低温氮气膨胀制冷的热力学设计与分析

曹 鹏，雷 刚，江志杰，钱 华，梁文清，荀其宁

(1. 航天低温推进剂技术国家重点实验室,北京 100028; 2.东南大学 能源与环境学院,南京 210096； 3. 国防科技工业应用化学一级计量站,济南 250031)

0 引 言

近年来，低温液体的需求量迅猛增加，带动了储存低温液体的大型绝热容器的高速发展。在部分小型化工厂中，氮气的需求量较小[1]，外购液氮替代专业产氮装置，储存于低温液氮储罐中，在需要氮气时进行输出气化操作。液氮储罐中，由于低温液体工质沸点较低，储存过程中无法避免各类因漏热造成的蒸发损耗[2]。蒸发的低温氮气需要进行放空泄压，以保证液氮储罐的安全[3]。低温氮气的排空是一种冷量的浪费，从高压低温氮气到可安全排放的氮气过程当中，可利用高压气体压降制冷的方法回收部分被蒸发气化的液氮。

高压气体制冷的方法有节流膨胀、绝热膨胀和自由膨胀[4]。节流膨胀是运用最为广泛的方式,常用的实现节流膨胀的机械有节流膨胀阀和毛细管[5]。为与节流膨胀进行比较，本文采用刚性容器结合进排气阀设计，实现最简单的刚性容器绝热放气。基于索尔文制冷循环，实现活塞膨胀制冷[6]。

本文旨在利用高压低温氮气，通过不同的膨胀制冷方式进一步降低温度，让它与饱和高压氮气发生热量交换达到回收的目的，通过比较不同的热力过程中高压低温氮气的理论制冷量与实际制冷量，为减少大型液氮储存设备的损耗提供一种新的方法，对降低航空航天领域需要长期储存的低温介质的损耗有一定意义。

1 三种膨胀制冷装置设计比较

1.1 刚性容器绝热放气制冷设计

根据绝热膨胀制冷原理设计的液氮回收系统由液氮储罐、刚性容器、进排气阀和换热器组成，如图1所示。液氮储罐中的高压低温氮气经管道、进气阀进入刚性容器中，压缩原有工质并混合，理论上为刚性容器内的绝热压缩过程。混合后的氮气被容器上方的换热器进行预冷，氮气温度降低，进气阀关闭，排气阀打开，容器内的高压低温氮气进行绝热放气过程，经排气阀通过管道进入液氮储罐内的换热器，冷却回收液氮储罐上方的氮气后，再进入刚性容器，通过容器上方的换热器对容器内的混合氮气进行预冷。

图1 刚性容器绝热放气制冷液氮回收系统

1.2 索尔文活塞膨胀制冷设计

根据索尔文活塞膨胀制冷原理设计的液氮回收系统由液氮储罐、膨胀机、进排气阀和换热器组成，其中膨胀机分为冷腔、活塞、热腔和波动室四个部分，如图2所示。液氮储罐中的高压低温氮气经管道、进气阀进入冷腔，活塞在热腔与冷腔之间的压差的推动下上移，热腔内工质压力即将上升到进气压力时，热腔内工质通过小孔被压入波动室内，活塞继续上移，冷腔进入更多高压低温氮气，直到活塞到达上死点处。进气阀关闭，排气阀打开，冷腔内的高压低温氮气进行绝热放气过程，经排气阀通过管道进入液氮储罐内的换热器冷却液氮储罐上方的氮气后排到外界，冷腔压力迅速降低，活塞在冷热腔压差的作用下迅速下降。当热腔压力降低至排气压力时，波动室内气体通过小孔进入热腔内，推动活塞继续下降，直到下死点处，排气过程结束。由于所需的低温氮气在制冷后被放空，因此未设置回热器。

1.3 节流膨胀制冷设计

节流膨胀一般可以通过两种装置实现：毛细管节流、节流膨胀阀。本文采用的装置为节流膨胀阀。根据系统选配膨胀阀，以设计的名义工况下的制冷量为标准，选定容量比要求容量大20%左右的膨胀阀[7-8]。

