用于大型空间环境模拟器的一种液氮制冷系统

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作者：刘波涛 北京卫星环境工程研究所
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摘要：本文介绍了我国新研制的一台大型空间环境模拟器KM6所采用的以液氮为制冷介质的带文丘利管的单项密闭泵增压循环制冷系统，并给出了该制冷系统的调试结果。
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1 R; L, V, y3 x. f; T7 F1 U% V$ F关键词：空间环境模拟器 液氮 密闭循环系统



1 前言

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3 H" y) a5 m+ K& n0 `  O7 v大型空间环境模拟器是通过模拟太空中的真空和冷黑等环境来对太空飞行器进行热真空和热平衡等试验，以验证太空飞行器的设计是否能达到其技术要求。液氮制冷系统是空间环境模拟器的一个主要分系统，它通过给真空容器内的热沉输送液氮，使热沉的温度低于100K，来模拟太空的冷黑环境。KM6空间环境模拟器的液氮制冷系统采用了带文丘利管的单相密闭泵增压循环的设计方案，原理图见图1。该方案在国外的一些大型空间环境模拟器上已被广泛采用，如美国的“德尔塔”设备[1]，而在我国则是首次应用。它同我国的KM3、KM4空间环境模拟器的液氮制冷系统相比主要是去掉了带压杜瓦，增加了一个文丘利管。KM6空间环境模拟器液氮制冷系统研制完成后，经调试及实际使用证明，该系统运行稳定、可靠，达到了其设计指标，并圆满地完成了某型号的试验任务。

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5 ^+ f; `* e* S: J. M, [9 |2 KM6液氮制冷系统的工作原理

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如图1所示，该液氮制冷系统主要由液氮泵、过冷器、热沉、文丘利管、液氮贮槽及阀门冷箱组成。其工作原理为：整个系统管路经过充分的预冷并充满液氮后，启动液氮泵，液氮泵将过冷状态下的液氮以一定的压力和流量输送到真空容器内的热沉，将热沉吸收的热量带走，使热沉的温度低于100K，然后返回过冷器，在过冷器内同常压下的液氮进行热交换，重新达到过冷状态，形成一个密闭循环制冷系统。
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% X! y' K- n' w8 H该系统的冷量来自于过冷器内液氮气化所产生的潜热。

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3 关键设备的选择与设计



' n8 M5 a% D; M. i4 z! b: R& B3.1 液氮泵


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液氮泵是KM6液氮制冷系统的一个关键设备，首先要根据该制冷系统的设计热负荷计算出所需的液氮循环流量，然后计算出系统管路的阻力损失，在该系统中所需的液氮泵的扬程即为管路的阻力损失。根据计算结果KM6液氮制冷系统选择了美国CV1公司生产的三台离心式液氮泵（其中一台为备用）。



型号为：2×4×7 1/2；


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3 @' e2 x% R1 q, A扬程为：130FeeT;

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& u7 A, C  R+ F9 l" |流量为：40m3/h。
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" j8 i- p, Q; A0 O3.2 过冷器

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过冷器的工作原理是利用容器里常压下的液氮气化所产生的潜热来冷却系统内循环的带有一定压力的液氮。过冷器的换热采用了板翅式换热器，而过冷器的绝热则采用了夹层为粉末真空的方式。根据设计指标，KM6液氮制冷系统共设计了两台过冷器，过冷器直径为2m，高为5m，每台过冷器的换热面积为158m2，过冷度为10K。

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过冷器内的液氮由于不断的气化而需要不断的补充，液位的控制采用了日本导电公司生产的PID单回路调节器通过控制低温气动薄膜调节阀的开度来进行控制，液位传感器则采用1151电容式差压变送器。
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; D) h6 k: E+ j' d6 G3.3 文丘利管


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9 j  {- Z7 J1 u2 a3 F* Y6 w; q文丘利管是决定了系统压力的一个关键部件，它通过喉部与过冷器相通，在液氮泵前建立起必要的背压，见图2，文丘利管喉部压力Ps等于过冷器内液位所产生的静压力和过冷器内压力之和，即：Ps=P0 γ?H。因此可根据液氮泵进口压力要求（大于其气蚀余量），过冷器的安装高度对文丘利管的结构尺寸进行设计，同时要保证文丘利管的喉部压力要大于其饱和蒸气压。
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5 F7 ?+ Y+ `% E8 O3 k' e) c3.4 液氮贮槽

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$ Z, F- k$ m- M# I3 |) ?3 \) J液氮贮槽是为系统的运行提供液氮，KM6液氮制冷系统共配置了四台液氮贮槽，总贮量为210m3。在标准贮槽基础上，共做了如下改进：



（1）增加了一个上进液管接口，可在系统预冷时和试验结束后回收系统内的液氮；
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: D8 ]+ R# h) N( Y' C. A（2）增加了压力和液位变送器（1151系列），使贮槽的压力和液位数据能传入控制室计算机进行集中显示与控制。
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（3）在贮槽的增压器上安装了一个低温电磁阀，使贮槽的压力实现了自动控制。
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, ~9 {5 \- U) Y! L3.5 阀门冷箱



6 t, }3 p, |$ [: V7 A/ oKM6空间环境模拟试验设备的热沉共分22路，为了保证热沉温度的均匀性，在每一路热沉的出口处安装了一台低温气动薄膜调节阀，进口处安装了手动低温截止阀。为了便于操作与保温，液氮制冷系统共设计了四台阀门冷箱。冷箱的绝热采用了堆积绝热的方未能，便于将来阀门的维修。
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) S  I* h: M/ \: [, K2 E4 调试结果


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1 u/ z, @6 d& `+ L4 L: \1 fKM6大型空间环境模拟器的液氮制冷系统于1998年7月进行了调试，经过5个小时的预冷后，启动了两台液氮泵，液氮制冷系统进入了单相密闭循环，各设备工作正常。液氮制冷系统的一组运行参数为：
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0 J9 ]$ m7 f$ }) q6 X% ^总流量：82m3/h；
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$ q; ]# P1 _$ ~" j3 a泵进口压力：0.2MPa；
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泵出口压力：0.4MPa；
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% {2 D: k# ^* g# _( J过冷器进口温度：-184℃；
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2 U( B; M' P# ]$ m过冷器出口温度：-194℃；

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* E; e3 I4 K& g- g4 M& z文丘利管喉部压力：0.18MPa；
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热沉温度：＜100K。


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5 结束语
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5 O9 _$ ~3 t! w从KM6液氮系统的调试结果看，各项技术指标均达到了设计要求。调试完成后，KM6空间环境模拟器共完成了两次试验任务，其中一次时间长达一个月之久。在整个试验过程中，液氮制冷系统运行平衡可靠，热沉温度始终保持在100K以下，较好地满足了试验的要求，试验也证明该制冷系统的研制是十分成功的。



2 g8 K% W: A( r* [5 a5 `; Y文章产权属于作者本人，摘自网上



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