一种使用液氮制冷的风洞内空气温度控制的装置及方法与流程

本发明涉及一种装置及方法，更具体一点说，涉及一种使用液氮制冷的风洞内空气温度控制的装置及方法，属于常温风洞温度控制。

背景技术：

1、常温风洞是开展人工影响天气试验的重要环境条件，风洞换热器出口气流的温度控制精度、均匀性决定了试验段流场品质和试验质量。为了模拟不同天气下的试验条件，要求试验段风速、温度、喷雾和模拟高度在较宽的区间范围内调节。制冷系统是常温风洞的重要组成部分，通过换热器冷却气流为试验提供低温环境。

2、传统常温风洞的制冷系统通常采用机械制冷的方式，即气态工质经压缩机加压后，进入冷凝器冷却并冷凝成液体，冷凝后的液态工质进入节流阀降压至蒸发压力，进入蒸发器吸热并气化后，回到压缩机，从而完成制冷循环。制冷机的制冷系数受工作温度的限制，其蒸发温度越低，系数越小。因此在普冷区的风洞试验，如-80℃至-10℃的区间内，采用机械制冷的方式制冷效率低，系统能耗高。常温风洞要求温度调节范围较宽，需要在任何温度下实现精确的温度控制，而现有机械制冷技术在低温区的匹配效果差，能效低。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术问题，本发明提供具有工作温度区间范围宽且制冷效率高，能够匹配不同温度下不同制冷量的试验需求，并使风洞内空气快速降温等技术特点的一种使用液氮制冷的风洞内空气温度控制的装置及方法。

2、为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种使用液氮制冷的风洞内空气温度控制的装置，所述装置包括：

4、一用于流体换热的热交换系统，该热交换系统包括1套液氮换热器、1套载冷剂加热器以及位于风洞内的1套空气-载冷剂换热器；

5、一用于克服载冷剂管网阻力的动力系统，该动力系统包括1台载冷剂泵；

6、一用于稳定载冷剂流路压力的稳压系统，该稳压系统包括依次连接的1台载冷剂缓冲罐、1套液氮汽化器、1台液氮罐，载冷剂缓冲罐内为液态载冷剂，上方充注压力氮气，液氮罐和液氮汽化器为缓冲罐提供压力氮气源；

7、一用于氮气复温、降噪的氮气后处理系统，该氮气后处理系统包括1套低温氮气排放复温器以及与1套低温氮气排放复温器连接的1套氮气放空消声器；

8、一用于贮存系统冷源的液氮贮存系统，该液氮贮存系统包括1台液氮真空槽；

9、液氮真空槽、低温氮气排放复温器分别连接在液氮换热器中冷流体管路的进口端和出口端，载冷剂缓冲罐与载冷剂泵通过二号管线连接，所述载冷剂泵出口端通过三号管线连接在空气-载冷剂换热器的冷流体管路进口端，空气-载冷剂换热器的冷流体管路出口端通过四号管线与液氮换热器热流体入口端连接，所述空气-载冷剂换热器的热流体管路通入有湿空气。

10、优选的，所述载冷剂加热器的两端通过五号管线分别连接在二号管线和四号管线上，该五号管线于加热工况下启用，此时湿空气通过空气-载冷剂换热器吸收热量，载冷剂侧放出热量，载冷剂流出空气-载冷剂换热器后依次进入载冷剂加热器、载冷剂泵，再回到空气-载冷剂换热器入口。

11、优选的，所述载冷剂泵出口端还通过六号管线连接在载冷剂缓冲罐以与二号管线形成循环管线，所述循环管线作为回流调节流路。

12、优选的，所述三号管线与四号管线间连接有带有调节阀的七号管线以作为空气-载冷剂换热器旁通调节流路，能够有效控制载冷剂出液氮换热器的温度，以满足整体工艺的控制调节需要。

13、优选的，所述二号管线、三号管线、五号管线、七号管线上设有调节阀，所述液氮汽化器与液氮罐间连接有调节阀，所述低温氮气排放复温器出口端、液氮真空槽出口端均连接有调节阀。

14、优选的，还包括用于实现整个装置运行的自动控制系统，自动控制系统包括1套plc系统、1套阀门和1套测量仪表，所述调节阀以及载冷剂泵均与plc系统通信连接。

15、优选的，载冷剂管路上设置多个温度测点，重要温度测点设计采用温度三选二，保证温度测量的准确。

16、本发明一种使用液氮制冷的风洞内空气温度控制方法，该方法包括以下步骤：

17、a)外界液氮由槽车运输至试验场地后，充注入液氮真空槽；

18、b)当需要进行试验时，打开真空槽液氮送出阀，同时液氮真空槽通过自增压器稳压，液氮从液氮真空槽流出；

19、c)液氮进入液氮换热器，与正流较高温度的载冷剂进行间壁式换热，吸热相变为低温氮气后，依次进入低温氮气排放复温器、氮气放空消声器；进入液氮换热器的载冷剂被冷却至低温态，随后进入载冷剂泵；

