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负压液氮过冷器装置及其降低液氮温度的方法
来源：广搜网
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发布日期： 14:20:45
&&&&发明人：蔡国飙 凌桂龙 张建华 王文龙李晓娟 黄本诚 张国舟（摘要：本发明提出一种负压液氮过冷器装置及其降低液氮温度的方法，应用在发动机真空科学技术领域。该装置包括液氮输送系统、过冷器系统、负压抽气系统和排放系统，液氮输送系统为过冷器系统提供液氮，负压抽气系统配有空温式汽化器，为过冷器降压，排放系统排放气氮，过冷器系统中通过远程手动调节气动调节阀使过冷器中液氮液位恒定。该方法先为液氮容器加注液氮并调压，再为过冷器加注液氮并保持过冷器内的液氮液位恒定，然后启动负压抽气系统，通过换热器为液氮降温，最后回收液氮及排放残液。本发明克服了常压液氮过冷器仅能提供最低温度77K 液氮的缺点，能进一步降低热沉温度，实现热沉温度在70 ～77K 问可调，设备简单、效果好且成本低。）
1. 一种负压液氮过冷器装置，其特征在于，所述装置包括液氮输送系统(100)、过冷器系统(200)、负压抽气系统(300) 以及排放系统(400)，过冷器系统(200) 中包含有气动调节阀(203)、第二液位计(207) 和过冷器(216)，过冷器(216) 又包含过冷器容器主体(217)和换热器(218) ；液氮输送系统(100) 通过气动调节阀(203) 将液氮输入过冷器容器主体(217) 中，通过设置在过冷器容器主体(217) 顶部的第二液位计(207) 的测量值大小来远程手动调节气动调节阀(203) 的开度，保持过冷器容器主体(217) 内的液氮液位的恒定，且液氮液位高于换热器(218) ；过冷器系统(200) 将流经热沉的液氮通入换热器(218)，并将通过换热器(218) 的液氮输送入热沉入口；负压抽气系统(300) 为过冷器容器主体(217) 降压，使得过冷器容器主体(217) 内部的蒸汽压为0.03859 ～ 0.1Mpa ；排放系统(400) 用于排放液氮气化产生的氮气；所述的负压抽气系统(300) 包括第六手阀(302)、第七手阀(308)、第三安全阀(301)、第四安全阀(306)、汽化器入口温度计(303)、第二汽化器(304)、汽化器出口温度计(305)以及真空泵(307)，第二汽化器(304) 的输入端通过管路依次连接有汽化器入口温度计(303)、第六手阀(302) 以及第三安全阀(301)，并连接至过冷器容器主体(217) 的顶部与排放系统(400) 的入口管路，第二汽化器(304) 的输出端通过管路依次连接汽化器出口温度计(305) 和第四安全阀(306)，并连接至真空泵(307) 的输入端，真空泵(307) 的输出端通过管路连接第七手阀(308) 连接至大气；所述的真空泵(307) 用于将过冷器容器主体(217) 内的液氮汽化后的氮气抽走，并设置真空泵(307) 单位时间所抽的氮气量大于过冷器容器主体(217) 内单位时间的液氮汽化的量；所述装置的所有管路都采用聚氨酯发泡。2. 根据权利要求1 所述的一种负压液氮过冷器装置，其特征在于，所述的第二汽化器(304) 为空温式汽化器，用于将从过冷器容器主体(217) 内抽取的低温气氮升温至常温气氮。3. 根据权利要求1 所述的一种负压液氮过冷器装置，其特征在于，所述的液氮输送系统(100) 包括：测满阀(101)、进液阀(102)、出液阀(103)、第一手阀(104)、电磁阀(105)、第二手阀(106)、第三手阀(107)、第一汽化器(108)、第一现场压力表(109)、第一远程压力表(110)、第一液位计(111)、第一残液排放阀(112)、第一安全阀(113)、过冷器容器进液阀(114)、第二安全阀(115)、过滤器(116) 和液氮容器(117) ；测满阀(101) 连接在液氮容器(117) 的顶部，进液阀(102) 连接在液氮容器(117) 的底部，出液阀(103) 的一端连接在液氮容器(117) 的底部，另一端安装有三通管路，该三通管路的一端顺次通过第一安全阀(113)、过冷器容器进液阀(114)、第二安全阀(115)、过滤器(116) 与过冷器系统(200) 连接，该三通管路的另一端连接至第一残液排放阀(112)，第一残液排放阀(112) 安装在液氮输送系统(100) 的管路最低位置处；第一手阀(104) 的左端与第三手阀(107) 