空间环模设备低温系统的氮气回收液化装置的制作方法

本发明属于航天器真空热试验技术领域，具体而言，本发明涉及一种针对空间环境模拟器的氮气回收液化装置。

背景技术

空间环境模拟器用于模拟太空中的真空冷黑环境，通过液氮来模拟低温环境，现有技术中的空间环境模拟器试验过程中在系统预冷阶段、正常工作阶段和回温阶段会向周围环境排放液氮、低温氮气。

如图1所示，现有的空间环模设备低温系统1包括空间环模设备11、过冷器12以及液氮贮槽2，三者通过管路进行连接，其中，在预冷阶段，来自液氮贮槽2的液氮通过液氮管道对液氮泵13、空间环模设备11和过冷器12进行冷却，冷却后的残留液氮和低温氮气通过预冷放空管道14排向大气环境。

空间环模设备低温系统1在稳定工作阶段，液氮在液氮泵13、空间环模设备11和过冷器12之间单相密闭循环，并无液氮排出。但为了将单相密闭循环中的高温液氮温度降低，过冷器12腔体中不断有液氮汽化，汽化后的低温氮气通过过冷器放空管道15排向大气环境。

在停机回温阶段，液氮泵13停止工作，需要将空间环模设备低温系统1中的液氮通过预冷放空管道14排除系统。初期会排出大量的液氮和低温氮气。

各个阶段放空氮气排放到环境中，产生大量白雾影响周围能见度，且液氮消耗量大，试验过程中需要频繁向系统补充液氮。对于液氮供应不方便的地方，需要一种空间环境模拟器氮气回收液化装置，将防空的氮气回收再液化，送回至系统中，减少液氮消耗，满足用户要求

技术实现要素：

针对现有技术中空间环模设备低温系统在试验过程中排放低温氮气/液氮，影响周围环境且造成液氮消耗量大的现象，本发明提供了一种空间环境模拟器氮气回收液化装置，将试验过程中放空的氮气/液氮回收并再液化，重新流回液氮贮槽，用于向低温系统提供液氮，有效地减少了液氮消耗。

本发明的用于空间环模设备低温系统的氮气回收液化装置，包括：一级换热器、二级换热器、三级换热器、压缩机、膨胀机、节流阀，低温氮气和液氮的排放废气回收管道以及液氮流出管道，其中，空间环模设备低温系统放空的低温氮气和液氮通过低温氮气和液氮的排放废气回收管道进入一级换热器进行回温，通过一级换热器的氮气与膨胀机出口的低温氮气汇合后经过二级换热器和三级换热器回温至常温，进入压缩机压缩为高压氮气，高压氮气通过三级换热器进行冷却，通过三级换热器冷却后的氮气一部分进入膨胀机膨胀降温后与通过一级换热器回温的放空氮气汇合，另一部分氮气通过二级换热器和一级换热器降温至低温，再经节流阀节流获得液氮，经过液氮流出管道流出进行回收。

其中，在每个换热器的出口处设置温度计和流量计以便于对温度和流量进行测量。

其中，根据需要，还可以包括依次串联的额外换热器，以便使回收的液氮和氮气废气混合物冷却到相应的温度。

其中，膨胀机是活塞式或透平式的。进一步地，膨胀机是利用压缩气体膨胀降压时向外输出机械功使气体温度降低的机械。

其中，膨胀机是膨胀涡轮-压缩机组，膨膨胀涡轮中氮气膨胀产生的机械功进一步压缩氮气，达到更高的气压。

其中，压缩机出口的高温、高压氮气通过水冷或风冷预先冷却，再进去三级换热器。

进一步地，本发明还提供了一种具有上述氮气回收液化装置的空间环模设备低温系统，包括空间环模设备、过冷器、液氮贮槽以及氮气回收液化装置，其特征在于，空间环模设备低温系统通过过冷器放空管道排向大气环境的氮气和液氮排放废气与通过预冷放空管道排放的氮气和液氮排放废气汇合后，进入氮气回收液化装置的排放废气回收管道，经过降温后再经过液氮流出管道流出回收进入液氮贮槽中。

