本發(fā)明屬于空間環(huán)境模擬技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于空間環(huán)境模擬器中的低溫泵供液系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

低溫泵作為大型空間環(huán)境模擬器中重要的高真空無油抽氣設(shè)備，需要選擇一種供液裝置為障板提供所需要的液氮，依靠液氮的流動使其溫度維持在120K以下。供液系統(tǒng)需要為低溫泵的液氮障板持續(xù)不斷供應(yīng)一定流量和壓力的液氮，按供液方式通常分為貯槽自增壓循環(huán)供液系統(tǒng)、開式沸騰系統(tǒng)和自重式循環(huán)供液系統(tǒng)。貯槽自增壓供液系統(tǒng)要求系統(tǒng)至少配置兩臺貯槽，一臺用于供液，一臺用于回收液氮，液氮可回收再使用。但是，貯槽安裝在室外，決定了系統(tǒng)液氮管路長，冷量損失大，經(jīng)濟性能較低。對于開式沸騰系統(tǒng)，管路設(shè)計簡單，但由于回液管路中的殘余液氮直接排入大氣，一定程度上造成液氮浪費及環(huán)境污染。

自重式循環(huán)供液系統(tǒng)，具有原理簡單，無需采購運轉(zhuǎn)設(shè)備以及復(fù)雜的管路，可靠性高、維修方便，一次性投資費用節(jié)省等優(yōu)點，擁有相當(dāng)大的優(yōu)勢。同時由于液氮的循環(huán)利用，也減少了系統(tǒng)的運行費用。

2003年北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所鄒定忠在低溫技術(shù)學(xué)術(shù)交流會上發(fā)表的《重力供應(yīng)冷卻用液氮的方法及其應(yīng)用》中提到“直接利用液氮重力來供應(yīng)液氮的系統(tǒng)”，并在1989年開始嘗試使用這種方法，其系統(tǒng)原理圖如圖1所示，該系統(tǒng)包括液氮貯槽和供送液氮用于冷卻的冷卻盤管，液氮貯槽位于冷卻盤管上方通過重力作用液氮進行流動。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是在重力供應(yīng)液氮的基礎(chǔ)上，提出了一套結(jié)構(gòu)合理，系統(tǒng)配置簡單，同時實現(xiàn)自動化操作的自重式低溫泵循環(huán)供液系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠為4臺并聯(lián)運行的DN1250低溫泵障板持續(xù)提供液氮，保證其溫度在工作期間低于120K。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

自重式低溫泵循環(huán)供液系統(tǒng)，包括立式液氮貯槽、低溫管道、氣動閥門、兩組以上的并列設(shè)置的手動閥門和低溫泵的液氮障板，其中，立式液氮貯槽中的液氮通過氣動閥門經(jīng)低溫管道流入若干組并列設(shè)置的手動閥門和低溫泵的液氮障板，每組包括兩路并聯(lián)的手動閥門和低溫泵的液氮障板，位于高處的液氮貯槽處在常壓狀態(tài)下，液氮經(jīng)過供液管道流入低溫泵的液氮障板，液氮在液氮障板中吸收熱量，部分汽化，變成兩相流，汽液兩相流從液氮障板流出后經(jīng)手動閥門返回供液貯槽，氣相通過貯槽上的放空閥排出室外，液相回收進貯槽參與下一次循環(huán)。

其中，低溫管道為真空多層絕熱管，管道分為內(nèi)管和外管，中間為真空夾層，真空度不低于1.3×10^-2Pa。

其中，系統(tǒng)管路的工作溫度范圍是-196℃～+120℃，設(shè)計壓力0.8MPa。

其中，液氮在供液管道和回液管道中流動時管內(nèi)不同位置的壓力均不同。

其中，低溫泵供液系統(tǒng)的管道為真空多層絕熱管，內(nèi)外管材為304不銹鋼。

其中，液氮貯槽和供液管道上分別設(shè)置有壓力傳感器和低溫氣動閥門。

其中，每個液氮障板的液氮入口處還分別設(shè)置有另外的手動閥門。

其中，每組并列設(shè)置的手動閥門和低溫泵的液氮障板的液氮流出口頂部分別會合到一放空口上。

其中，液氮貯槽還設(shè)置有增壓氣動閥、卸壓氣動閥、排液氣動閥、補液氣動閥。

增壓氣動閥安裝在液氮貯槽的增壓管道上，作用在增加液氮貯槽的壓力。增壓氣動閥打開時，液氮貯槽中的液氮通過增壓氣動閥流入自身配置的汽化器汽化成氮氣后再返回液氮貯槽從而使液氮貯槽的壓力上升，待壓力上升到指定壓力后再關(guān)閉增壓氣動閥。