的左端通过三通管路连接至液氮容器(117) 的底部，第一手阀(104) 的右端顺次连接电磁阀(105) 与第二手阀(106) 的左端，第二手阀(106) 的右端与第三手阀(107) 的右端通过三通管路连接至汽化器(108) 的入口处，汽化器(108) 出口通过管路连接至液氮容器(117) 的顶部；第一手阀(104) 与第二手阀(106) 常开，第三手阀(107) 常闭，当电磁阀(105) 损坏时，第一手阀(104) 与第二手阀(106) 关闭，第三手阀(107) 打开；第一现场压力表(109) 和第一远程压力表(110) 连接在液氮容器(117) 的顶部，用于测量液氮容器(117) 的容器压力，通过压力的测量来控制电磁阀(105) 或第三手阀(107) 的开度大小；液位计(111) 连接在液氮容器(117) 的顶部，用于测量液氮容器(117) 的液氮液位高低，当液氮液位过低时，及时加注。4. 根据权利要求1 所述的一种负压液氮过冷器装置，其特征在于，所述的过冷器系统(200) 还包括：换热器入口阀(201)、过冷器进口温度计(202)、第四手阀(204)、第二现场压力表(205)、第二远程压力表(206)、第五手阀(208)、第三现场压力表(209)、第三远程压力表(210)、液氮回收阀(211)、放气阀(212)、过冷器出口温度计(213)、换热器出口阀(214)和第二残液排放阀(215) ；换热器入口阀(201) 左端连接接入流经热沉的液氮的管路，右端通过管路连接过冷器进口温度计(202) 连接至换热器(218) 的入口端，换热器(218) 的出口端通过管道连接有过冷器出口温度计(213) 并连接换热器出口阀(214) 的左端，换热器出口阀(214) 的右端连接将液氮输入热沉的管路；气动调节阀(203) 左端通过管路与液氮输送系统(100) 连接，右端通过管路连接至过冷器容器主体(217) 的顶部；第二现场压力表(205) 和第二远程压力表(206) 通过第四手阀(204) 连接至换热器(218) 的入口，第三现场压力表(209) 和第三远程压力表(210) 通过第五手阀(208) 连接至过冷器容器主体(217)的顶部；液氮回收阀(211) 的左端和第二残液排放阀(215) 的一端通过三通管路连接在过冷器容器主体(217) 的底部，放气阀(212) 的左端与液氮回收阀(211) 的右端通过三通管路连接至排放系统(400)，放气阀(212) 的右端通过管路连接换热器出口阀(214) 的左端，放气阀(212) 的位置高于换热器出口阀(214)。5. 根据权利要求1 所述的一种负压液氮过冷器装置，其特征在于，所述的排放系统(400) 包括第八手阀(401)、气动截止阀(402) 和第五安全阀(403) ；所述的气动截止阀(402) 安装在所述的负压液氮过冷器装置的最高点处，所述的第八手阀(401) 的左端与负压抽气系统(300) 的第六手阀(302) 通过三通管路连接至过冷器容器主体(217) 的顶部，第八手阀(401) 的右端通过管路连接着气动截止阀(402) 的下端，气动截止阀(402) 的上端连接大气，第八手阀(401) 的右端还通过管路连接液氮输送系统(100) 的液氮容器(117)的顶部，以及过冷器系统(200) 的放气阀(212) 的左端与液氮回收阀(211) 的右端。6. 根据权利要求1 或5 所述的一种负压液氮过冷器装置，其特征在于，所述的负压抽气系统中的第六手阀(302) 所在的管路与排放系统(400) 中第八手阀(401) 所在的管路的管径相同，并且设置第六手阀(302) 与第八手阀(401) 所在的管路的连通处距离过冷器容器主体的顶部300mm。7. 应用权利要求1-6 任意一项所述的负压液氮过冷器装置降低液氮温度的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1) 为液氮容器(117) 加注液氮：向液氮输送系统(100) 的液氮容器(117) 加注液氮，同时观察液氮输送系统(100) 的测满阀(101) 和第一液位计(111)，直至液氮容器(117) 注满液氮；(2) 为液氮容器(117) 调压：打开液氮输送系统(100) 的电磁阀(105) 向第一汽化器(108) 输送液氮，将气化后的气氮输送至液氮容器(117)，并通过液氮输送系统(100) 的第一现场压力表(109) 和第一远程压力表(110) 调节液氮容器(117) 的供液压力，使供液压力稳定在0.4 ～ 0.6MPa ；(3) 为过冷器容器主体(217) 加注液氮：打开液氮输送系统(100) 的出液阀(103)、过冷器容器进液阀(114) 以及过冷器系统(200) 的气动调节阀(203) 向过冷器容器主体(217) 加注液氮，直至液氮的液面高度高于换热器(218)，加注时打开排放系统(400) 的第八手阀(401) 和气动截止阀(402) ；(4) 保持过冷器容器主体(217) 内的液氮液位高度恒定：通过过冷器系统(200) 的第二液位计(207) 测量值，调节气动调节阀(203) 的开度，使过冷器容器主体(217) 内的液氮液位高度保持在设定的范围内；(5) 启动负压抽气系统(300) ：关闭第八手阀(401)，打开第六手阀(302)、第七手阀(308)，同时启动真空泵(307)，通过管路对过冷器容器主体(217) 进行真空抽气，保持过冷器容器主体(217) 内的空间压力处于设定的负压状态；(6) 通过换热器(218) 的管路为热沉输出的液氮降温：打开过冷器系统(200) 的换热器入口阀(201)、换热器出口阀(214)，将热沉流出的高温液氮通入换热器(218)，并将流经换热器(218) 降温后的液氮再输出到热沉，此过程过冷器系统(200) 的放气阀(212) 一直开启；(7) 回收过冷器容器主体(217) 的液氮：试验结束后，关闭出液阀(103)、气动调节阀(203)、放气阀(212)、第六手阀(302) 和第八手阀(401)，打开过冷器系统(200) 的液氮回收阀(211)，使液氮沿管路回流至液氮容器(117) 内；(8) 排放残液：打开过冷器系统(200) 的第二残液排放阀(215) 将过冷器容器主体(217) 内残留的液氮排放干净，打开第一残液排放阀(112) 将管路中残留的液氮排放干净。负压液氮过冷器装置及其降低液氮温度的方法技术领域[0001] 本发明属于发动机真空科学技术领域，本发明涉及一种用于将低温液氮进一步降温的过冷器装置，具体是一种负压液氮过冷器装置及其降低液氮温度的方法。背景技术[0002] 热沉温度越低抽气效率越高。常压下的液氮温度为77K，液氮热沉采用液氮制冷至最低温度为77K，无法使液氮热沉温度进一步降低；液氦热沉在预冷过程中也先采用液氮制冷，将液氦热沉制冷最低为77K，后转换成液氦制冷，转换点温度越低，采用液氦制冷时消耗的液氦量越少，可有效节约液氦热沉的运行费用。用于热沉制冷的液氮外流程输送系统一般采用闭式循环，该闭式循环为带压系统，目的是将液氮循环利用。一般情况下流经热沉的液氮会有5K 的温升，即热沉入口处的液氮温度77K，热沉出口处的液氮温度82K，过冷器在闭式液氮外流程中主要负责将热沉出口的高温液氮(82K) 经过热交换后降温成为低温液氮(77K)，维持闭式液氮系统的循环。[0003] 过冷器是利用容器里温度较低的液氮气化所产生的潜热来冷却系统内循环的带有一定压力的液氮，通过过冷器后的液氮温度和过冷器容器内部的液氮温度相同，经过过冷器的液氮会直接被送到热沉入口。[0004] 传统的过冷器都是常压过冷器，所谓的常压过冷器是指过冷器容器内部的压力为常压( 一个大气压)，而常压( 一个大气压) 下的液氮最低温度为77K，也就是说常压过冷器容器内部的液氮温度最低为77K，无法继续降低，因此常压过冷器不能为热沉系统提供更低温度的液氮，无法使热沉温度继续降低至77K 以下，而热沉温度越低抽气效果越好，越能节约试验成本，若能够使得过冷器内部的液氮温度更低，则可为热沉系统提供更低的液氮。发明内容[0005] 本发明的目的是为了使得过冷器内部的液氮温度更低，提出一种负压液氮过冷器装置及其降低液氮温度的方法，克服了常压液氮过冷器仅能为热沉提供最低温度77K 的缺点，能进一步降低热沉温度，实现热沉温度在70 ～ 77K 间可调。[0006] 一种负压液氮过冷器装置，包括液氮输送系统、过冷器系统、负压抽气系统以及排放系统。过冷器系统中包含有气动调节阀、第二液位计和过冷器，过冷器又包含过冷器容器主体和换热器；液氮输送系统通过气动调节阀将液氮输入冷器容器主体，通过设置在过冷器容器主体顶部的第二液位计的测量值大小来远程手动调节气动调节阀的开度，保持过冷器容器主体内的液氮液位的恒定，且液氮液位高于换热器；过冷器系统将流经热沉的液氮通入换热器，并将通过换热器的液氮输送入热沉入口；负压抽气系统为过冷器降压，使得冷器容器主体内部的蒸汽压为0.03859 ～ 0.1Mpa ；排放系统用于排放液氮气化产生的氮气。所述装置的所有管路都采用聚氨酯发泡。