某型低温环境试验室工艺流程设计

廖 明，李宇辰，刘 刚，唐淋伟

(中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000)

1 前 言

高低温试验设备主要根据降温温度、降温速率、总制冷量等需求选择不同的制冷工艺。例如采用一级压缩制冷方案可降温至-40℃，采用复叠式蒸汽压缩制冷方案可降温至-80℃。部分降温区间更低的环境试验室采用空气制冷循环可以满足0～-140℃的降温要求[1]。由于液氮安全性较高、经济性较好，工程中常采用液氮制冷的方式实现-196℃降温需求，同时液氮降温也常用于更低温度区间如液氢、液氦低温区的预冷。在实际应用中，大连冰山生产的医用低温箱复叠制冷系统采用R404A/R508作为高低温级制冷剂，可使0.5 m3箱体内部达到-50～-80℃，实现低温贮藏功能。华阴低温环境试验室采用空气制冷作为制冷方案，室内有效容积为480 m3，试验室从15℃降到-55℃的空载降温时间为7.5 h，60 t试件满载降温时间为14.5 h。中国空气动力研究与发展中心的0.3 m连续式跨声速低温风洞采用液氮喷射蒸发冷却降温+低温压缩机驱动低温氮气流动制冷的方式，试验段总温范围为110～323 K，马赫数范围0.15～1.3。上海交通大学研制了一套低温环境模拟舱设备，该设备舱室内部的温度调节范围为-20～50℃，温度均匀度±2℃以内，温度波动度±1℃以内。该舱室工作时内部为氦气，通过液氮蒸发冷却与热沉完成对流及辐射换热将内部空间温度控制在(-171±3)℃，通过低温氦气与热沉完成对流及辐射换热将舱室温度稳定至(-208±8)℃[2-3]。

某低温环境试验室舱室容积大于40 m3，工作温度为110～293 K，试验室相关设备研制没有现成的设计计算方法和设计手册可以遵循，多个配套设备都必须非标设计。工艺流程设计是低温环境试验室设计的核心，文中主要阐述了工艺流程设计。

2 试验室主要技术指标

试验舱室空间为5.4 m×4.3 m×2 m；舱室内气体在60 min可降温至110 K，在60 min内可从低温回温至293 K；舱室内试验件重量为600 kg，最大厚度不超过50 mm，试验件在120 min内可降温至110 K，在120 min内可由低温回温至273 K；试验室恢复至常温常压状态时，人员可进出试验室。

3 工艺流程设计

3.1 制冷方式分析

本环境试验室内温度调节范围为110～293 K，最低温达到了液氮温区制冷区，而空气制冷与复叠式蒸汽压缩制冷不能达到降温要求，因此拟采用液氮作为冷源[4]。目前低温绝热结构、液氮加注及喷射等装置的制造工艺较为成熟[5]，采用液氮作为冷源的方案除降温指标需求外，还具有较高的可行性，同时设备现场具有大型液氮生产及储存装置，采用该方案还可节约建设成本。

采用液氮作为冷源的制冷方式主要有两种。一种是采用液氮喷射的方式，在试件表面及室内空气中喷射液氮，利用液氮蒸发潜热与显热实现试验件及室温的快速降温。该方案制冷原理相对简单，但由于液氮蒸发潜热巨大，试验件降温速率过快导致试验件脆性增加，容易造成工件开裂，不符合本设备研制要求。另一种是通过液氮与氮气或干燥空气在换热器中完成换热，向室内输送低温气体来实现降温。该方案可通过调节换热器内液氮及气体流量实现液氮的完全气化并输送温差可控的气体。同时换热器内采用干燥空气，降温过程中不用置换干燥空气就可避免试件及试验室内壁表面结霜，这样升温后人员也能正常进入试验室完成操作。该方案满足试验室功能需求，本设备采用该制冷方案完成工艺流程设计。

3.2 工艺流程设计

环境试验室工艺流程如图1所示，其工作原理为：液氮引自2000 m3液氮储槽，采用低温液氮泵输送液氮至15 m3液氮稳压罐，再由液氮稳压罐通过挤压供液的方式送到液氮换热器中。室内干燥空气通过低温风机鼓风送到液氮换热器，液氮供应系统将液氮输送到液氮蒸发冷却机组，液氮在换热器中蒸发吸热，通过间壁换热器换热使空气温度下降，然后低温空气通过送风管道送到室内进行降温。液氮换热器排出的低温氮气通过排放管道引到排气塔加热后集中排放。试验室采用电加热空气完成回温。

图1 工艺流程图

该型低温环境试验室由液氮供应系统、空气处理系统、钢结构及保温系统、测控系统四个部分组成。液氮供应系统的主要功能是对液氮换热器供应液氮及排放氮气。空气处理系统的主要功能是完成试验室内空气干燥、降温、升温等任务，并根据室内气压变化情况完成补风或排风，确保室内压力与外部环境成微正压。钢结构及保温系统的主要功能是承载试验室结构重量并与外部常温环境保持绝热，确保试验室内部表面不结霜，外部表面不结露。测控系统的主要功能是对仪表、电气设备状态等参数进行检测，实现对系统中阀门、泵等设备的自动控制。