卸壓氣動閥安裝在液氮貯槽的放空管道上，作用在降低液氮貯槽的壓力。卸壓氣動閥打開時，液氮貯槽中的氮氣通過放空管路排出從而使液氮貯槽的壓力下降，待壓力下降到指定壓力后再關(guān)閉卸壓氣動閥。

排液氣動閥安裝在液氮貯槽的排液管道上，作用在于向其他需要液氮的設(shè)備供應(yīng)液氮。排液氣動閥打開時，液氮貯槽中的液氮通過排液管路排出液氮貯槽；待液氮不使用時再關(guān)閉排液氣動閥。

補液氣動閥安裝在液氮貯槽的補液管道上，當(dāng)液氮貯槽的液位下降到指定值時，補液氣動閥打開，液氮通過補液閥門流入到液氮貯槽中從而向液氮貯槽補液。

本發(fā)明的自重式低溫泵循環(huán)供液技術(shù)，具有原理簡單，應(yīng)用廣泛，可靠性高、維修方便，一次性投資費用節(jié)省等優(yōu)點，擁有相當(dāng)大的優(yōu)勢，本發(fā)明技術(shù)具有以下改進效果：

(1)實現(xiàn)了液氮貯槽的自動補液功能和壓力、液位監(jiān)控功能；

(2)實現(xiàn)了4臺并聯(lián)低溫泵的障板自動供液，使其溫度維持在120K以下；

(3)系統(tǒng)管路采用真空多層絕熱管，最大程度上減少了輻射換熱引起的冷量損失。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的重力供液示意圖；

其中：1-液氮貯槽；2-冷卻盤管；

圖2是本發(fā)明的自重式低溫泵循環(huán)供液系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中：1-液氮貯槽；22-低溫管道；23-氣動閥門；24-手動閥門；25-低溫泵；

圖3是本發(fā)明的自重式低溫泵循環(huán)供液系統(tǒng)液氮貯槽的結(jié)構(gòu)示意圖；

1-液氮貯槽；32-增壓氣動閥；33-卸壓氣動閥；34-排液氣動閥；35-補液氣動閥；36-傳感器；

圖4是本發(fā)明的自重式低溫泵供液系統(tǒng)的中液氮的供液實施流程圖。

具體實施方式

以下介紹的是作為本發(fā)明所述內(nèi)容的具體實施方式，下面通過具體實施方式對本發(fā)明的所述內(nèi)容作進一步的闡明。當(dāng)然，描述下列具體實施方式只為示例本發(fā)明的不同方面的內(nèi)容，而不應(yīng)理解為限制本發(fā)明范圍。

參見圖2，本發(fā)明的自重式低溫泵供液系統(tǒng)，包括立式液氮貯槽1、低溫管道22、氣動閥門23、兩組以上的并列設(shè)置的手動閥門24和低溫泵25的液氮障板，其中，立式液氮貯槽1中的液氮通過氣動閥門23經(jīng)低溫管道22流入若干組并列設(shè)置的手動閥門24和低溫泵25的液氮障板，每組包括兩路并聯(lián)的手動閥門24和低溫泵25的液氮障板，位于高處的液氮貯槽1處在常壓狀態(tài)下，液氮經(jīng)過供液管道流入低溫泵25的液氮障板，液氮在液氮障板中吸收熱量，部分汽化，變成兩相流，汽液兩相流從液氮障板流出后經(jīng)手動閥門返回液氮貯槽1，氣相通過貯槽1上的放空閥排出室外，液相回收進液氮貯槽參與下一次循環(huán)。在一具體的實施方式中，低溫管道為真空多層絕熱管，管道分為內(nèi)管和外管，中間為真空夾層，真空度不低于1.3×10^-2Pa，系統(tǒng)管路的工作溫度范圍是-196℃～+120℃，設(shè)計壓力0.8MPa。

特別地低溫泵供液系統(tǒng)的管道為真空多層絕熱管，內(nèi)外管材為304不銹鋼。

參見圖3，本發(fā)明的自重式低溫泵循環(huán)供液系統(tǒng)液氮貯槽的結(jié)構(gòu)示意圖；為了實現(xiàn)自動化操作，液氮貯槽1上配有2個氣動開關(guān)閥32和33，用于貯槽的自動增壓和自動卸壓實現(xiàn)自動增卸壓，配有2個氣動調(diào)節(jié)閥34和35，實現(xiàn)自動補液和自動排液；另外，液氮貯槽上配置有傳感器36，用于自動監(jiān)測貯槽的液位和壓力。