图2 索尔文活塞膨胀制冷液氮回收系统

2 三种膨胀制冷方法的性能分析

2.1 刚性容器绝热放气制冷

现已知条件如下，液氮储罐容量为60 m3，日损失为1%，液氮储罐的安全排放压力为0.8 MPa，经过膨胀制冷机后的排放压为0.11 MPa。根据热物性数据库，氮的绝热指数为K=1.4。压力为0.8 MPa时，氮气的沸点为101.12 K，压力为0.11 MPa时，氮气的沸点为78.49 K。氮气热物性参数见表1。

表1 氮气热物性参数表

以刚性容器为热力系统，液氮储罐与定容绝热刚性容器通过进气阀连接，刚性容器另一接口通过排气阀与外界环境连接。在向刚性容器导入氮气前，进气阀和排气阀保持关闭，液氮储罐的压力为p0，温度为T0，刚性容器的压力为p1，温度为T1。打开进气阀，液氮储罐内高压低温氮气导入刚性容器，氮气进行混合，混合后刚性容器的压力上升为p2，温度上升为T2，刚性容器内的氮气与换热器内氮气发生热量交换，交换前后刚性容器内压力保持不变，即p3=p2，温度下降为T3。关闭进气阀，打开排气阀，刚性容器内氮气排出，残余氮气状态与导入氮气前相同，压力下降为p1，温度保持不变，即T1=T3。打开进气阀，关闭排气阀，进行下一次绝热放气制冷循环。

刚性容器绝热放气制冷循环由绝热充气和绝热放气两个过程构成，将刚性容器视为热力系统，氮气视为理想气体，不考虑进、排气阀的阻力损失。

绝热充气过程中，根据能量守恒方程：

(1)

h0M0=U2-U1=(M+ΔM)u2-Mu1

刚性容器中的热交换：

(2)

绝热放气过程中，根据能量守恒方程：

-dMhout+dU=0

(3)

温度比为：

(4)

每千克氮气的理论制冷量为：

q1=(T1-T0)=19.34 kJ/kg

(5)

进排气阀提前关、启和流动阻力等造成损失约为25%[9]，所以实际制冷量为：

qs=ηs·q1=14.51 kJ/kg

(6)

2.2 索尔文活塞膨胀制冷

索尔文制冷循环以膨胀机的冷腔和液氮储罐内的换热器为热力系统，不考虑冷腔的死容积等问题，氮气在冷腔内依次经过绝热升压充气、等压进气、绝热放气和等压排气四个过程。图3是索尔文制冷机中，理想状态下热力系统p-V图。

图3 索尔文制冷机冷腔理想p-V图

绝热升压过程中，根据能量守恒方程：

(7)

热腔减少的体积与冷腔增加的体积相等，即dVr=-dV1，将其代入(7)，积分得：

(8)

热腔中的压缩过程为绝热可逆压缩过程：

(9)

(10)

将(9)(10)代入(8)，可得该过程压缩产生的热量：

(11)

等压进气过程中，根据能量守恒方程：

(12)

等熵放气过程中：

(13)

(14)

所以该循环的总制冷量：

(15)

(16)

实际制冷量为：

qs′=ηre·ηreal·q2=12.14 kJ/kg

(17)

式中，ηre为热损失，取59%；ηreal为膨胀机示功图损失，取75%[9]。

2.3 节流膨胀制冷

工质从点1(pH=0.8 MPa)移动至点2(pL=0.11 MPa)，节流后工质温度为87 K，通过热交换器，可以降低液氮储罐中氮气的温度。单位质量工质可以提供的理论冷量为：

(18)

膨胀阀的损失率约为13%[10]，所以实际制冷量为：

qs″=ηf·q3=9.37 kJ/kg

(19)

2.4 性能比较

由表2可见，索尔文活塞膨胀的理论制冷量最大，节流膨胀的理论制冷量最小。但是，索尔文活塞膨胀的效率却是最低的，节流膨胀的效率最高。刚性容器绝热放气的实际制冷量最大，节流膨胀的实际制冷量最小。

表2 三种制冷方法的制冷量

3 结 论

通过刚性容器绝热放气、索尔文活塞膨胀和节流膨胀的制冷方法，可以有效地利用与回收液氮储罐中的高压低温氮气。这三种方法中，刚性容器绝热放气的实际制冷量最大，节流膨胀的实际制冷量和理论制冷量最小。虽然索尔文活塞膨胀的理论制冷量最大，但是效率最低，这可能是它更为复杂的机械结构和热力过程造成的。