.15K，实际可按70K设计，此时对应的饱和蒸气压为0.039MPa，实际操作中利用真空泵抽至0.04MPa即可。

负压液氮系统主要由液氮输送子系统、常压过冷器子系统、负压抽气子系统、液氮泵子系统、热沉子系统及排放子系统组成（如图1所示），其中常压过冷器子系统和负压抽气子系统构成负压过冷器，可为热沉提供最低70K的液氮。液氮输送子系统为过冷器容器主体及系统管路提供液氮，负压抽气子系统为过冷器容器主体降压，使得过冷器容器主体内部饱和蒸气压在0.04～0.1MPa之间可调，实际值可根据热沉所需温度具体调节。当需要热沉提供73K背景温度时，启动负压抽气系统，将过冷器容器内部压力调节至0.04MPa；当热沉温度仅需要77K背景温度时，可关闭电加热器前端手阀，负压抽气系统不工作，过冷器相当于常压状态，此时过冷器容器主体内部饱和蒸气压为0.1MPa；如还需热沉温度在73～77K间可调，则仅需相应调节过冷器容器主体内部饱和蒸气压即可。

负压液氮系统工作包含开式预冷和闭式循环2个阶段。

1）开式预冷阶段

液氮储槽自带汽化器增压，液氮通过出液阀输送到管路中，依次流经过冷器、液氮泵旁路阀进入液氮热沉及液氦热沉，充分利用液氮汽化潜热及气氮部分显热对液氮热沉及液氦热沉预冷，预冷升温后的流体通过总放空阀排入大气。开式预冷过程中如有液氮排出，可开启气动截止阀将液氮回收至液氮储槽。当管路和液氮热沉及液氦热沉预冷完成后，进入闭式循环阶段。

2）闭式循环阶段

将液氮泵所在管路预冷至液氮温区后，启动液氮泵将液氮加压后进入液氮热沉，打开过冷器回液阀，关闭热沉放空隔离阀，通过阀门调节进入液氮热沉的液氮量，使液氮在热沉内完成热量交换，温度升高后的液氮进入过冷器成为过冷液氮，通过回流管路进入液氮泵，继续下一个循环。

根据试验需求，负压液氮系统主要有2种工作模式，如图2所示。

1）发动机羽流试验模式。在此工作模式下，为减小液氦耗量，液氮热沉和液氦热沉须同时工作，其中液氦热沉先通液氮预冷至液氮温区，然后通液氦预冷至液氦温区。预冷过程中，当液氮热沉和液氦热沉同时开式预冷至85K左右时，启动真空泵将过冷器容器主体内部压力抽至负压0.04MPa并维持，使经过过冷器换热后的液氮降至70K，进一步将液氮热沉和液氦热沉预冷至73K；然后停止对液氦热沉的液氮供应，同时启动液氮泵，使液氮热沉单独开始闭式循环，充分保持液氮热沉温度的均匀性，以降低液氮热沉对液氦热沉的热辐射，此后液氦热沉改用液氦继续预冷至液氦温区。

2）卫星热真空试验模式。在此工作模式下，液氮热沉作为防辐射屏不工作，仅液氦热沉工作。向液氦热沉输入液氮制冷，系统管路经过充分预冷并充满液氮后，启动液氮泵，将过冷状态下的液氮以一定压力和流量输送至液氦热沉，将液氦热沉吸收的热量带走，使液氦热沉的温度低于100K，然后返回过冷器，在过冷器内与压力为0.04～0.1MPa的液氮进行热交换，重新达到过冷状态，形成一个密闭循环的制冷系统。

图2 负压液氮系统工作模式

2 关键设备的设计与选型

2.1 液氮泵选型

液氮泵所需循环流量[13]为

1=36001/(c·Δ1·1)， (1)

式中：1为系统热负荷，60 kW；c为液氮质量定压热容，2.1kJ/(K·kg)；Δ1为液氮过冷度，4K；1为液氮密度，772kg/m3。计算得到液氮循环流量1=33.3m3/h。

计算液氮泵扬程时，仅需考虑液氮在管路内循环的阻力损失即可，计算公式[14]为

ΔΔ1+Δ2， (2)

， (4)

式中：Δ1为沿程阻力损失，Pa；Δ2为局部阻力压力损失，Pa；为量纲为1的摩擦阻力系数；为管路长度，m；为管道直径，0.08m；为平均流速，2.46m/s；Σ为液氮循环局部阻力系数之和。

为计算，首先计算雷诺数[14]：

=/， (5)

式中：为液氮动力黏度，由深冷泵手册查得85K时，=1.16×10-4kg/ms。

由=1.21×106＞4000，判定液氮流动状态为紊流，得到=0.0953，由此计算Δ1=0.06MPa；根据液氮在循环管路中实际流动的弯头、三通、接管嘴及阀门等局部阻力类型及数量，计算局部阻力Δ2=0.19MPa；最终得到液氮循环管路总的阻力损失Δ=0.25MPa。

得出所需液氮泵扬程为0.3MPa（阻力损失乘1.2的安全系数即为泵的扬程）。经调研，法国CRYOSTAR公司CS190型离心式液氮泵满足要求，其流量40m3/h，扬程0.3～0.35MPa。

2.2 负压过冷器设计

负压过冷器具有常压过冷器功能，其工作原理是利用容器内低压液氮汽化来冷却管道内高压循环的液氮。板翅式换热器单位体积换热面积大、加工方便、成本低，因此液氮系统采用铝材板翅式换热器。根据换热面积、冷媒消耗量及工作压力等主要参数，设计负压过冷器。