在自重式循環(huán)供液系統(tǒng)中，從液氮貯槽中流出的液氮為一個大氣壓下的飽和液氮，溫度為77.35K。如果供液管道完全絕熱，當(dāng)液氮流動到低溫泵的液氮障板的進口處時，應(yīng)為該壓力下的過冷液氮。在大型空間環(huán)境模擬器的自重式循環(huán)系統(tǒng)中，供液管一般選擇真空多層絕熱管或現(xiàn)場發(fā)泡保溫?？紤]到實際管道存在一定的漏冷損失，可以認(rèn)為在低溫泵障板的進液口處為單相飽和狀態(tài)液氮。

位于高處的液氮貯槽處在常壓狀態(tài)下，飽和液氮經(jīng)過供液管道中流入4臺并聯(lián)運行低溫泵中的液氮障板，液氮在液氮障板中吸收熱量，部分汽化，變成兩相流，汽液兩相流從液氮障板流出后經(jīng)回液管道返回供液貯槽，氣相通過貯槽上的放空閥排出室外，液相回收進貯槽參與下一次循環(huán)。

自重式低溫泵循環(huán)供液系統(tǒng)能夠在低溫泵的不同階段有不同的工作模式，參見圖4。

工作時，控制系統(tǒng)通過PID調(diào)節(jié)補液閥的開度將貯槽的液位穩(wěn)定在設(shè)定值，即啟動液氮貯槽自動補液程序：

設(shè)定好貯槽的液位范圍(液位高度可根據(jù)現(xiàn)場工作情況確定)。當(dāng)貯槽液位低于設(shè)定值時，控制打開液氮貯槽補液閥，向貯槽加注液氮，液位高于設(shè)定值時，關(guān)閉補液閥停止加注液氮。

液氮開式預(yù)冷管路：

管路預(yù)冷階段對應(yīng)的是開式預(yù)冷工作模式，此時管道及液氮障板的溫度處于室溫狀態(tài)，預(yù)冷時，管道及障板內(nèi)的液氮迅速汽化為氮氣，如果大量的氮氣進入貯槽會引起液氮大量汽化，因此氣體通過管路系統(tǒng)排出室外，不進行回收操作。

液氮貯槽卸壓至常壓：

打開液氮貯槽的放空閥，同時監(jiān)測貯槽的壓力，當(dāng)壓力表數(shù)值降至0MPa時方可進行一下步操作。

啟動重力自循環(huán)工作模式：

監(jiān)測回液管路上傳感器的溫度值，當(dāng)數(shù)值低于-120℃時，此時從低溫泵返回的為氣液兩相狀態(tài)的流體，此時可將流程切換到重力自循環(huán)工作模式，即從低溫泵流出的氣液兩相流返回液氮貯槽，同時監(jiān)測低溫泵一級冷頭及液氮障板的溫度是否滿足試驗要求。

當(dāng)單相飽和液氮流入障板后，可認(rèn)為在流動方向上受到均勻的熱負(fù)荷。因此，隨著液氮在障板中的流動，液氮吸熱不斷汽化，從單相流變成為兩相流。如果障板中液氮的流量過大，只有少量液氮汽化，可能會導(dǎo)致汽化量過少，障板進出口密度差不顯著，沒有形成足夠的驅(qū)動力使液氮循環(huán)流動，同時大量液氮返回液氮貯槽，增加了部分液氮的氣化；如果障板中的液氮流量過小，液氮大量汽化，液氮障板出口處出現(xiàn)“干涸”現(xiàn)象，及液氮全部汽化，傳熱惡化，導(dǎo)致障板局部壁面溫度不斷升高，這種狀態(tài)下，沸騰換熱的流型大多是彌散流，甚至變成單相蒸汽。因此，為了保證低溫泵液氮障板溫度保持在120K以下，一般將出口處的兩相流流型控制在泡狀流或彈狀流為最佳。

液氮貯槽安裝位置及液位高度是自重式供液系統(tǒng)的重要參數(shù)之一。液氮貯槽的容積可根據(jù)低溫泵的液氮障板消耗量選擇，再根據(jù)液氮容器選擇合適的液位高度。其安裝位置要求必須高于低溫泵的安裝位置，一般在設(shè)備布局設(shè)計時需要預(yù)先確定液氮貯槽的安裝位置。另外，盡可能縮短水平方向上液氮貯槽與低溫泵的距離，因為相比豎直管道，低溫泵預(yù)冷時水平管道中更容易出現(xiàn)氣堵現(xiàn)象。

盡管上文對本發(fā)明的具體實施方式進行了詳細(xì)的描述和說明，但應(yīng)該指明的是，我們可以對上述實施方式進行各種改變和修改，但這些都不脫離本發(fā)明的精神和所附的權(quán)利要求所記載的范圍。