大型低温环境室竖向气压变化特点分析

李兆坚 邱一男 徐元元 郑 直 何 仁

（航天低温推进剂技术国家重点实验室 北京特种工程设计研究院 北京 100028）

1 引 言

低温环境可以对航天、航空、兵器、车辆和电子仪器等设备和装备的工作性能和工作可靠性产生不利影响[1]。深冷低温环境是太空的基本环境条件之一,因此在航天产品和装备的研制和验收过程中都需要进行低温环境试验。大型低温环境模拟试验室（以下简称低温环境室）是在室内大空间中人工模拟出低温环境、进行大型设备或装备的低温环境适应性和可靠性试验的重要设施。低温环境室的室内外空气温湿度等环境参数存在很大差异,因此其室内通常需要保持高于室外的正压,以防止室外空气渗入室内影响室内环境条件,避免低温系统出现结霜冻堵等故障。但如果室内正压过高,会对低温环境室的结构带来安全隐患,严重时会造成低温环境室围护结构破坏的安全事故,另外也会增加系统的新风量,使运行能耗和费用大幅度增加。可见低温环境室室内正压的合理控制是维持室内低温环境的一个基本条件,也是直接关系到低温环境室安全性、运行能耗和费用的一个重要问题。

以往在低温环境室室内正压设计时,其室内气压均按均匀假设来考虑,室内正压测控点通常设置在下部,室内正压通常控制在5—10 Pa 的范围内,室内正压的安全防护通常按200 Pa 设计[2]。但大型低温环境室的竖向空间高大,室内空气密度大大高于室外空气,其室内气压沿竖向会出现显著变化,因此有必要对其竖向气压变化规律及对设计工作的影响进行分析,但以往没有相关研究的文献报道。本研究对大型低温环境室在不同室温下的室内气压分布情况进行分析,为大型低温环境室的室内正压设计优化提供依据。

2 大型低温环境室竖向压力分布的计算方法

由于低温环境室对室内温度的均匀度要求较高,可假设室内温度是均匀的,同时假设其室外空气温度也是均匀的,低温环境室室内空间的高度为H。为确保低温环境室室内全部空间维持正压,将低温环境室的室内正压控制点设置在顶部,并维持5 Pa 的微正压,则顶部的室内气压为:

式中:PHn为低温环境室室内顶部的气压,Pa;PHw为低温环境室顶部室外的气压,Pa。

室内竖向气压分布:

室外竖向气压分布:

式中:Phn和Phw分别为离地面高度为h处的室内和室外气压,Pa;h为距离地面的高度,m;ρn和ρw分为室内和室外的空气密度,kg/m3;g为重力加速度,其值为9.8 N/kg。

高度为h处的室内正压:

式中:ΔPh为距地面高度为h 处的室内正压（即室内外压差）,Pa。

其中空气密度与温度和气压有关,在深冷低温接近液化温度的状态下,采用理想气体状态方程来计算空气密度会出现一定偏差,笔者以理想气体状态方程为基础,采用对低温工况下的计算偏差进行拟合修正的方法,得到多温区的空气密度计算公式如下:

式中:ρ为空气密度,kg/m3;P为空气绝对压力,Pa;T为空气温度,K;XT为实际气体修正系数。

其中XT的计算公式如下:

经与相关数据[3]的对比分析,在80 K 至400 K的温度范围内,该空气密度算法的平均相对误差为0.08%,可以满足相关研究的精度要求。

根据上述计算方法,可以得到低温环境室在不同室内温度下不同高度的室内正压值。

3 大型低温环境室竖向压力分布算法的验证

理论计算方法的准确性需要得到实测数据的验证,采用某大型低温环境室的实测数据对上述计算方法的计算准确性进行对比验证,结果见表1,其中大气压力采用当地夏季室外大气压力[4]。由表1 可见,该低温环境室下部正压的计算值与实测值的平均相对误差为5.9%,可见该计算方法具有较高的计算准确度。由表1 的实测值可见,大型低温环境室竖向压力差较大,在室温为-55 ℃、高度为21 m 时可达到85 Pa,其底部室内正压值远超过以往室内正压的设计值范围:5—10 Pa[2]。

