用于低溫設備的液氮分配系統

李鴻勛

(北京衛星環境工程研究所，北京 100094)

0 引言

液氮分配系統在空間環境模擬器、大型氦制冷機液氮級熱交換器、液氮溫度純化器和低溫泵等都有應用。從前大多是采用強制循環液氮系統，較少采用重力輸送自循環液氮系統。重力輸送自循環系統也稱為自然循環系統或熱虹吸系統。最早應用重力輸送自循環液氮系統的是原蘇聯70年代建成的兩臺大型空間模擬器，此后再沒有應用，直到90年代美國的幾個空間模擬器由于改造的需要采用了重力輸送自循環液氮系統。

1969年美國福特公司建成的空間模擬器因鋁熱沉疲勞損壞不得不更換熱沉，于1994年對液氮系統進行了改造，改為重力輸送自循環液氮系統。

1962年美國哥達德中心建成的空間模擬器，由于其鋁熱沉支撐結構設計不合理造成熱沉損壞，于1996年進行了改造，液氮系統改為重力輸送自循環液氮系統。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)為了做空間模擬試驗，由于其體積大，必須在航空航天局(NASA)約翰遜空間中心(JSC)的大型模擬器A中進行。約翰遜空間中心模擬器A直徑19．8 m、高35.66 m，模擬器內液氮熱沉直徑17．4 m、高28 m。太空望遠鏡要求90～120天的長期試驗，因此要求試驗設備有很高的可靠性，但原模擬器A液氮泵只有300 h保養周期，大量控制閥和泄放裝置，系統對電力的高度依賴性等因素都降低了模擬器的可靠性?？刂崎y的故障會破壞熱沉和氦板的工作，太多的閥門不能控制熱沉溫度的均勻性?？傊?，原模擬器A不能完成太空望遠鏡的試驗任務，經過多個方案論證，最后還是采用了自然循環系統，于2010年完成了模擬器A的改造。

近幾年，一些高溫超導研究機構在研究和試驗63～87 K過冷液氮自然循環系統中的熱和流動特性，以便使過冷液氮的自然循環系統用于高溫超導電力設備。

上述設備采用自然循環系統而不用強制循環系統，主要因為前者有穩定、可靠、低成本、低熱沉(分路支管)溫度、低液氮消耗和較高效率的優點。

目前，液氮分配系統有5種基本型式，即開式沸騰液氮分配系統、帶壓節流液氮分配系統、單相密閉循環液氮分配系統、帶文丘利管的單相密閉循環液氮分配系統和重力輸送自循環液氮分配系統。

1 重力輸送自循環液氮系統性能和特點分析

5種基本液氮循環系統中前4種都是強制循環系統。除了開式沸騰系統外都有液氮泵和多個閥門，為了各支管溫度均勻都采用了過冷液氮，系統壓力較高。而自然循環系統是一個簡單系統，是被熱負荷的熱產生的浮力驅動的。因此要關注支路管中液氮被加熱后管中流動狀況。

1.1 液氮在典型管中流動形式隨熱負荷變化狀況

在重力輸送自循環系統中，相分離器槽(液氮貯槽)是關鍵部件，一方面供應系統液氮，又在返回的液氮中進行氣液分離，氣氮排出，而液氮繼續參與系統的循環。重力輸送自循環液氮系統中沒有液氮泵，驅動力來自液氮分離器槽的靜力壓頭。液氮從分離器槽通過垂直管供應匯集管進模擬器內熱沉的底部，通過熱沉上升后進入返回的匯集管再回到分離器槽。在此氣體放出而液體回到熱沉。

很明顯，如果沒有傳熱進入系統就不會形成循環，但由于漏熱使熱量傳入系統中，就分散蒸發管中液體。其結果是氣體排出，這導致密度的差異，從而形成驅動力，使液氮在熱沉中循環，并保持液體的液氮溫度。如圖1所示給出了典型管中各種階段流動形式和隨熱負荷變化狀況圖。從下面進入熱沉的液體是單向流，再向上是過冷沸騰，熱沉是處于飽和核態沸騰區，因此在液氮系統每個模塊供液線上裝有調節閥，以便控制管路中液體和蒸氣的比例，決定液體的供給壓力，使熱沉控制在飽和核態沸騰區。

