液氮再冷凝装置的设计与验证

朱建生，焦天恕，陆文海，刘立强

(1.航天低温推进剂技术国家重点实验室，北京100190； 2.酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉735300)



·低温与制冷·

液氮再冷凝装置的设计与验证

朱建生1，2，焦天恕2，陆文海1，刘立强1

(1.航天低温推进剂技术国家重点实验室，北京100190； 2.酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉735300)

摘要:搭建了一个液氮零蒸发主动冷却的贮存测试系统，该系统的目标是针对一个日蒸发率为0.4 %的10 m3液氮贮槽实现液氮冷凝回收。首先，将贮槽中蒸发的冷氮气通到一个200 L的液氮杜瓦中，并通过该杜瓦顶部的GM制冷机，进行冷却和再液化，并对该杜瓦中的液氮液位进行测量，获得液化率。当200 L中的液氮杜瓦中的液氮完成液化后，通过切换阀门，并对杜瓦升压，将再液化的液氮泵入10 m3的液氮贮槽中，恢复液氮贮槽中的液面，完成一次再冷凝。通过实验测试验证了该系统可以实现大于40 L/d的再液化率，能够满足该液氮贮槽的零蒸发要求。

关键词:零蒸发;再冷凝;GM制冷机

近年来，随着空间制冷技术、低温绝热技术及电子技术的发展，大大促进了低温液体零蒸发存储技术的发展。零蒸发贮存是指利用制冷机、再液化器或辐射器等来平衡低温液体储罐的热损失，从而使储罐内低温液体的蒸发率为零并使低温液体储罐内的压力保持恒定的一种贮存方法[1]。

现有的实现零蒸发贮存技术可分为两大类，一是采用被动技术，二是采用主动技术。采用被动技术一方面是指改进低温容器的绝热措施以减少漏热；主动技术是指选用合适的低温制冷设备来提供冷量使气化的蒸气再冷凝为液体，实现无排放的长期贮存[2]。可以通过使用低温制冷机的闭式循环来实现，也可通过使用再液化器的开式循环来实现。本项目采用主动技术，针对一个日蒸发率为0.4%的10 m3液氮贮存槽开展液氮再冷凝装置研制。

1设计思想

该液氮再冷凝装置，采用小型低温制冷机产生的冷量对氮气(来源于液氮贮存槽)进行冷凝，产生的液态氮由一个200 L液氮杜瓦来收集储存，然后再通过增压装置将杜瓦中的液态氮输送回到液氮贮存槽中，以实现10 m3液氮贮存槽中蒸发的氮气液化并且回收进入液氮储槽中循环利用，达到无损耗储藏的目的。

2设备组成及流程

2.1组成

设计制作的液化设备主要由以下几个部分组成：200 L液氮杜瓦、AL300型低温制冷机、氦压缩机、常温氦气传输金属软管、冷头换热器、冷水机组、控制系统和液氮(冷氮气)传输管线组成。

2.2流程

小型低温制冷机的冷头装在液氮杜瓦上面向上延伸的颈口法兰上，构成制冷机液氮杜瓦组件，通过带有自密封快速接头的氦气金属软管与氦压缩机连接，由于压缩机功率较大，发热量较大，因此氦压缩机选择为水冷式压缩机。

另外配备一台风冷式冷水机组，利用循环冷却水来冷却氦压缩机。制冷机液氮杜瓦组件、氦压缩机和冷水机组均安装有万向轮，可随意移动，各个子部件之间以及液氮杜瓦和液氮储槽之间均为柔性管连接，方便安装和拆卸，且不受位置限制。具体的流程图如下图1所示。