表1 某低温环境室室内竖向气压变化的计算与测试结果对比表Table 1 Comparison table of calculation and test results of indoor vertical air pressure variation in a cryogenic environmental chamber

4 大型低温环境室竖向压力分布特点计算分析

采用上述计算方法,对某大型深冷低温环境室室内竖向压力分布进行计算分析,以考察在不同室温下大型低温环境室室内竖向正压的分布情况,计算条件如下:

室外温度为30 ℃,气压为标准大气压:101 330 Pa。大型低温环境室的室内空间高度为20 m。降温过程中低温环境室的室温是不断下降的,室温按30 ℃、10 ℃、-30 ℃、-55 ℃、-100 ℃、-165 ℃这6 种情况分别计算,计算结果见表2、图1 和图2。

表2 某大型低温环境室在不同室温下室内正压变化的计算结果Table 2 Calculation results of positive pressure changes in a large-scale cryogenic environmental chamber at different indoor air temperatures

图1 某大型低温环境室在不同室温下的室内竖向正压分布图Fig.1 Indoor vertical positive pressure distribution diagram of a large-scale cryogenic environmental chamber at different indoor air temperatures

图2 某大型低温环境室的室温与上下气压差的关系图Fig.2 Relationship between indoor air temperature and air pressure difference between top and bottom in a large-scale cryogenic environmental chamber

由图1 和表2 可见,在低温环境试验时,大型低温环境室的室内正压在竖向呈现出上低下高的线性分布,上下正压差与室温和高度两个参数有关。在室温不变的情况下,低温环境室的室内空间高度越高,其上下正压差就越大,呈线性相关。由图2 可见,室温对大型低温环境室竖向正压变化的影响很大,在降温过程中随着室温不断下降,大型低温环境室上下正压差不断增大,两者呈非线性的关系。可见大型低温环境室的室内正压呈现出竖向的不均匀性和降温过程不断变化的不稳定性的两大特点。

5 大型低温试验室室内正压设计问题分析

（1）大型低温环境室或深冷低温环境室的室内竖向正压差很大,在设计时不能忽略不计

以往在低温环境室室内正压设计时通常假设室内全空间的正压是相同的,以简化设计工作。但上述计算分析结果表明,大型低温环境室或深冷低温环境室的室内竖向正压差很大,在20 m 的高度上,室温为-55 ℃时,竖向正压差达到89 Pa,室温为-165 ℃时,竖向正压差更是高达421 Pa,每米的正压差就达到21 Pa,因此在大型低温环境室或深冷低温环境室的正压控制设计时,必须仔细考虑竖向正压变化问题,否则低温环境室正压设计将无法达到预期效果,甚至会出现严重的安全问题。

（2）室内正压测量控制点的位置和参数控制范围

为了方便安装检修,以往低温环境室的室内正压测量控制点通常设置在低温环境室的下部接近地面的位置,室内正压通常控制在5—10 Pa。但从上述计算结果可以看出,在这种情况下,即使将低温环境室底部（地面附近）的正压维持在10 Pa,其顶部也会达到较大的负压,室温为-55 ℃时,顶部的负压为79 Pa,当室温为-165 ℃时,顶部的负压高达411 Pa,室内绝大部分空间处于负压状态,无法达到室内空间维持正压的目标。可见,以往将室内正压测量控制点设置在低温环境室下部的传统设计方法是不科学的,对于低温环境室,尤其是室内空间高度较高的大型低温环境室或深冷低温环境室,室内正压测量控制点应设置在低温环境室的顶部,这样才能保证室内全部维持正压。由于大型低温环境室下部的正压远高于上部的正压,为了减少下部的正压值,顶部的正压应尽可能减小,可将顶部正压控制在0—5 Pa。