圖1 典型管中各種階段流動形式和隨熱負荷變化狀況圖

只有使熱沉中的液氮處于飽和核態沸騰區，液氮是泡狀流或柱塞流時，液氮溫度才能保證熱沉溫度能滿足試驗要求。如果液氮處于強制對流區，管內液氮為環狀流或帶有霧沫的環狀流會損耗過多的液氮。

管內液氮的流動形式和所處的區域主要取決于所受熱負荷的大小，因為在空間環境模擬器中，熱沉所受的熱負荷較小，因此熱沉是在飽和核態沸騰區。

1.2 重力輸送自循環液氮分配系統工作原理

重力輸送自循環液氮系統工作原理如圖2所示。液氮貯槽(相分離器)放在被冷卻管上方一定的高度，由貯槽的下方連接輸液管與熱沉最下方的匯總管連接，成相互平行的管子。在沒有熱量輸入的情況下，模擬器內和模擬器外的管內液體由于進入的靜力壓頭等于返回的靜力壓頭，就不會形成循環。假如模擬器內管吸收熱量而模擬器外管沒有吸收熱量，吸收熱量的豎直管中的液氮會膨脹甚至沸騰，結果是排出氣體，這導致在同一高度上在模擬器內豎管中液氮的密度低于模擬器外豎管中液氮的密度。從而使該管中的壓力低于模擬器外豎管中液柱壓力，這一壓力差就是促使液氮環境回路流動的驅動壓力，熱流越高流速也就越大，為保持熱沉的溫度在要求的范圍內，熱沉管液氮應處于飽和核態沸騰區。在液氮系統中，熱沉的豎直管中加熱熱沉密度通常不大，加熱壁面上以核態沸騰為主要沸騰模式。壁面上活化核心處形成的氣泡大到一定尺寸，然后在浮力的作用下脫離活化核心之后，沿壁面向上滑移一定距離，并在此過程中不斷增大，最后脫離加熱壁面。脫離后的氣泡在液體中繼續向上運動，并帶動氣泡周圍的液體向上流動，從而形成自然循環。在上述兩種力的作用下，最終形成重力輸送自循環液氮系統。

圖2 重力輸送自循環液氮系統工作原理圖

1.3 重力輸送自循環液氮系統熱分析

現在以約翰遜空間中心(JSC)空間模擬器為例說明自然循環系統的熱設計。當使用自然循環系統時，在過程流動管徑內要消除潛在的蒸氣陷阱，并且在供液管和回液管之間使壓力差最大化。要在模擬器頂部足夠高的位置安放貯液罐(相分離器罐)，這樣可以達到足夠壓力差，以保持運行過程通過熱沉板高度的2/3是過冷(單相)狀態，以保證過程流動通過管路最曲折部分。

在自然循環系統中會有一定的出口含氣率的液體在管路末端返回到相分離器。質量流能使用能量平衡法計算，壓力降可以直接計算。供給液體到相分離器返回液體密度所創造的可供的壓力降必須大于需要的壓力降。最關鍵的過渡連接件要保持在過冷區域。增加熱沉的熱負荷將降低流體的密度，可自動增加通過系統的液體流量。

JSC空間模擬器自然循環系統工作原理如圖2所示，杰弗遜實驗室成功的建造了2 K低溫壓縮機的自然循環(熱虹吸)冷卻系統，并對JSC空間模擬器改造進行了熱分析。在已知參數下，可求得在不同出口蒸發率的各點壓力降及密度等參數的對應值。

Zt為全高，Zt=32 m，Zv為兩相流非加熱段(5～6部分)，Zv=4.57 m，ηs為過冷液體非加熱部分(1～2)等熵壓力降效率，ηs=96%；ηe為液體加熱部分(3～4)理想壓力降效率，ηe=90%；ηt為液體 P加熱部分(4～5)部分理想壓力降，ηt=80%；ηm為兩相非加熱部分(5～6)等熵壓力降效率，ηm=80%；P1為相分離器罐的壓力，P1=P6，P1=0．1 155 MPa；P2為點2的壓力，P2=0．357 MPa；T1為點1的溫度，T1=78．44 K；T2為點2 的溫度，T2=78．52 K；K*為加熱部分高度位置為66．7%時計算壓力P*用的系數。