20、e)经载冷剂泵加压至所需压力后，分为三股；

21、一股载冷剂送入位于风洞内的空气-载冷剂换热器，与风洞内的湿空气换热，复热后抽出，去液氮换热器冷却；

22、一股载冷剂送入空气-载冷剂换热器旁通调节流路，当液氮换热器侧所需载冷剂流量过小，导致载冷剂出液氮换热器的温度过低有冻结风险时，载冷剂泵分出一股进入七号管线，与流出空气-载冷剂换热器的载冷剂混合后，进入液氮换热器；

23、一股载冷剂送进回流调节流路，当液氮换热器侧所需载冷剂流量较小，且小于载冷剂泵的最小流量时，载冷剂泵分出一股进入六号管线，打回流至载冷剂缓冲罐。

24、优选的，空气-载冷剂换热器选用板翅式换热器，空气-载冷剂换热器下游截面设置温度阵列。

25、优选的，选用r507作为载冷剂，其常压下凝固点为-178℃。

26、有益效果：1)能在较宽的温度区间内匹配不同制冷量的试验需求，液氮利用率可达70％以上；2)能在满足常温风洞温区调节的同时，有效防止载冷剂冻结；3)可以实现合理控制载冷剂流量，实现较高的温度精度控制精度和稳定精度；4)本发明设计的一套稳压装置，能够稳定载冷剂流路压力，保证载冷剂泵平稳运行。

技术特征：

1.一种使用液氮制冷的风洞内空气温度控制的装置，其特征在于，所述装置包括：

2.根据权利要求1所述的一种使用液氮制冷的风洞内空气温度控制的装置，其特征在于，所述载冷剂加热器的两端通过五号管线分别连接在二号管线和四号管线上，该五号管线于加热工况下启用，此时湿空气通过空气-载冷剂换热器吸收热量，载冷剂侧放出热量，载冷剂流出空气-载冷剂换热器后依次进入载冷剂加热器、载冷剂泵，再回到空气-载冷剂换热器入口。

3.根据权利要求1所述的一种使用液氮制冷的风洞内空气温度控制的装置，其特征在于，所述载冷剂泵出口端还通过六号管线连接在载冷剂缓冲罐以与二号管线形成循环管线，所述循环管线作为回流调节流路。

4.根据权利要求1所述的一种使用液氮制冷的风洞内空气温度控制的装置，其特征在于，所述三号管线与四号管线间连接有带有调节阀的七号管线以作为空气-载冷剂换热器旁通调节流路，能够有效控制载冷剂出液氮换热器的温度，以满足整体工艺的控制调节需要。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种使用液氮制冷的风洞内空气温度控制的装置，其特征在于，所述二号管线、三号管线、五号管线、七号管线上设有调节阀，所述液氮汽化器与液氮罐间连接有调节阀，所述低温氮气排放复温器出口端、液氮真空槽出口端均连接有调节阀。

6.根据权利要求5所述的一种使用液氮制冷的风洞内空气温度控制的装置，其特征在于，还包括用于实现整个装置运行的自动控制系统，自动控制系统包括1套plc系统、1套阀门和1套测量仪表，所述调节阀及载冷剂泵均与plc系统通信连接。

7.根据权利要求1所述的一种使用液氮制冷的风洞内空气温度控制的装置，其特征在于：载冷剂管路上设置多个温度测点，重要温度测点设计采用温度三选二，保证温度测量的准确。

8.一种使用液氮制冷的风洞内空气温度控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的使用液氮制冷的风洞内空气温度控制方法，其特征在于：空气-载冷剂换热器选用板翅式换热器，空气-载冷剂换热器下游截面设置温度阵列。

10.根据权利要求8所述的使用液氮制冷的风洞内空气温度控制方法，其特征在于：选用r507作为载冷剂，其常压下凝固点为-178℃。

技术总结
本发明公开的是一种使用液氮制冷的风洞内空气温度控制的装置及方法，装置包括热交换系统、动力系统、稳压系统、氮气后处理系统、液氮贮存系统，通过液氮冷却载冷剂，被冷却后的载冷剂与风洞内空气换热，完成热量从空气到载冷剂，再到液氮的传递，本发明具有工作温度区间范围宽且制冷效率高，能够匹配不同温度下不同制冷量的试验需求，并使风洞内空气快速降温等技术特点。

技术研发人员：高毅,王姝婷,谭芳,管小勇,劳利建,乐凯,郑达海,姚蕾,任美凤
受保护的技术使用者：杭氧集团股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27