[0007] 液氮输送系统主要包括测满阀、进液阀、出液阀、第一手阀、第二手阀、第三手阀、电磁阀、汽化器、第一现场压力表、第一远程压力表、第一液位计、第一残液排放阀、第一安全阀、第二安全阀、过冷器容器进液阀、过滤器和液氮容器。测满阀的一端通过管路连接至液氮容器的顶部，用于测满，当液氮容器加满液氮时，液氮会从测满阀处流出。进液阀的一端通过管路连接至液氮容器的底部，用于向液氮容器加注液氮。出液阀的一端通过管路连接至液氮容器的底部，另一端安装有三通管路，三通管路的一端顺次连接过冷器容器进液阀和过滤器并连接至过冷器系统，三通管路的另一端连接至第一残液排放阀，第一残液排放阀安装在液氮输送系统管路最低位置处。在过冷器容器进液阀的一端设置有第一安全阀，另一端设置有第二安全阀。电磁阀的左端连接有第一手阀，右端连接有第二手阀，第一手阀与第三手阀的左端通过三通管路连接至液氮容器的底部，第二手阀与第三手阀的右端通过三通管路连接至汽化器的入口。汽化器的出口通过管路直接连接至液氮容器的顶部。第一现场压力表和第一远程压力表连接在液氮容器的顶部，用于测量液氮容器的容器压力，通过压力的测量来控制电磁阀或第三手阀的开度大小。过滤器用于过滤液氮管路中的杂质，保证供液系统的清洁。第一液位计用于测量液氮容器的液氮液位高低，当液氮液位过低时，及时加注。[0008] 过冷器系统主要包括换热器入口阀、过冷器进口温度计、气动调节阀、第四手阀、第五手阀、第二现场压力表、第三现场压力表、第二远程压力表、第三远程压力表、第二液位计、液氮回收阀、放气阀、过冷器出口温度计、换热器出口阀、第二残液排放阀和过冷器。过冷器包括过冷器容器主体和换热器，换热器安装在过冷器容器主体内部，过冷器容器主体内加注液氮，换热器通入来至于流经热沉的液氮，流经热沉的液氮经过换热器后，流经热沉的液氮温度降低，过冷器容器主体的液氮温度升高，流经热沉的液氮温度与过冷器容器主体的液氮温度经换热变为相同。换热器入口阀的左端连接通入流经热沉的液氮的管路，右端连接过冷器进口温度计连接至换热器的入口，换热器的出口通过管路连接过冷器出口温度计连接至换热器出口阀的左端，换热器出口阀的右端连接将液氮输入热沉的管路，从换热器出口阀流出的低温液氮通过液氮泵直接送入热沉入口，实现闭式循环。气动调节阀一端通过管路连接至过冷器容器主体的顶部，另一端通过管路与过滤器连接，第二液位计设置在过冷器容器主体的顶部，通过第二液位计的测量值大小来远程手动调节气动调节阀的开度，实现过冷器容器主体内液氮液位的恒定，且保持液氮液位高于换热器。在换热器的入口通过第四手阀连接有第二现场压力表和第二远程压力表，用来测量换热器的入口压力，第四手阀用于控制第二现场压力表和第二远程压力表的开关。在过冷器容器主体的顶部通过第五手阀安装有第三现场压力表和第三远程压力表，用于测量过冷器容器主体的内部压力，第五手阀用于控制第三现场压力表和第三远程压力表的开关。液氮回收阀的一端与第二残液排放阀的一端通过管路连接在过冷器容器主体的底部。液氮回收阀的另一端与放气阀的一端通过三通管路连接至排放系统。放气阀的另一端通过管路连接至换热器出口阀的左端，放气阀位置高于换热器出口阀，用于及时排出换热器管路中残留的少量气氮。[0009] 所述的负压抽气系统包括第六手阀、第七手阀、第三安全阀、第四安全阀、汽化器入口温度计、第二汽化器、汽化器出口温度计和真空泵，第二汽化器的输入端通过管路依次连接有汽化器入口温度计、第六手阀以及第三安全阀，并连接至过冷器容器主体的顶部与排放系统的入口管路，第二汽化器的输出端通过管路依次连接汽化器出口温度计和第四安全阀，并连接至真空泵的输入端，真空泵的输出端通过管路连接第七手阀连接至大气。所述第二汽化器为空温式汽化器，用于将低温气氮升温至常温气氮。真空泵用于将过冷器容器主体内的液氮汽化后的氮气抽走，保持过冷器容器主体内的空间压力处于设定的负压状态，并使得真空泵的单位时间抽取的汽化的氮气量大于液氮单位时间汽化的量。[0010] 排放系统包括第八手阀、气动截止阀和第五安全阀，气动截止阀安装在本发明的负压液氮过冷器装置的最高点处，第八手阀的左端与负压抽气系统的第六手阀通过三通管路连接至过冷器容器主体的顶部，第八手阀的右端通过管路连接着气动截止阀的下端，气动截止阀的上端连接大气，第八手阀的右端还通过管路连接至液氮容器的顶部，以及放气阀的左端与液氮回收阀的右端。[0011] 负压抽气系统中的第六手阀所在的管路与排放系统中第八手阀所在的管路的管径相同，并且第六手阀所在管路与第八手阀所在管路的连通处尽量靠近过冷器容器主体的顶部，且连通处距离过冷器容器主体的顶部300mm 为宜。