本发明能够将废弃的低温氮气/液氮重新液化回收再利用，既能够节省系统的液氮消耗量减少液氮加注的次数，也能避免低温氮气/液氮排空时对环境的影响。

附图说明

图1为现有技术中的空间环模设备低温系统的结构示意图；

其中，1为空间环模设备低温系统；11为空间环模设备；12为过冷器；13为液氮泵；14为预冷放空管道；15为过冷器放空管道；2为液氮贮槽。

图2为本发明一具体实施方式的氮气回收液化装置的结构示意图；

其中，2为液氮贮槽；3为氮气回收液化装置；31为一级换热器；32为二级换热器；33为三级换热器；34为压缩机；35为膨胀机；36为节流阀。

图3为配置了本发明的氮气回收液化装置的空间环模设备低温系统结构示意图；

其中，1为空间环模设备低温系统；2为液氮贮槽；3为氮气回收液化装置；31为一级换热器；32为二级换热器；33为三级换热器；34为压缩机；35为膨胀机；36为节流阀。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，这些说明仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明的保护范围。

参见图2，图2为本发明一具体实施方式的氮气回收液化装置的结构示意图，其中，氮气回收液化装置3，包括：一级换热器31、二级换热器32、三级换热器33、压缩机34、膨胀机35、节流阀36，低温氮气和液氮的排放废气回收管道以及液氮流出管道，其中，空间环模设备低温系统放空的低温氮气和液氮通过低温氮气和液氮的排放废气回收管道进入一级换热器31进行回温，通过一级换热器31的氮气与膨胀机35出口的低温氮气汇合后经过二级换热器32和三级换热器33回温至常温，进入压缩机34压缩为高压氮气，高压氮气通过三级换热器33进行冷却，通过三级换热器33冷却后的氮气一部分进入膨胀机35膨胀降温后与通过一级换热器31回温的放空氮气汇合，另一部分氮气通过二级换热器32和一级换热器31降温至低温，再经节流阀36节流获得液氮，经过液氮流出管道流出进行回收。

在一具体的实施方式中，分别在三个换热器的出口处设置温度计和流量计，以便及时对相关位置的温度和流量计进行监测。

此外，在另一实施方式中，在三级换热器33后还可以依次串联四级换热器，以便使得废气降低到需要的温度。

图3显示了配置了本发明氮气回收液化装置3的空间环模设备低温系统1。其中，本发明的空间环模设备低温系统1，包括空间环模设备11、过冷器3、液氮贮槽2以及氮气回收液化装置3，其特征在于，空间环模设备低温系统1通过过冷器3放空管道排向大气环境的氮气和液氮排放废气与通过预冷放空管道排放的氮气和液氮排放废气汇合后，进入氮气回收液化装置3的排放废气回收管道，经过降温后再经过液氮流出管道流出回收进入液氮贮槽中。

在空间环模设备低温系统1启动时需要预先将整个管路系统冷却，液氮贮槽2中的液氮输送至在空间环模设备低温系统1中，将液氮泵13、空间环模设备11和过冷器12冷却，预冷过程中液氮气化为液氮/气氮并通过预冷放空管道14进入氮气回收液化装置3，通过一级换热器31进行回温，通过一级换热器的氮气与膨胀机35出口的低温氮气汇合通过二级换热器32和三级换热器33回温至常温，进入压缩机34压缩为高压氮气，高压氮气通过三级换热器33进行冷却，通过三级换热器33冷却后的氮气一部分进入膨胀机35膨胀降温后与通过一级换热器31回温的放空氮气汇合，另一部分氮气通过二级换热器32和一级换热器31降温至低温，再经节流阀36节流获得液氮，流回液氮贮槽2，用于空间环模设备低温系统1的预冷。

在空间环模设备低温系统1的稳定运行阶段，液氮泵13将低温液氮输送至空间环模设备11用于模拟低温环境，经过换热升温后进入过冷器12冷却为低温过冷液氮，再通过液氮泵输送至空间环模设备11，过程中通过液氮贮槽2不断向过冷器12腔体中补充液氮用于空间环模设备11出口高温液氮的冷却，过冷器12腔体中的液氮不断汽化，汽化后的低温氮气通过过冷器放空管道15，进入氮气回收液化装置3，通过一级换热器31进行回温，通过一级换热器的氮气与膨胀机35出口的低温氮气汇合通过二级换热器32和三级换热器33回温至常温，进入压缩机34压缩为高压氮气，高压氮气通过三级换热器33进行冷却，通过三级换热器33冷却后的氮气一部分进入膨胀机35膨胀降温后与通过一级换热器31回温的放空氮气汇合，另一部分氮气通过二级换热器32和一级换热器31降温至低温，再经节流阀36节流获得液氮，流回液氮贮槽2，用于空间环模设备低温系统1的过冷器12的腔体补液。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。