自重式低温泵循环供液装置的制作方法

本发明属于空间环境模拟技术领域，具体涉及一种用于空间环境模拟器中的低温泵供液系统。

背景技术：

低温泵作为大型空间环境模拟器中重要的高真空无油抽气设备，需要选择一种供液装置为障板提供所需要的液氮，依靠液氮的流动使其温度维持在120K以下。供液系统需要为低温泵的液氮障板持续不断供应一定流量和压力的液氮，按供液方式通常分为贮槽自增压循环供液系统、开式沸腾系统和自重式循环供液系统。贮槽自增压供液系统要求系统至少配置两台贮槽，一台用于供液，一台用于回收液氮，液氮可回收再使用。但是，贮槽安装在室外，决定了系统液氮管路长，冷量损失大，经济性能较低。对于开式沸腾系统，管路设计简单，但由于回液管路中的残余液氮直接排入大气，一定程度上造成液氮浪费及环境污染。

自重式循环供液系统，具有原理简单，无需采购运转设备以及复杂的管路，可靠性高、维修方便，一次性投资费用节省等优点，拥有相当大的优势。同时由于液氮的循环利用，也减少了系统的运行费用。

2003年北京卫星环境工程研究所邹定忠在低温技术学术交流会上发表的《重力供应冷却用液氮的方法及其应用》中提到“直接利用液氮重力来供应液氮的系统”，并在1989年开始尝试使用这种方法，其系统原理图如图1所示，该系统包括液氮贮槽和供送液氮用于冷却的冷却盘管，液氮贮槽位于冷却盘管上方通过重力作用液氮进行流动。

技术实现要素：

本发明目的是在重力供应液氮的基础上，提出了一套结构合理，系统配置简单，同时实现自动化操作的自重式低温泵循环供液系统。该系统能够为4台并联运行的DN1250低温泵障板持续提供液氮，保证其温度在工作期间低于120K。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

自重式低温泵循环供液系统，包括立式液氮贮槽、低温管道、气动阀门、两组以上的并列设置的手动阀门和低温泵的液氮障板，其中，立式液氮贮槽中的液氮通过气动阀门经低温管道流入若干组并列设置的手动阀门和低温泵的液氮障板，每组包括两路并联的手动阀门和低温泵的液氮障板，位于高处的液氮贮槽处在常压状态下，液氮经过供液管道流入低温泵的液氮障板，液氮在液氮障板中吸收热量，部分汽化，变成两相流，汽液两相流从液氮障板流出后经手动阀门返回供液贮槽，气相通过贮槽上的放空阀排出室外，液相回收进贮槽参与下一次循环。

其中，低温管道为真空多层绝热管，管道分为内管和外管，中间为真空夹层，真空度不低于1.3×10^-2Pa。

其中，系统管路的工作温度范围是-196℃～+120℃，设计压力0.8MPa。

其中，液氮在供液管道和回液管道中流动时管内不同位置的压力均不同。

其中，低温泵供液系统的管道为真空多层绝热管，内外管材为304不锈钢。

其中，液氮贮槽和供液管道上分别设置有压力传感器和低温气动阀门。

其中，每个液氮障板的液氮入口处还分别设置有另外的手动阀门。

其中，每组并列设置的手动阀门和低温泵的液氮障板的液氮流出口顶部分别会合到一放空口上。

其中，液氮贮槽还设置有增压气动阀、卸压气动阀、排液气动阀、补液气动阀。

增压气动阀安装在液氮贮槽的增压管道上，作用在增加液氮贮槽的压力。增压气动阀打开时，液氮贮槽中的液氮通过增压气动阀流入自身配置的汽化器汽化成氮气后再返回液氮贮槽从而使液氮贮槽的压力上升，待压力上升到指定压力后再关闭增压气动阀。

卸压气动阀安装在液氮贮槽的放空管道上，作用在降低液氮贮槽的压力。卸压气动阀打开时，液氮贮槽中的氮气通过放空管路排出从而使液氮贮槽的压力下降，待压力下降到指定压力后再关闭卸压气动阀。

排液气动阀安装在液氮贮槽的排液管道上，作用在于向其他需要液氮的设备供应液氮。排液气动阀打开时，液氮贮槽中的液氮通过排液管路排出液氮贮槽；待液氮不使用时再关闭排液气动阀。

补液气动阀安装在液氮贮槽的补液管道上，当液氮贮槽的液位下降到指定值时，补液气动阀打开，液氮通过补液阀门流入到液氮贮槽中从而向液氮贮槽补液。

本发明的自重式低温泵循环供液技术，具有原理简单，应用广泛，可靠性高、维修方便，一次性投资费用节省等优点，拥有相当大的优势，本发明技术具有以下改进效果：

(1)实现了液氮贮槽的自动补液功能和压力、液位监控功能；

(2)实现了4台并联低温泵的障板自动供液，使其温度维持在120K以下；

(3)系统管路采用真空多层绝热管，最大程度上减少了辐射换热引起的冷量损失。

附图说明

图1是现有技术中的重力供液示意图；

其中：1-液氮贮槽；2-冷却盘管；

图2是本发明的自重式低温泵循环供液系统的结构示意图；

其中：1-液氮贮槽；22-低温管道；23-气动阀门；24-手动阀门；25-低温泵；

图3是本发明的自重式低温泵循环供液系统液氮贮槽的结构示意图；

1-液氮贮槽；32-增压气动阀；33-卸压气动阀；34-排液气动阀；35-补液气动阀；36-传感器；

图4是本发明的自重式低温泵供液系统的中液氮的供液实施流程图。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