[0012] 采用上述负压液氮过冷器装置降低液氮温度的方法，具体包括以下几个步骤：[0013] (1) 向液氮容器加注液氮：向液氮容器加注液氮，同时观察测满阀和第一液位计，直至液氮容器注满液氮；[0014] (2) 为液氮容器调压：打开电磁阀向第一汽化器输送液氮，将气化后的气氮输送至液氮容器，并通过液氮输送系统的第一现场压力表和第一远程压力表调节液氮容器的供液压力，使供液压力稳定在0.4 ～ 0.6MPa ；[0015] (3) 向过冷器容器主体加注液氮：打开出液阀、过冷器容器进液阀和气动调节阀向过冷器容器主体加注液氮，直至过冷器容器主体内的液氮液面高度高于换热器，加注时打开第八手阀和气动截止阀，便于液氮气化产生的氮气的排放；[0016] (4) 保持过冷器容器主体内的液氮液位的高度恒定：通过第二液位计的测量值，调节气动调节阀的开度，使过冷器容器主体内的液氮液位高度保持在设定的范围内；[0017] (5) 启动负压抽气系统300 ：关闭第八手阀，打开第六手阀、第七手阀，同时启动真空泵，通过管路对过冷器容器主体进行真空抽气，保持过冷器容器主体内的空间压力处于设定的负压状态；[0018] (6) 通过换热器管路为液氮降温：打开换热器入口阀、换热器出口阀，将热沉流出来的高温液氮通入，并将流经换热器降温后的液氮再输出给热沉，在给步骤中过程放气阀一直开启；[0019] (7) 回收过冷器容器主体的液氮：试验结束后，关闭出液阀、气动调节阀、放气阀、第六手阀和第八手阀，打开液氮回收阀，利用过冷器容器主体内液氮气化产生的压力对自身增压，使液氮沿管路回流至液氮容器内；[0020] (8) 排放残液：打开第二残液排放阀将过冷器容器主体内残留的液氮排放干净，打开第一残液排放阀将管路中残留的液氮排放干净。[0021] 本发明的优点与积极效果在于：[0022] (1) 本发明提供的负压液氮过冷器装置及其降低液氮温度的方法，配有负压抽气系统，可将过冷器容器主体压力抽至设定的负压状态0.03859 ～ 0.1MPa，使流经换热器的高温液氮降至规定的液氮温度70 ～ 77K，克服了常压液氮过冷器仅能为热沉提供最低温度77K 的缺点，能进一步降低热沉温度，使热沉的抽气能力和效率大大提高。[0023] (2) 本发明提供的负压液氮过冷器装置及其降低液氮温度的方法，主要应用在液氮闭式循环系统中，可将液氮温度进一步降温至70K，为热沉提供70K 的液氮制冷。在先用液氮将液氦热沉制冷至70K，然后再利用液氦将液氦热沉制冷至4K，大大节约了预冷过程中昂贵液氦的消耗，系统运行成本大大降低；液氮可将液氦热沉降温至70K，比热沉温度降至100K，可减少液氦预冷消耗量33％，约0.7m3 液氦。[0024] (3) 本发明提供的负压液氮过冷器装置及其降低液氮温度的方法，用于液氦热沉制冷时，减少工作过程中液氦耗量，用于保护液氦热沉的液氮热沉温度可降低至70K，液氮热沉对液氦热沉的热辐射大大降低，进一步减小了昂贵的液氦消耗，系统运行成本降低；正常工作过程中，液氮热沉温度为100K 时，由于辐射带来的热损失为754W，当热沉温度降到70K 时，热损失降为238W，辐射热损失降低68％，相对于系统工作时的总热负荷降低7％。[0025] (4) 本发明的负压抽气系统中配有空温式汽化器，提供接近于环境温度的氮气，保护真空泵抽气时不被低温氮气冻坏。[0026] (5) 本发明提供的负压液氮过冷器装置，试验结束后能够实现剩余液氮的回收及残余液氮的排放。[0027] (6) 本发明提供的负压液氮过冷器装置，配有气动调节阀，可远程手动调节向过冷器容器主体输送液氮量的大小，实现过冷器容器主体液位的恒定。[0028] (7) 本发明提供的负压液氮过冷器装置，液氮输送系统配有低温电磁阀，能实现液氮容器供液压力远程自动调节。[0029] (8) 本发明提供的负压液氮过冷器装置及其降低液氮温度的方法，原理独特、设备简单、效果好、运行成本低。附图说明[0030] 图1 是传统的常压过冷器的的主体简图；[0031] 图2 是氮的饱和蒸汽压表；[0032] 图3 是本发明提供的负压液氮过冷器装置的结构示意图；[0033] 图4 是本发明的降低液氮温度方法的流程图。