（3）低温环境室在降温过程中底部正压会不断增大

以往通常认为低温环境室在降温过程中随着室内温度下降,空气会出现冷缩效应,其室内压力也会下降,但实际情况与此不同。低温环境室都设置新风干燥系统,以维持室内正压,以前面的算例为例,对室内高度为20 m、最低试验温度为-165 ℃的深冷低温环境室的情况进行分析,将室内正压的定压点设置在顶部,并将正压值控制在5 Pa。由图2 可知,随着室内空气温度由30 ℃降到-165 ℃,顶部正压维持在5 Pa,而底部正压则由5 Pa 不断增大,最后达到426.5 Pa,因此大型低温环境室围护结构设计必须考虑这种竖向不均匀、随室温变化的受力载荷的影响。在这么高的正压下,围护结构、大门和密封结构都必须进行特殊防护。

（4）大型低温环境室室内正压变化带来的结构设计问题

由图1 可见,由于室内竖向正压的不均匀性,大型深冷低温环境室室内底部正压可能超过400 Pa,而以往大型低温环境室通常按200 Pa[2]的均匀正压进行建筑围护结构的受力计算和防护,这存在较大的安全隐患,应按具体条件计算得到的室内竖向正压分布数据进行围护结构的受力计算,考虑到室内正压的波动性,对于大型深冷低温环境室,其底部的正压设计值应不小于500 Pa,并留有一定余量,以确保结构设计的安全可靠。另外,由于大门需要开关运动,它通常是低温环境室围护结构受力的一个薄弱环节,大型低温环境室的大门通常面积较大,因此在超过400 Pa 的压差下,其承受很大的向外压力。例如,对于10 m2的大门,其受到的向外推力超过4 000 N,这给大门受力结构、密封和开关机构的设计都带来困难,必须采取特殊防护措施。对于在低温试验过程中需要人员进入检查的低温环境室,应单独设置人员进出的小门,在满足人员进出的情况下小门的面积应尽可能减小。

6 结 语

大型低温环境室是大型装备进行低温环境适应性和可靠性试验的重要设施,室内正压控制是低温环境室设计的一项重要内容。以往在低温环境室设计时,室内正压通常按均匀假设来考虑,室内正压测量控制点通常设置在低温环境室的下部,室内正压通常控制在5—10 Pa,结构设计时室内正压按均匀的200 Pa进行防护。为了验证该设计方法的科学性,本文对低温环境室室内正压分布规律进行研究,提出了低温环境室室内正压的计算方法,采用实测数据进行验证,结果表明该算法具有较高的计算准确性,其平均相对误差为5.9%。采用该算法对大型低温环境室的室内气压分布状况和特点进行分析,发现了以往低温环境室室内正压设计方法存在一些问题,其主要结论如下。

（1）大型低温环境室或深冷低温环境室的室内竖向正压差很大,在设计时不能忽略。室温为-165 ℃时,竖向正压差高达421 Pa,每米的正压差就达到21 Pa,而且在降温过程中,下部正压会不断增大,因此在大型低温环境室或深冷低温环境室的工程设计时,必须仔细考虑竖向正压变化问题,否则低温环境室室内正压设计可能无法达到保持室内正压的预期效果,甚至会出现严重的安全问题。

（2）以往将室内正压测量控制点设置在低温环境室的下部的设计方法会使低温环境室大部分空间出现负压。对于室内空间的高度较高的大型低温环境室或深冷低温环境室,室内正压测量控制点应设置在低温环境室的顶部,以保证室内全部空间维持正压,顶部正压控制在0—5 Pa 为宜。

（3）以往大型低温环境室通常按200 Pa 的均匀正压进行建筑围护结构的受力计算和防护,该设计取值是不安全的,实际室内下部的正压值可能远超过这一数值,因此在大型低温环境室结构设计时,应考虑室内正压竖向上小、下大的不均匀荷载的影响,并考虑下部室内正压随温度下降不断增大对围护结构受力载荷的影响。对于大型深冷低温环境室,其底部的正压设计的安全防护值不应小于500 Pa,大门的结构、密封和开关机构等必须特殊设计。另外,除了室内正压的合理控制以外,提高围护结构密封性对于防止室外空气的渗入也是十分重要的。

本研究只是对室内外温差的热压作用所造成室内正压的变化进行分析,并未考虑室内外风速的影响。室外自然风对低温环境室外部会产生一定风压,由此也会对室内正压产生重要影响,但该因素的影响十分复杂,需要单独研究。