如表1所列，為求得不同出口蒸發率下的各點壓力降及密度等參數，如圖2所示，首先定義表1中各參數的意義:Xe=X6為出口點6液體的蒸發率；ΔPv為從2～3點經過閥門的壓力降；X5為加熱部分末端點5的蒸發率；q/w為每循環質量流量輸入的熱量；KeZq為在加熱部分(3～5)飽和液體位置；ρt為加熱部分(4～5)總體平均蒸氣密度；ρe為加熱部分(3～4)總體平均液體密度；P*為在K*位置時的壓力，加熱部分從3～5點高度衡量時，點3位置系數Ke=0，加熱部分為最高點5時系數 Ke=1=100%，要求在總高度的66．7%，即 K*=66．7時的P*；P3、P4、P5表示 3、4、5 各點的壓力；T3、T4、T5為3、4、5 各點的溫度。

從上述計算結果可以理解自然循環的原理及特點。從數據可知，點6的X6出口蒸發率與點5的X5蒸發率變化規律是基本相同的，而且與每循環質量流量輸入的熱量g/w變化規律是一致的，這是說明輸出管路液氮的蒸發是由于在管路從3～5點輸入熱量g/w的結果。由于熱量的輸入使輸出管內液氮從飽和液體狀態變到飽和氣體狀態，加熱部分飽和液體的位置KeZq隨著出口蒸發率X6的增加減小，這是由于熱量增加，部分飽和液體變為飽和氣體。在飽和液體狀態時的密度ρe也遠大于飽和氣體狀態的密度 ρt，而且 ρe變化不大，ρt則隨著 X6的增大而減小，當熱負荷增加時會減小流體密度，這將自動增加系統通過的液體流量，這是符合液氮循環規律的。

表1 出口蒸發率與各點壓力降

已知點2的壓力P2=0．357 MPa，當出口蒸發率X6=3．0%時，點3 的壓力 P3=0．334 MPa，這說明進出管路在同一個高度水平時產生了壓差，這壓差除了閥門的阻力外，主要是由于出口有液氮蒸發，即輸出管3～5點輸入熱量q/w的結果。由于輸出管的加熱，使系統產生了虹吸效應，這樣才會形成自然循環系統。

從數據可知，由于P2是定值，2～3點之間的壓力降主要是因為點3的壓力P3降低造成的，由于在同一高度進出管路都有壓差，這就產生了系統循環的驅動力。點2經過閥門到點3的壓力降ΔPv是隨出口蒸發率X6變化的，出口蒸發率X6越高，壓力降ΔPv越大。從上述數據可知，當X6＞3%時ΔPv才有足夠的壓力降形成自然循環。

從數據可知，在出口蒸發率X6從3% ～20%時，點3 的溫度 T3從 78．52 ～78．58 K；T4從 80．73 ～81.14 K；T5從79．10 ～78．55 K。從 3 ～5 點受熱負荷加熱部分的溫度在78．52～81.14 K范圍內，該溫度保證了熱沉溫度的穩定性，并且溫度低于強制循環系統時的溫度。

一般在一個設備中要分幾個區域，每個區域將工作在獨立的自然循環系統(熱虹吸系統)，每個系統在返回管路有本身的流量，這取決于該區域熱負荷，并在該區域總流量形成的液體壓力降相平衡。對于平均熱負荷情況，可供壓力降和需要的壓力降是隨著蒸發率變化曲線變化的，如圖3所示，兩曲線交叉點在出口蒸發率3%附近。這說明當出口蒸發率在大于3%時有效壓力降才會大于需要的壓力差。

1.4 重力輸送自循環系統的優缺點

重力輸送自循環液氮系統的優點:

(1)系統簡單，無低溫下的運動設備和部件；

(2)操作簡單，維修方便，降低了設備和使用成本，系統沒有過冷器、帶壓杜瓦、液氮泵和復雜的管路，因此節省了設備投資和運行成本；

(3)能很好的滿足熱沉溫度要求、溫度較低；

根據以上分析可以看出，流域內大部分區域作物都存在不同程度作物缺水情況，但是不同分區缺水的原因也有所區別。

(4)運行穩定，較開式沸騰液氮系統和單相密閉循環液氮系統有明顯的優點，液氮貯槽起著一個氣液分離器的作用，不會有開式沸騰系統的流體振動問題和噴出液氮的問題；

圖3 驅動和需要壓力降與蒸發率的關系

(5)節省液氮，對于大型長期運行的液氮設備會有很大經濟效益。

雖然重力輸送自循環液氮系統有許多優點，但有一個很大的缺點，要求熱沉的管路需要與供液管形成U形回路，否則可能就沒有辦法循環。而單相密閉循環液氮系統對熱沉管路設計無要求，缺點是其熱負荷較強迫流動的液氮系統小。

