一种低温风洞氮气回收装置及回收方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种氮气回收装置及回收方法，属于低温风洞技术领域，尤其涉及一 种低温风洞氮气回收装置及回收方法。
【背景技术】
[0002] 低温风洞试验中，通常采用低温技术来获取较大的试验雷诺数，而低温是通过向 风洞回路喷射液氮，液氮汽化吸收大量热量以降低试验环境温度的方法来获得。因为低温 风洞排出的氮气压力、温度、流量范围非常大。例如欧洲大型低温跨声速风洞（ETW)，流量 范围为：50kg/s--250kg/s，压力范围为：L 15ba--4. 5ba，温度范围为：110k--332k。 通常的工艺是无法将其回收的，只能排入大气。汽化后的氮气温度仍然很低，需要经过处理 后才能排入大气。目前世界上已投入运行的大型低温风洞有两座，一座是20世纪80年代 由美国建造的NASA兰利中心国家跨声速设备（NTF)，另一座是1994年10月由德、法、英、荷 合作建造的欧洲大型低温跨声速风洞（ETW)。在低温氮气的处理上，NTF采用的是加热耐火 材料，低温氮气通过高温耐火材料升温再排放到高空中；ETW采用的是燃烧液化石油气将 空气加热到高温，再使低温氮气与高温烟气混合最后排放到高空中。这两种方法都需要耗 费大量能源，而且低温氮气所含的大量冷量也会浪费。
[0003] 在中国发明专利说明书CN104110574A中公开了一种低温气体冷凝回收系统及其 方法，它包括储罐、泵、切换阀、第一阀、低温制冷机、储液罐、第二阀；储罐、泵、切换阀第一 入口顺次相连，切换阀出口、第一阀、低温制冷机、储液罐顺次相连，储罐与切换阀第二入口 相连，切换阀出口与第二阀相连。但是该发明仅适用于冷凝回收LNG车载燃料瓶、LNG槽罐 车、储罐等在年检或检修维保过程中须排掉的天然气，以及相应氮气、氧气、氩气等低温气 体储罐检修时的气体回收，不适合用于低温风洞试验后排出的低温氮气的回收。
[0004] 在中国实用新型专利说明书CN202625854U中公开了一种氮气回收利用装置，它 包括1.0 MPa氮气压缩机、2. 5MPa氮气压缩机、自动调流量节阀（V1681)、第一手阀（V1617) 和氮气缓冲罐。1.0 MPa氮气压缩机的出口与LOMPa氮气管网相连，2. 5MPa氮气压缩机的 出口与2. 5MPa氮气管网相连，第一手阀的进口与2. 5MPa氮气压缩机的出口相连，第一手 阀的出口与1.0 MPa氮气压缩机的出口相连，自动流量调节阀的进口与2. 5MPa氮气压缩机 的出口相连，自动流量调节阀出口与LOMPa氮气压缩机出口相连。当LOMPa氮气管网压 力下降时，可适当打开第一手阀或自动流量调节阀，让2. 5MPa氮气适度补进LOMPa氮气系 统。虽然该使用新型提供了一种氮气回收装置，但是它的作用仅仅是一种2. 5MPa放散氮气 回收利用到1.0 MPa管网的装置，它无法实现对风洞试验后排出的低温氮气的回收利用。
【发明内容】
[0005] 针对上述现有技术存在的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种低温风洞氮 气回收装置及回收方法，它能够有效地实现低温风洞试验后排出的低温氮气的回收利用。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用了这样一种低温风洞氮气回收装置，包括低温 风洞回路，氮气压缩膨胀系统；所述低温风洞回路和所述氮气压缩膨胀系统之间还设置有 氮气回收系统，它们三者依次相连；所述氮气回收系统包括真空低温罐和低温真空泵。
[0007] 在本发明公开了的一种优选实施方案中，所述真空低温罐内装有液氮。
[0008] 在本发明公开了的一种优选实施方案中，所述氮气压缩膨胀系统包括依次连接的 缓冲罐，压缩机，热交换器1，热交换器2,节流阀，气液分离器；所述热交换器1上并联有膨 胀机。
[0009] 在本发明还公开了一种利用该低温风洞氮气回收装置回收氮气的方法，其包括以 下步骤：(a)利用所述低温真空泵对所述真空低温罐抽真空，实现的液氮蓄冷步骤；(b)完 成液氮蓄冷后，将所述低温风洞回路排出的低温氮气冲入所述真空低温罐内，实现低温氮 气热交换回收步骤；（c)完成低温氮气热交换回收后，向所述真空低温罐内补充液氮，再次 开始液氮蓄冷步骤。
[0010] 在本发明公开的一种利用该低温风洞氮气回收装置回收氮气的方法的优选实施 方案中，液氮蓄冷步骤包括，（1)开启所述低温真空泵，对所述真空低温罐进行抽真空，开始 蓄冷过程；（2)所述真空低温罐内的液氮变为氮浆，关闭所述低温真空泵，蓄冷过程结束。 [0011] 在本发明公开的一种利用该低温风洞氮气回收装置回收氮气的方法的优选实施 方案中，所述真空低温罐内真空度为l〇KPa，所述真空低温罐内的液氮变为氮浆。
[0012] 在本发明公开的一种利用该低温风洞氮气回收装置回收氮气的方法的优选实施 方案中，所述低温氮气热交换回收步骤包括，（1)将所述低温风洞回路中的氮气冲入所述低 温真空泵内，使氮气与所述真空低温罐内的氮浆混合，实现热交换过程；（2)当低温氮气变 为液氮时热交换过程结束，所述低温风洞氮气回收步骤完成。
[0013] 在本发明公开的一种利用该低温风洞氮气回收装置回收氮气的方法的优选实施 方案中，所述真空低温罐内真空度为常压时，热交换过程结束。
[0014] 在本发明公开的一种利用该低温风洞氮气回收装置回收氮气的方法的优选实施 方案中，所述氮浆为固态氮或者固液混合态氮或者低温液氮。
[0015] 本发明的工作原理是：利用液体在低压环境下沸点会降低的特性，将储存在真空 低温罐内的液氮抽真空，随着罐内压力的降低，液氮的沸点降低，更快地汽化，汽化过程中 吸热将剩余的液氮温度降低，使之变成氮浆（即固态氮或者固液混合态氮或者低温液氮或 者它们的混合物），再将风洞回路中的氮气充入上述状态的氮中，通过与之热交换将其液 化，同时真空泵抽出的氮气通过压缩膨胀系统可再次液化。
[0016] 本发明的有益效果是：通过在低温风洞回路低温氮气的出口设置氮气回收系统， 可以有效地实现对风洞试验后低温氮气的回收利用；通过设置氮气压缩膨胀系统有效地保 证了本发明对氮气的高效回收利用；通过使用本发明，不仅可以节约大量消耗在处理风洞 试验后低温氮气的能源，同时缩减了设计制造处理低温氮气的设备的经费；而且本发明结 构简单、制造成本低廉、安装使用方便，极大的缩减了氮气回收设备的制造使用成本。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明实施例的一种低温风洞氮气回收装置结构示意图；
[0018] 图2是本发明实施例的一种低温风洞氮气回收装置连接关系示意图；
[0019] 图中：1-低温风洞回路，2-氮气回收系统，3-压缩膨胀系统，2a_真空