[0034] 图中：[- 液氮输送系统 200- 过冷器系统 300- 负压抽气系统 400- 排放系统 101- 测满阀[- 进液阀 103- 出液阀 104- 第一手阀 105- 电磁阀106- 第二手阀[- 第三手阀 108- 汽化器 109- 第一现场压力表 110- 第一远程压力表111- 第一液位计[- 第一残液排放阀 113- 第一安全阀 114- 过冷器容器进液阀115- 第二安全阀[- 过滤器 117- 液氮容器 201- 换热器入口阀 202- 过冷器进口温度计 203- 气动调节阀[- 第四手阀 205- 第二现场压力表 206- 第二远程压力表 207- 第二液位计[- 第五手阀 209- 第三现场压力表 210- 第三远程压力表 211- 液氮回收阀 212- 放气阀[- 过冷器出口温度计 214- 换热器出口阀 215- 第二残液排放阀216- 过冷器[- 过冷器容器主体 218- 换热器 301- 第三安全阀 302- 第六手阀[- 汽化器入口温度计 304- 第二汽化器 305- 汽化器出口温度计306- 第四安全阀[- 真空泵 308- 第七手阀 401- 第八手阀 402- 气动截止阀403- 第五安全阀具体实施方式[0046] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。[0047] 如图1 所示，常压过冷器主要由换热器218 与过冷器容器主体217 组成，流经热沉的液氮输入换热器218，经过过冷器容器主体217，再次输入到热沉中去。经过常压过冷器，可使得流出热沉的液氮在流入热沉时的温度降低为77K。[0048] 本发明的负压液氮过冷器装置配有负压抽气系统300，能将过冷器容器内部压力抽至常压以下，将过冷器容器内部的液氮温度进一步降低使之低于77K，从而进一步降低了热沉制冷温度，热沉相应的抽气能力及抽速大大提高，尤其对于液氦热沉的预冷来说效果更明显，进一步降低了液氦热沉在预冷过程中的液氦用量，节约成本。[0049] 在一定的流量、压力条件下，过冷器容器主体中的液氮温度将决定换热器经过换热后的管路中液氮的温度，如果过冷器容器主体采用的是常压液氮，则换热后的液氮温度为77K。利用真空泵，可将过冷器容器主体内部压力降低，从而降低液氮的汽化温度，实现换热后管路中液氮的温度降低。从图2 可以看出，液氮三相点的压力、温度分别为0.01253MPa、63.15K，1 巴(bar) ＝ 100,000 帕(Pa) ＝ 0.1MPa。为了避免压力过低使液氮进入三相点从而使液氮固化，并导致传热恶化，设置过冷器容器主体内液氮取70K，此时对应的饱和蒸汽压为0.03859MPa。[0050] 本发明的负压液氮过冷器装置，如图3 所示，包括液氮输送系统100、过冷器系统200、负压抽气系统300 以及排放系统400。[0051] 液氮输送系统100 为过冷器系统200 中的过冷器216 提供液氮，负压抽气系统300为过冷器系统200 中的过冷器216 降压，使得过冷器216 内部的蒸汽压为0.03859 ～ 0.1MPa可调，实际值可根据热沉所需温度具体调节，当过冷器216 内部的蒸气压为0.03859MPa 时，此时负压抽气系统300 工作，可为热沉提供70K 液氮制冷，当过冷器216 内部的蒸气压为0.1MPa 时，此时阀门302 关闭负压抽气系统300 不工作，相当于常压过冷器，可为热沉提供77K 液氮制冷，如还需热沉温度在70 ～ 77K 间可调，则仅需相应调节过冷器216 内部的蒸汽压力即可。过冷器系统200 将流经热沉的液氮通入换热器218，换热器218 经过过冷器216内部进行热交换后，输入的流经热沉的液氮的温度降低，并直接被送入热沉入口。排放系统400 用于排放液氮气化产生的氮气。[0052] 本发明的负压液氮过冷器装置的所有管路必须采用聚氨酯发泡，避免管路表面结霜，管路发泡厚度取决于管径大小，管径越大发泡厚度越大。[0053] 液氮输送系统100 包括测满阀101、进液阀102、出液阀103、第一手阀104、电磁阀105、第二手阀106、第三手阀107、第一汽化器108、第一现场压力表109、第一远程压力表110、第一液位计111、第一残液排放阀112、第一安全阀113、过冷器容器进液阀114、第二安全阀115、过滤器116 和液氮容器117。进液阀102 和出液阀103 连接在液氮容器117 的底部，出液阀103 另一端安装有三通管路，该三通管路的一端顺次通过第一安全阀113、过冷器容器进液阀114、第二安全阀115 与过滤器116 连接，另一端连接至第一残液排放阀112。第一手阀104 的左端与第三手阀107 的左端通过三通管路连接至液氮容器117 的底部；第一手阀104 的右端顺次连接电磁阀105 与第二手阀106 的左端；第二手阀106 的右端与第三手阀107 的右端通过三通连接至第一汽化器108 入口处。