1.5 重力輸送自循環液氮系統設計要注意的問題

(1)熱沉管路應形成一個自然對流回路，除匯總管可以做成環形管外，其他的支管路必須是要垂直或傾斜的，不能有水平支管。否則水平管中會形成氣堵。如圖4所示為原蘇聯Ф17．5 m×40 m模擬器熱沉高30 m，為了能形成U形回路，除上下各一根環形水平匯總管外，其余的支管熱沉全是從上到下，全長為30 m的鋁翼形管；

(2)供液管和回液管一定是垂直走向，需要非走水平管時，也要有一個從下向上的斜度，在回液管中絕不允許從上向下的彎曲；

(3)為了確保支管上部的溫度也能保持在液氮溫度，根據外部輻射熱的大小，應將液氮蒸發量控制在5%以內，這樣才能保證有足夠的驅動力，不會使支管上部蒸氣太多，才能使支管保持液氮溫度；

(4)要對冷卻盤管的管阻和進出液氮管之間的壓差仔細計算，確保在這個壓差下有足夠的液體流速，當多路供液時，在每路供應管上應加調節閥，使每路供液管都能滿足上述條件。

2 三個用于大型空間模擬器的自然循環液氮系統

下面介紹三個用于大型空間模擬器的自然循環液氮系統，一個是原蘇聯上世紀70年代建成的，另一個是帶文丘利管單相密閉循環預冷的自然循環系統，第三個是近期改造建設的約翰遜空間中心空間模擬器的自然循環液氮系統。

2.1 原蘇聯空間環境模擬器液氮分配系統

原蘇聯空間模擬器液氮系統如圖4所示。從圖中可知液氮系統由230 m3液氮貯槽、2臺液氮泵、2臺補液泵、排液罐和氣氮再液化裝置組成。氣氮再液化裝置由球形液氮貯槽(1 400 m3)、噴射泵、補液泵、蒸發器、逆向冷凝裝置、冷卻器和空氣分離裝置組成。在熱沉啟動時為減少預冷時間要用液氮泵輸送液氮到熱沉，在正常工作時，關閉液氮泵的進出口閥門，打開旁通閥，由上方的貯槽和旁通管路及熱沉管路形成了重力輸送自循環液氮系統，這會使熱沉在低溫下穩定運行。試驗完成后，熱沉中的液氮排放到排液罐。氣氮液化裝置用于液化蒸發的氮氣，以補充液氮。

圖4 原蘇聯Φ17．5 m×40 m空間模擬器液氮系統示意圖

2.2 帶文丘利管的單相密閉循環預冷的重力輸送自循環液氮系統

如圖5所示的自然循環系統在保持熱沉溫度的同時，在一定熱負荷情況下液氮消耗最小，該系統可以手動，也可以自動操作。

該系統的特點是:使用帶文丘利管液氮泵單相密閉循環預冷的重力輸送自循環系統。系統包括:頂端液氮貯槽、過冷器盤管、頂端液氮貯槽補充液氮泵、文丘利管、液氮過冷器泵、低壓液氮貯槽及真空容器內的熱沉。在真空容器內的熱沉由頂部熱沉、圓柱熱沉和底部熱沉三部分組成。系統主要由帶文丘利管的單相密閉循環啟動系統和重力輸送自循環系統兩部分組成。

圖5 帶單相密閉循環預冷的自然循環液氮系統示意圖

(1)帶文丘利管單相密閉循環啟動系統

在真空容器中主熱沉熱負荷損耗的液氮是由低壓液氮貯槽供到頂端液氮貯槽的。頂端液氮貯槽高于真空容器，液氮由低壓液氮貯槽底部供給頂端液氮貯槽補充泵液氮，再由補充泵將液氮泵到頂端的液氮貯槽。頂端液氮貯槽是工作在等于或接近一個大氣壓狀態，因而保持液氮沸點在一個大氣壓熱平衡飽和狀態，并在這種狀態下向熱沉提供液氮。頂端液氮貯槽內裝有液氮過冷器盤管，是單相密閉循環系統的重要組成部分。液氮通過過冷器盤管經文丘利管供應到液氮過冷器泵，過冷器盤管中的液氮通過I、J、K管路到達帶文丘利管的泵，通過過冷器泵將壓力提高到1．0 MPa，然后液氮經過管路通入真空容器中的熱沉，熱沉是暴露在真空容器中的熱負荷。因為流體通過熱沉壓力足夠高，因此液氮仍保持為液體(不會改變為氣相)，從熱沉出來的液氮經過管路M和N回到浸在上部的貯槽中的過冷器盤管，當液氮通過過冷器盤管時，在真空容器中得到的熱量與過冷液體進行熱交換，這會引起在貯槽的液氮沸騰更強烈。當液氮在頂端液氮貯槽中氣化，液氮會重新由低壓液氮貯槽通過頂端液氮貯槽補充氣化的液氮。液氮通過過冷器盤管后，接近頂端液氮貯槽一樣的壓力，然后液氮再次經管路I、J和K流向過冷器泵繼續循環。