图1　实验系统的流程图

3设备部件功能特点

3.1液氮杜瓦

液氮杜瓦所起到的作用是储存制冷机液化后的液氮并将液氮通过增压之后输送回到液氮储槽之中。

参考现有的低温贮存设备的结构[3]，开展了该液氮杜瓦的设计，该液氮杜瓦全部由不锈钢制成，表面进行抛光处理，杜瓦采用高真空、多层绝热结构，并设置自增压盘管，无需借助外部气源，便可自行增压泵输送液体。杜瓦上部配有增压阀、进气阀、输液阀、排气阀、内胆爆破阀、夹层抽气兼外胆爆破阀、2个安全阀(0.4 MPa、0.8 MPa各一个)、引线接口、液位计、压力表和制冷机接口等。

3.2AL300型低温制冷机

设备运行所需冷量全部由AL300型低温制冷机产生，它是整个设备中最关键的部件。AL300型低温制冷机采用绝热放气膨胀法获得低温，它以氦气为工质进行闭循环，主要由压缩机、冷头、高低压氦气软管组成。压缩机和冷头分开放置，冷头安装在液氮杜瓦法兰上，压缩机可选择安装远离现场的合适地方，它们之间用耐高压金属软管连接，制冷机的冷量由冷头提供。

AL300型低温制冷机工作温区在25～300 K，在70 K时可产生250 W制冷功率，操作简单，电机转速只有1 Hz，工作寿命长。制冷机压缩机上装有压力和温度保护装置，当压力异常或压缩机油温度过高时，压缩机自动保护停止工作，安全系数很高。

3.3冷头换热器

冷头换热器是用于冷氮气与制冷机冷头产生冷量的交换，使冷氮气被液化，然后液氮将在重力作用下滴落并储存在200 L液氮杜瓦内部。换热器和周围的氮气持续进行这样的热交换，使得从液氮储槽中过来的那些积聚在杜瓦上部的氮气逐步的被液化。

冷头换热器由导热良好的无氧铜制成，做成翅片状，以增大换热面积，直接紧密连结在制冷机的冷头上，间隙充填铟片，以减小接触热阻，外表面镀铬以防锈蚀。当冷氮气接触到换热器的表面时，由于换热器表面温度很低，并且有很大的冷量，所以两者之间进行热交换从而实现氮气的液化。

3.4冷水机组

由于AL300型低温制冷机中的压缩机为水冷式氦气压缩机，冷水机组主要用于对通过氦气压缩机的循环水进行冷却，以防止压缩机温度过高而保护停止运行。

所用冷水机组采用全封闭、低噪音、高效压缩机，自带数显温控器，机组内装置不锈钢水箱，大流量、高扬程专用水泵，机组备有冷却回路。完善的安全保护系统与故障电子讯号能确保机组运行不受损害安全运转。

3.5控制系统

设备的主要控制系统有：制冷机控制系统、冷水机组控制系统、液氮液位控制系统。

低温制冷机控制系统主要控制制冷机运行及过热保护、高压保护、缺相保护等，冷水机组控制系统主要控制风机、冷冻水泵的运行及相关保护。

液氮液位控制系统的主要目的是通过液位控制器来控制整个系统。工作时，当液氮杜瓦内的液氮高至一定液位后，控制器会自动切断制冷机运行；当液氮杜瓦内的液氮低到一定液位后，控制器会自动启动制冷机运行。

3.6液氮(冷氮气)输送管道

液氮(冷氮气)输送管道的主要作用是，将液氮储罐和液化设备连为一体，液氮(或氮气)在其中形成循环，并同时起保温作用，减小液氮(或氮气)在输运过程中的漏热，减少系统冷损。液氮杜瓦、液氮储槽通过输送管道连接，形成闭环回路，液氮(冷氮气)在其中循环。

液化设备中输送管道主要有两条：液氮储槽氮气出气管一根，用于将液氮储槽中蒸发的冷氮气输送至液氮杜瓦中；液氮杜瓦出液管一根，用于将杜瓦中回收液化的氮气输送到液氮储槽中。