参见图2，本发明的自重式低温泵供液系统，包括立式液氮贮槽1、低温管道22、气动阀门23、两组以上的并列设置的手动阀门24和低温泵25的液氮障板，其中，立式液氮贮槽1中的液氮通过气动阀门23经低温管道22流入若干组并列设置的手动阀门24和低温泵25的液氮障板，每组包括两路并联的手动阀门24和低温泵25的液氮障板，位于高处的液氮贮槽1处在常压状态下，液氮经过供液管道流入低温泵25的液氮障板，液氮在液氮障板中吸收热量，部分汽化，变成两相流，汽液两相流从液氮障板流出后经手动阀门返回液氮贮槽1，气相通过贮槽1上的放空阀排出室外，液相回收进液氮贮槽参与下一次循环。在一具体的实施方式中，低温管道为真空多层绝热管，管道分为内管和外管，中间为真空夹层，真空度不低于1.3×10^-2Pa，系统管路的工作温度范围是-196℃～+120℃，设计压力0.8MPa。

特别地低温泵供液系统的管道为真空多层绝热管，内外管材为304不锈钢。

参见图3，本发明的自重式低温泵循环供液系统液氮贮槽的结构示意图；为了实现自动化操作，液氮贮槽1上配有2个气动开关阀32和33，用于贮槽的自动增压和自动卸压实现自动增卸压，配有2个气动调节阀34和35，实现自动补液和自动排液；另外，液氮贮槽上配置有传感器36，用于自动监测贮槽的液位和压力。

在自重式循环供液系统中，从液氮贮槽中流出的液氮为一个大气压下的饱和液氮，温度为77.35K。如果供液管道完全绝热，当液氮流动到低温泵的液氮障板的进口处时，应为该压力下的过冷液氮。在大型空间环境模拟器的自重式循环系统中，供液管一般选择真空多层绝热管或现场发泡保温。考虑到实际管道存在一定的漏冷损失，可以认为在低温泵障板的进液口处为单相饱和状态液氮。

位于高处的液氮贮槽处在常压状态下，饱和液氮经过供液管道中流入4台并联运行低温泵中的液氮障板，液氮在液氮障板中吸收热量，部分汽化，变成两相流，汽液两相流从液氮障板流出后经回液管道返回供液贮槽，气相通过贮槽上的放空阀排出室外，液相回收进贮槽参与下一次循环。

自重式低温泵循环供液系统能够在低温泵的不同阶段有不同的工作模式，参见图4。

工作时，控制系统通过PID调节补液阀的开度将贮槽的液位稳定在设定值，即启动液氮贮槽自动补液程序：

设定好贮槽的液位范围(液位高度可根据现场工作情况确定)。当贮槽液位低于设定值时，控制打开液氮贮槽补液阀，向贮槽加注液氮，液位高于设定值时，关闭补液阀停止加注液氮。

液氮开式预冷管路：

管路预冷阶段对应的是开式预冷工作模式，此时管道及液氮障板的温度处于室温状态，预冷时，管道及障板内的液氮迅速汽化为氮气，如果大量的氮气进入贮槽会引起液氮大量汽化，因此气体通过管路系统排出室外，不进行回收操作。

液氮贮槽卸压至常压：

打开液氮贮槽的放空阀，同时监测贮槽的压力，当压力表数值降至0MPa时方可进行一下步操作。

启动重力自循环工作模式：

监测回液管路上传感器的温度值，当数值低于-120℃时，此时从低温泵返回的为气液两相状态的流体，此时可将流程切换到重力自循环工作模式，即从低温泵流出的气液两相流返回液氮贮槽，同时监测低温泵一级冷头及液氮障板的温度是否满足试验要求。

当单相饱和液氮流入障板后，可认为在流动方向上受到均匀的热负荷。因此，随着液氮在障板中的流动，液氮吸热不断汽化，从单相流变成为两相流。如果障板中液氮的流量过大，只有少量液氮汽化，可能会导致汽化量过少，障板进出口密度差不显著，没有形成足够的驱动力使液氮循环流动，同时大量液氮返回液氮贮槽，增加了部分液氮的气化；如果障板中的液氮流量过小，液氮大量汽化，液氮障板出口处出现“干涸”现象，及液氮全部汽化，传热恶化，导致障板局部壁面温度不断升高，这种状态下，沸腾换热的流型大多是弥散流，甚至变成单相蒸汽。因此，为了保证低温泵液氮障板温度保持在120K以下，一般将出口处的两相流流型控制在泡状流或弹状流为最佳。

液氮贮槽安装位置及液位高度是自重式供液系统的重要参数之一。液氮贮槽的容积可根据低温泵的液氮障板消耗量选择，再根据液氮容器选择合适的液位高度。其安装位置要求必须高于低温泵的安装位置，一般在设备布局设计时需要预先确定液氮贮槽的安装位置。另外，尽可能缩短水平方向上液氮贮槽与低温泵的距离，因为相比竖直管道，低温泵预冷时水平管道中更容易出现气堵现象。

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。