3.3 典型工艺流程分析

3.3.1液氮供应工艺流程

液氮供应系统的工艺流程为：设备预冷→供液→设备吹除复温。

预冷前应完成系统气密性检查、氮气清洗吹除。预冷工艺中，先预冷液氮离心泵，再预冷外线、液氮管路和液氮稳压罐，最后预冷液氮换热器。

试验过程中，根据液氮稳压罐液位高度及所需要供液压力计流量参数需求，可选择采用液氮泵供液，或利用液氮稳压罐挤压供液方式供液。

试验完成后需要对管路吹除复温时，由现场配气台对液氮稳压罐前的供液管路进行氮气吹除、复温。

3.3.2空气处理工艺流程

空气处理系统的典型工艺流程为：干燥空气置换→液氮蒸发冷却干燥空气降温→回温。

试验室降温前室内通入干燥空气完成气体置换，待室内露点达到-60℃指标后，停止干燥开始降温。为避免空气中二氧化碳在极低温下凝固，堵塞换热器等设备，干燥空气过程中还应净化空气中的二氧化碳，干燥空气生产设备借鉴空分纯化系统中的吸附原理，采用变压吸附技术可得到超低露点、低二氧化碳浓度的空气。

液氮供应系统完成准备工作后，按流程对液氮换热器提供液氮。为确保试验件能及时降温并达到指标要求，干燥空气出口温度应比指标要求更低。降温过程中为充分利用液氮蒸发潜热，确保液氮完全气化，同时避免干燥空气被液化，应实时调节阀门开度，确保干燥空气出口温度不低于95 K。待试验件内部传感器检测到温度达到要求后停止降温。

完成低温试验后利用电加热器进行升温，待试件及室内温度高于293 K后停止升温，人员可进入试验室完成试验件更换。此外，在升降温过程中为了维持室内微正压，试验室需要具备降温过程中补充干燥气，升温过程中排气的功能。

4 主要设备计算

4.1 保温结构计算

按照GB 50264—2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》，在该温度区间下可采用高密度聚异腈脲酸酯(HD-PIR)作为绝热材料。平面型单层防结露保冷层厚度δ计算公式如下：

(1)

式中，K为保冷厚度修正系数，取K=1.3；λ为绝热材料在平均温度下的导热系数，λ=0.017 W/(m·K)；as为保冷结构表面换热系数，as=8.141 W/(m2·K)；Ts=Td+3为绝热保温结构外壁温度，Td为露点温度10℃；T0为绝热材料与气流接触表面温度；Ta为绝热结构外表面环境温度。

计算得到δ=68 mm。考虑HD-PIR材料导热系数随服役年限增加而增加，参考相似设备绝热结构设计[6]，设计厚度为160 mm。

4.2 制冷量计算

试验室内冷负荷Q来源主要是室内试验件降温冷负荷Q1、干燥空气降温冷负荷Q2以及保温绝热结构漏冷量Q3。

Q1=mcΔT/t

(2)

式中,△T=293-110=183 K，304 L不锈钢热容c在温度区间内取平均值0.4 kJ·kg-1·K-1，试验件降温冷负荷Q1=6.1 kW。

Q2=m·Cp·ΔT/t，

(3)

视空气为理想气体，查表计算得95 K时空气密度ρ为3.72 kg/m3，干空气比热容Cp为1064 J·kg-1·K-1，室内及管道容积取53 m3，计算得Q2=10.8 kW。

(4)

式中，k为传热系数;a1为低温干燥空气与绝热层表面的对流换热系数，参考文献[7-9]，取a1=25 W/(m·K)；δ为绝热材料厚度，δ=0.16 m；依照标准GB 50264—2013，取λ=0.035 W/(m·K)，a2=8.141 W/(m·K)；试验室内部及送风管道绝热结构表面积A为130 m2；计算得k=0.211 W/(m2·K)，Q3=5.4 kW。

由于试验室与外界相分隔的密封门、风机及换热器绝热结构漏热量较大，风机运行时会产生热量，同时绝热结构老化会使保冷能力变弱，因此系统制冷量应保留一定的裕量，取30%裕量系数，Q0=1.3Q。

4.3 风量计算

4.4 换热器结霜分析

换热器内干燥空气在常压下露点不高于-60℃，含水量不高于0.011 g/m3。降温过程中换热器内翅片管壁面温度低于-60℃，因此翅片管外表面会出现结霜现象。降温过程中室内送风为循环送风加补风方式，为维持室内微正压，干燥空气补风量不超过200 m3，因此干燥空气中水分总量固定。经计算换热器内部霜层总重量不大于2.8 g，由于换热器面积大于50 m2，换热器迎风面霜层厚度较小，霜层对总换热系数及通风阻力的影响较小，可忽略换热器内霜层厚度。

5 结 语

根据某低温环境试验室运行工况、经济性及安全性要求，设计了液氮蒸发冷却干燥空气、低温干燥空气降温、电加热器回温的工艺流程方案，综合分析了工艺流程中关键技术难点，完善了系统功能性设计，完成了主要设备参数计算，可供相关设备工艺流程设计作为参考。