第一汽化器108 出口通过管路直接连接至液氮容器117 顶部。进液阀102 用于向液氮容器117 加注液氮。测满阀101 一端通过管路连接至液氮容器117 顶部，用于测满，当液氮容器117 加满液氮时，液氮会从测满阀101 处流出。出液阀103 通过管路连接至液氮容器117 底部，用于向过冷器系统200 输送液氮。电磁阀105 用于向第一汽化器108 输送液氮，可远程自动控制，操作方便。第一手阀104 和第二手阀106 常开，当电磁阀105 损坏时，第一手阀104 和第二手阀106 关闭，此时拆卸电磁阀105 维修更换均不影响系统正常工作。第三手阀107 常闭，为系统备份，当电磁阀损坏时，关闭第一手阀104 和第二手阀106 同时，打开第三手阀107 实现向第一汽化器108 的液氮输送。第一汽化器108 用于向液氮容器117 输送气氮加压，供气压力根据系统要求可调，靠电磁阀105 或第三手阀107 开度的大小调节，开度小意味着向第一汽化器108 输送的液氮量小，经过第一汽化器108 后被气化的气氮量同时减小，导致液氮容器117 的增压压力减小，反向操作则导致液氮容器117 的增压压力增加。第一现场压力表109 和第一远程压力表110 用于测量液氮容器117 的容器压力，通过压力的测量来控制电磁阀105 或第三手阀107 的开度大小。过滤器116 用于过滤液氮管路中的杂质，保证供液系统的清洁；第一液位计111 用于测量液氮容器117 的液氮液位高低，当液氮液位过低时，及时加注；第一残液排放阀112 安装在液氮输送系统100 装置的管路最低位置处，用于试验结束后将管路中残留的液氮及时排出；第一安全阀113 和第二安全阀115 用于防止液氮输送系统100 的管路压力过高，放气、排液用。[0054] 过冷器系统200 包括换热器入口阀201、过冷器进口温度计202、气动调节阀203、第四手阀204、第二现场压力表205、第二远程压力表206、第二液位计207、第五手阀208、第三现场压力表209、第三远程压力表210、液氮回收阀211、放气阀212、过冷器出口温度计213、换热器出口阀214、第二残液排放阀215 和过冷器216。过冷器216 包括过冷器容器主体217 和换热器218，换热器218 安装在过冷器容器主体217 内部，过冷器容器主体217 内加注液氮，换热器218 通入来至于流经热沉的液氮，流经热沉的液氮的温度高于过冷器容器主体217 内的液氮温度，经过换热器218 后，来至热沉的液氮的温度降低至二者液氮温度相同。换热器入口阀201 通过管路顺次连接过冷器进口温度计202、换热器218、过冷器出口温度计213 和换热器出口阀214，经过热沉的高温液氮直接通入换热器入口阀201，从换热器出口阀214 流出的低温液氮通过液氮泵直接送入热沉入口，实现闭式循环。过冷器进口温度计202 用于测量热沉出口温度，也就是换热器218 入口温度。过冷器进口温度计213用于测量热沉入口温度，也就是换热器218 出口温度。气动调节阀203 一端通过管路连接至过冷器216 顶部，另一端通过管路与过滤器116 连接，通过第二液位计207 的大小来自动调节气动调节阀203 的开度，实现过冷器容器主体217 内液氮液位的恒定，液氮液位应高于换热器218。第二现场压力表205 和第二远程压力表206 通过第四手阀204 连接至换热器218 入口，第四手阀204 用于控制第二现场压力表205 和第二远程压力表206 的开关，实现换热器218 入口压力的测量。第三现场压力表209 和第三远程压力表210 通过第五手阀208连接至过冷器容器主体217 顶部，第五手阀208 用于控制第三现场压力表209 和第三远程压力表210 的开关，实现过冷器容器主体217 内部压力的测量。液氮回收阀211 安装在过冷器容器主体217 底部，通过三通与第二残液排放阀215 连通，用于试验结束后过冷器容器主体217 内剩余大量液氮的回收；第二残液排放阀215 安装在过冷器容器主体217 底部，用于将无法回收的液氮及时排出。放气阀212 一端通过三通管路与换热器出口阀214 连接，另一端通过三通管路与液氮回收阀211 连接，放气阀212 位置高于换热器出口阀214，用于及时排出换热器管路中残留的少量气氮。过冷器216 材料需采用耐低温的304 不锈钢。[0055] 负压抽气系统300 包括第三安全阀301、第六手阀302、汽化器入口温度计303、第二汽化器304、汽化器出口温度计305、第四安全阀306、真空泵307 和第七手阀308。