液氮(冷氮气)输送管道主要结构分为内、外管：内管材料为耐低温的不锈钢金属软管，并以聚四氟乙烯材料作支承，采用真空多层绝热方式。外管绝热材料由具有高反射率的单面起皱镀铝薄膜和具有低热导率的玻璃纤维布交替缠绕所构成，绝热空间静态真空度优于10-2Pa，能有效阻止外部热量传入内管中的低温流体，输送管道热损耗<1.5 W/m。

图2　无损贮存实验系统实物图

4冷氮气再液化实验及结果

按照上述流程和设备选型，搭建了该实验测试系统，其实物如图2所示，该实验过程分为以下几步：

1.使用纯氮气或者液氮储槽蒸发出来的饱和氮气对再液化器进行吹扫；

2.关闭液氮杜瓦的进气阀门和排气阀，打开水冷机组和G-M制冷机，等待系统降温；

3.当制冷机冷头温度降至77 K时，打开进气阀，确保此排液阀和排气阀关闭；

4.每隔一定时间记录一次液位计读数；

5.当液位上升至一定高度后，关闭制冷机，关闭进气阀门，打开200 L杜瓦自增压阀，并打开回液阀，将液化后的液氮泵至10 m3的液氮贮存罐内；

6.如果需要再次液化回到步骤3；如果实验完成后，关闭再液化器的进气阀和排液阀，保持排气阀打开状态，关闭制冷机电源、水冷机组及控制系统。

实验结果如表1所示。根据表中的数据计算，该系统可以实现40 L/d的再液化率，满足整个系统零蒸发要求。

表1　液氮液化量数据

5结论

针对一个日蒸发率为0.4%的10 m3液氮贮存罐研制了一套液氮再冷凝装置，本文介绍了该液氮再冷凝系统的设计思想和流程，并着重介绍了系统内部的各个子部件的功能特点。为了验证该再液化系统的可行性，测试系统的再液化率，开展了相应的实验研究，实验结果表明，该系统能够按照设计原理工作，并产生40 L/d的再液化率，满足液氮贮存罐零蒸发的要求。

参考文献：

[1] 宋斌杰，石玉美，汪荣顺.国外低温液体无损储存的研究进展[J].低温与超导，2007，35(6):469-473.

[2] 李广武，安刚，李娜.低温液体无损储存技术的发展与应用[J].真空与低温，2008，14(3):172-176.

[3] 殷合香，王炳忠，李映颖.低温液体贮运技术及其蒸发率的测算[J].低温与特气，2002，20(3):8-11.

Design and Verification of ZBO Liquid Nitrogen Storage System

ZHU Jiansheng1,2, JIAO Tianshu2, LU Wenhai1, LIU Liqiang1

(1.State Key Laboratory of Technologies in Space Cryogenic Propellants，Beijing 100190，China；2.Jiuquan Satellite Launch Center，Jiuquan 735300，China)

Abstract:A Zero Boil-Off (ZBO) liquid nitrogen storage system is built. The goal of this system is to recover the liquid nitrogen from a 10 m3 liquid nitrogen storage tank with a daily evaporation rate of 0.4%. First of all, the cold nitrogen gas will be piped to a 200 L of liquid nitrogen dewar and then to the GM refrigerator to be reliquefied. The dewar has a level senor which can be used to measure the level of liquid nitrogen. When the liquid nitrogen dewar is full, the liquid nitrogen will be pumped back to 10 m3 liquid nitrogen tank. The experimental results show that the reliquefaction rate is more than 40 L/d, which can meet the requirement of ZBO liquid nitrogen storage system.

Key words:zero boil-off；recondensation；GM refrigerator

收稿日期：2016-04-21

基金项目：航天低温推进剂技术国家重点实验室基金课题(SKLTSCP1310)

中图分类号：TB69

文献标志码：A

文章编号：1007-7804(2016)03-0006-03

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.03.002

作者简介：

朱建生(1974)，男，总工程师，主要研究方向液体推进剂应用技术。