由過冷器盤管、管路 N、I、J、K 及文丘利管、液氮過冷器泵、管路L、主熱沉和管路M所組成的帶文丘利管單相密閉循環液氮系統是用于預冷熱沉的系統，該系統啟動和補充液氮損失是靠頂端液氮貯槽通過管路O到文丘利管，再進入液氮過冷器泵的吸入口。

(2)重力輸送自循環系統

如上所述，頂端液氮貯槽中液氮損耗是由于熱沉中的熱負荷引起的，重力輸送自循環系統的主要特點是在熱真空容器中的熱沉能保持要求的液氮溫度主要依靠上方的貯槽，不是依靠液氮過冷器泵。

重力輸送自循環系統工作循環為:液氮通過頂端液氮貯槽供應到真空容器內的熱沉，通過管路P、J、Q和R到達熱沉，先進入熱沉較低的部分，然后就通過熱沉整體區域或整體管路。

當液氮流動時，吸收真空容器中熱沉的熱量，因此會輕微的減少熱沉內液氮的密度并增加熱沉和導管J在同一高度任意點間的壓力差。由于液氮繼續在真空容器外的M管路中向上流動時，在某個高度或在低于頂端液氮貯槽的某個高度得到足夠大的熱量，液氮變為兩相流并和供液管路J在相同高度比較具有更小的密度，因此給液氮提供了驅動力，這種驅動力可克服系統的摩擦損失并在自然對流的狀態下進行流動，通過M和S管路兩相流返回頂端液氮貯槽。

2.3 約翰遜空間模擬器的自然循環液氮系統

如圖6所示為約翰遜空間中心模擬器的自然循環液氮系統。模擬器為滿足詹姆斯·韋伯太空望遠鏡試驗對其液氮系統進行改造，將強制循環液氮系統改造為自然循環液氮系統，是目前最簡單效果較好的自然循環系統。系統消除了全部旋轉部件并依賴自然循環(即依賴重力和密度變化)供應液氮到熱沉，并使用五個相同的相分離器罐，每個0．9 m3，全部在模擬器頂部。模擬器熱沉分為四個扇形體，每個扇形體由若干熱沉區域組成，每個扇形熱沉由獨立的相分離器罐提供液氮，流體由上面貯罐靠重力自然流到熱沉區域。相分離器罐中的液氮補充及熱沉的預冷都是靠加熱器加熱環境蒸發器，用蒸發器產生的帶壓氮氣充入液氮貯罐，用此罐中的液氮補充液氮和預冷熱沉，該系統是目前最簡單的自然循環液氮系統。由于改造后取消了液氮泵和減少了各種閥門，提高了系統的可靠性，自然驅動過程保證了系統的穩定性和低熱沉溫度。簡化后的系統減少了維修和建造成本，提高了效率，節省了大量液氮，與改造前比較節省了27%的液氮。

圖6 JSC空間模擬器自然循環液氮系統示意圖

3 結束語

在各種使用液氮分配系統設備中，正常運行時，負荷允許的情況下應選用重力輸送自循環(自然循環)液氮系統。因為該系統可達到較低的溫度，最省液氮。選用自然循環系統后要進行一些技術準備工作。首先要進行液壓測量，確定所需要的壓力差，得到循環需要的液體蒸發率。本質上，最終在系統內會平衡蒸發率的值，對系統分析和預測是不可缺少的一個步驟，分析預測正如詳細設計管路一樣是個反復過程并正在走向成熟，通過分析和預測可以驗證在系統內任何地方都不會超過最大蒸發率10%。在兩相流的熱力學和流體工藝設計中的工程能力和經驗必須減少這些設計風險，通過預先設計來驗證系統最終結果，以達到預期。

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