1）常压过冷器设计

过冷器冷媒消耗量[13]为

=1/， (6)

式中：为冷媒的消耗量，kg/h；为蒸发潜热，J/kg。经计算=1091kg/h=1.4m3/h=0.4L/s。

过冷器换热面积[13]为

=1/(·Δ)， (7)

式中：为过冷器换热面积，m2；为换热系数，kW/(m2·K)；Δ为过冷度，K。经计算=39m2，采用铝板翅式换热器，放在5m3真空粉末绝热液氮储槽中，过冷度大于5K。

2）负压抽气系统设计

负压抽气系统主要由真空泵和电加热器组成：真空泵用于将过冷器容器主体抽气至设定压力；电加热器用于保证真空泵入口温度，避免真空泵工作时因入口温度过低而发生损坏。为了降低设备研制成本，可考虑利用PES设备中现有设备：真空抽气系统中的SP630螺杆泵名义抽速175L/s，可满足负压抽气系统的抽气要求；气氮系统中的60kW电加热器也能满足负压抽气系统的加热要求。

3）过冷器液位控制

过冷器中的液氮由于在运行过程中消耗而需要不断补充，其液位控制很重要。选择性能稳定的1151电容式差压变送器进行液位控制，其控制原理是：过冷器液氮液位的传感器测量值与设定值的差值，经PID运算后，控制气动调节阀的开度，从而实现控制过冷器液位的目的。其控制信号为4～20mA，控制误差为±100mm。

最终确定的负压过冷器主要性能参数为：热负荷60kW；换热面积39m2；容器设计压力1.2MPa；容器工作压力0.04～0.15MPa；换热器工作压力0.3MPa；蒸发温度70～77K。

2.3 液氮储槽选型

为满足负压液氮系统使用要求，在标准储槽基础上，应做如下修改设计：

1）增加口径为DN80的上进液管接口，可在液氮系统预冷时和试验结束后用于液氮回收；

2）增加压力和液位变送器，使储槽压力和液位数据能够实时传送至上位机并进行集中显示与控制；

3）在储槽增压器管路前安装低温电磁阀，以实现储槽增压的自动控制。

根据试验需求，PES设备配有2个20m3立式液氮储槽，其最高工作压力为0.8MPa，液氮总储存量为40m3。根据式(6)的计算结果，在系统热负荷60kW条件下，液氮储存量（95%充装率）可满足28h连续运行。对于长时间的试验，需进行液氮补加，液氮槽车转注20m3液氮需3h，因此可通过转注方式满足系统连续运行需求。

2.4 调试结果

利用某姿轨发动机真空羽流试验对PES的负压液氮系统进行了调试，结果如下：

1）液氮循环流量50.0m3/h；热沉单次预冷（300～73K）所需液氮量为4m3，时间为3h；

2）采用34路PT100对液氮热沉进行测温，进入闭式循环后热沉温度分布均匀，平均温度达到74.5K，但存在局部降温缓慢的现象；

3）过冷器内部压力调节为0.05MPa，负压过冷器液面温度达到71.6K。

3 结束语

本文详细介绍了PES的负压液氮系统的设计指标、系统组成、工作原理及主要子系统的设计。负压液氮系统中由常压过冷器子系统和负压抽气子系统构成的负压过冷器具有常压过冷器功能，可同时为液氮热沉和液氦热沉提供设计温度为70～77K的液氮，且液氮温度可调。系统经调试发现，由于负压抽气系统管阻较大，最终过冷器内部压力稳定在0.05MPa，负压过冷器液面温度达到71.6K，未能达到70K的设计温度。今后可在现有基础上进一步改进，减少系统阻力，达到设计目标，以满足科研生产的需求。

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（编辑：许京媛）

Design of negative pressureliquid nitrogen system of vacuum plume experimental facility

LIU Ran1, LING Guilong2, CAI Guobiao2

(1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China;2. School of Astronautics, Beihang University, Beijing 100191, China)

The plume effect experimental system(PES) is used for the plume effect test of rocket engines and the vacuum heat tests of satellites, with special requirements for the liquid nitrogen system. A new negative system is designed for the liquid nitrogen temperature as low as 70K. In this system, the liquid nitrogen at a negative pressure is used to have a lower saturation temperature than the atmospheric pressure nitrogen, and to obtain a lower liquid nitrogen temperature than the conventional liquid nitrogen subsystems. The negative pressure liquid nitrogen system consists of the liquid nitrogen delivery subsystem, the atmospheric subcooler subsystem, the negative pressure pumping subsystem, the liquid nitrogen pump subsystem, the heat sink subsystem and the discharge subsystem, where the atmospheric subcooler subsystem and the negative pressure pumping subsystem are combined to serve as the negative pressure subcooler. With the atmospheric subcooler, the negative pressure subcooler can adjust the temperature of the feeding fluid and provide the heat sink with 70-77K liquid nitrogen for refrigeration, to meet the demand of the engine plume experiment and the thermal vacuum test of satellites.

space environment simulation; liquid nitrogen system; negative pressure subcooler; design; vacuum plume experiment

V416.8

A

1673-1379(2017)04-0429-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.016

刘 然（1984—），女，硕士学位，从事空间环境模拟设备研制工作。E-mail: liuran_cast511@126.com。

2017-03-29；

2017-07-13