通过管路顺次连接第三安全阀301、第六手阀302、汽化器入口温度计303、第二汽化器304、汽化器出口温度计305、第四安全阀306、真空泵307 和第七手阀308。第六手阀302 所在管路与第八手阀401 所在管路应保持管径相同，并且第六手阀302 所在管路与第八手阀401 所在管路连通处应尽量靠近过冷器容器主体217 的顶部，且之间的距离为300mm 为宜，可有效增加抽气系统的流导，避免因抽气管路过长导致流导下降、气体抽速降低，减小抽气时间、节约试验成本。第二汽化器304 为空温式汽化器，用于将低温气氮升温至常温气氮，以满足真空泵307 工作时泵入口对气体温度的需求。真空泵307 用于抽真空，主要是将过冷器容器主体217 内液氮汽化后的氮气抽走，保持过冷器容器主体217 内空间压力处于设定的负压，低于一个大气压的状态，要求真空泵的单位时间抽取的气氮量大于液氮汽化的量；第三安全阀301 和第四安全阀306 用于防止系统管路压力过高，放气用。[0056] 排放系统400 包括第八手阀401、气动截止阀402 和第五安全阀403。气动截止阀402 可远程操作，安装在本发明过冷器装置的最高点处，便于气体排放。第五安全阀403 用于防止系统管路压力过高，放气用。气动截止阀402 安装在本发明的负压液氮过冷器装置的最高点处，第八手阀401 的左端与第六手阀302 通过三通管路连接至过冷器容器主体217的顶部，第八手阀401 的右端通过管路连接着气动截止阀402 的下端，气动截止阀402 的上端连接大气，第八手阀401 的右端还通过管路连接液氮容器117 的顶部，以及放气阀212 的左端与液氮回收阀211 的右端。[0057] 负压抽气系统300 一端连接大气，另一端通过三通管路分别与过冷器系统200 和排放系统400 连接，便于对过冷器系统200 的负压抽气。[0058] 本发明还提出负压液氮过冷器装置操作方法，具体为包括以下几个步骤：[0059] (1) 向液氮容器117 加注液氮：向液氮容器117 加注液氮，同时观察测满阀101 和第一液位计111，直至液氮容器117 注满液氮。[0060] (2) 给液氮容器117 调压：打开电磁阀105 向第一汽化器108 输送液氮，将汽化后的气氮输送至液氮容器117，并通过第一现场压力表109 和第一远程压力表110 调节液氮容器117 的供液压力，使供液压力稳定在0.4 ～ 0.6MPa。[0061] (3) 向过冷器容器主体217 加注液氮：打开出液阀103、过冷器容器进液阀114、气动调节阀203 实现向过冷器容器主体217 的液氮加注，直至液面高度高于换热器218，加注时打开第八手阀401、气动截止阀402，便于液氮气化产生的氮气的排放。[0062] (4) 保持过冷器容器主体217 内的液氮液位高度恒定：通过测量第二液位计207，来调节气动调节阀203 的开度，使过冷器容器主体217 内的液氮液位的高度保持在设定的范围内。[0063] (5) 负压抽气系统300 启动：关闭第八手阀401，打开第六手阀302 和第七手阀308，同时启动真空泵307，通过管路对过冷器容器主体217 进行真空抽气，保持过冷器容器主体217 内空间压力处于设定的负压，低于一个大气压的状态，本发明可实现负压下过冷器容器主体217 内液氮气化温度进一步降低至70K。[0064] (6) 通过换热器218 管路为液氮降温：打开换热器入口阀201、换热器出口阀214，将热沉流出来的高温液氮通入，利用换热器218 与过冷器容器主体217 的充分换热，将流经换热器218 的高温液氮降低为低温液氮，本发明可实现将低温液氮温度可降至70K，此过程放气阀212 一直开启，便于管路内产生的气氮的排除。[0065] (7) 过冷器容器主体217 的液氮回收：试验结束后须将剩余液氮回收，关闭出液阀103、气动调节阀203、放气阀212、第六手阀302、第八手阀401，打开液氮回收阀211，利用过冷器容器主体217 内液氮气化产生的压力对自身增压，使液氮沿管路回流至液氮容器117内。[0066] (8) 残液排放：对无法继续回收的液氮做排放处理，打开第二残液排放阀215 将过冷器容器主体217 内残留的液氮排放干净；打开第一残液排放阀112 将管路中残留的液氮排放干净。
发明人：蔡国飙 凌桂龙 张建华 王文龙李晓娟 黄本诚 张国舟
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