CN113680400A - 一种液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿*** - Google Patents

Abstract

本申请属于实验室气候环境适应性分析与试验技术领域，特别涉及一种液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***。包括：箱体，液氮蒸发制冷模块，控制模块。所述箱体内部具有补偿风道；所述液氮蒸发制冷模块包括液氮换热器，以及与所述液氮换热器相适配的水冲霜装置和液氮排放装置；其中，所述补偿风道从进风口至出风口依次设置有滤网、补偿风机、所述液氮换热器以及风阀；所述控制模块用于实现对所述液氮蒸发制冷模块、所述补偿风机以及所述风阀的控制。本申请的液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***，能够应用于大型综合气候实验室极端低温下的民用飞机发动机的起动试验；还具有可靠性和安全性高、可控性好、配置灵活等优点。

Description

一种液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***

技术领域

本申请属于实验室气候环境适应性分析与试验技术领域，特别涉及一种液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***。

背景技术

大型综合气候实验室可模拟极端低温、高温、湿热、降雪、太阳辐照、积冰冻雨、淋雨、冻雾等地球表面的气候环境，其尺寸可满足大型设备或整机的气候试验需求。在对飞机的所有测试项目中，发动机在极端气候条件下的启动和工作试验是最重要的考核项目之一。在飞机气候环境实验室封闭空间内进行极端低温下的飞机发动机起动试验，需要将飞机发动机的高温尾气排出实验室，这是通过发动机尾气排放***实现的。同时需要向实验室内补充与发动机尾气排放***排放量相当的低温空气，以保证实验室内空气质量不变或室内压力稳定，试验温度稳定，保证试验的安全，这是通过空气补偿***实现的。

目前在世界范围内，具备进行各种实验室极端气候环境下的飞机整机的发动机开车试验仅有美国麦金利实验室和韩国ADD实验室。美国麦金利气候实验室的主环境室有效尺寸为宽76.2m，深61m，中间高度22.8m，附加一个18.3m×26.0m的小环境室用于容纳超大型飞机如C-5飞机的尾部，补充冷空气时制冷***提供的冷量通过两级载冷剂贮存，一级载冷剂是氯化钙溶液，通过热交换把外部的空气除湿并把气体温度降至4.4℃，第二级是二氯甲烷，它可通过热交换把气体温度从4.4℃降至-54℃，补充的热空气是通过天然气锅炉产生的蒸汽在热交换器中和空气进行热交换提供。韩国ADD实验室的试验空间为42m×30m×21m。配套的空气补偿***流量为225kg/s，在-18℃～+54℃范围内，每24小时储备的冷量可提供发动机持续运行30分钟的冷空气消耗，空气补偿***的基本原理与麦金利实验室基本相同，都是采用蓄冷/蓄热技术的间接处理补偿空气。现有技术中还存在制冷效率以及配置灵活度较低、成本较高的问题。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本申请的目的是提供了一种液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***，以解决现有技术存在的至少一个问题。

本申请的技术方案是：

一种液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***，包括：

箱体，所述箱体内部具有补偿风道；

液氮蒸发制冷模块，所述液氮蒸发制冷模块包括液氮换热器，以及与所述液氮换热器相适配的水冲霜装置和液氮排放装置；

其中，所述补偿风道从进风口至出风口依次设置有滤网、补偿风机、所述液氮换热器以及风阀；

控制模块，所述控制模块用于实现对所述液氮蒸发制冷模块、所述补偿风机以及所述风阀的控制。

在本申请的至少一个实施例中，所述箱体采用150mm厚PIR聚氯酯保温板制作而成。

在本申请的至少一个实施例中，所述液氮换热器的进风侧以及出风侧的箱体上均设置有检修门，所述检修门采用150mm厚PIR聚氯酯保温板制作而成，且所述检修门的门框上设置有电伴热带。

在本申请的至少一个实施例中，所述液氮换热器为翅片管式换热器，包括316L不锈钢材质的换热管以及8011铝合金材质的翅片。

在本申请的至少一个实施例中，所述液氮换热器串联布置多台。

在本申请的至少一个实施例中，多台所述液氮换热器分别通过液氮进液管道与液氮槽车连接，所述液氮进液管道上设置有液氮开关阀以及液氮调节阀。

在本申请的至少一个实施例中，在多台串联布置的液氮换热器的迎风侧设置有一台除湿换热器，所述除湿换热器为变片距换热器，从迎风侧至背风侧翅片间距依次为20mm、16mm、9mm。

在本申请的至少一个实施例中，所述水冲霜装置包括集水箱、喷淋管道以及冲霜水排放管道，其中，

所述集水箱中具有常温水；

所述喷淋管道设置在所述液氮换热器的上方，一端与所述集水箱连接，所述喷淋管道上设置有电磁阀，并且其上开设有均匀分布的小孔，通过所述喷淋管道向所述液氮换热器喷淋常温水；

所述冲霜水排放管道与开设在所述补偿风道低处的箱体上的排水口连接。

在本申请的至少一个实施例中，所述液氮排放装置包括氮气收集管道以及氮气排放塔，所述液氮换热器流出的氮气经过所述氮气收集管道进入所述氮气排放塔，所述氮气排放塔底部设置有稀释风机，用于向所述氮气排气塔强制通风。

在本申请的至少一个实施例中，所述控制模块包括PLC控制器、皮托管、压差变送器、温度传感器、流量计以及上位机，其中，

所述皮托管设置在所述补偿风机的出风侧中心位置，用于配合所述差压变送器实现对风量的实时监测；

所述温度传感器设置在所述液氮换热器的出风侧，用于实现对空气温度的实时监测；

所述流量计安装在所述液氮进液管道上，用于实现对进入所述液氮换热器的液氮流量的实时监测；

所述PLC控制器用于获取所述皮托管、所述压差变送器、所述温度传感器以及所述流量计的信号，并实现对所述补偿风机、所述液氮开关阀、所述液氮调节阀、所述电磁阀、所述稀释风机以及所述风阀的控制；

所述上位机用于实现对试验过程参数的设置以及状态显示。

发明至少存在以下有益技术效果：

本申请的液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***：能够应用于大型综合气候实验室极端低温下的民用飞机发动机的起动试验，尤其可以满足发动机尾气排放***排放量较小的飞机发动机起动试验，可将最大50kg/s的室外空气直接冷却至-50℃后送入实验室，以补偿在实验室极端低温环境下飞机发动机运行所排出的实验室内空气，保证试验条件和试验安全；还具有可靠性和安全性高、可控性好、配置灵活等优点。

附图说明

图1是本申请一个实施方式的液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***示意图；

图2是本申请一个实施方式的液氮蒸发制冷模块示意图。

其中：

1-箱体；2-滤网；3-补偿风机；4-液氮换热器；5-风阀；6-氮气排放塔；7-皮托管；8-温度传感器。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1至图2对本申请做进一步详细说明。

本申请提供了一种液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***，包括：箱体、液氮蒸发制冷模块以及控制模块。

如图1所示，箱体1内部具有补偿风道，液氮蒸发制冷模块包括液氮换热器4、水冲霜装置以及液氮排放装置。其中，补偿风道从进风口至出风口依次设置有滤网2、补偿风机3、液氮换热器4以及风阀5，室外空气经过过滤网2除去空气杂质，经风机驱动流经液氮换热器4进行除湿、冷却后，送入实验室。控制模块用于实现对液氮蒸发制冷模块、补偿风机3以及风阀5的控制。补偿风机3优选为变频风机，通过调节风机转速，满足风量要求。

在本申请的优选实施方案中，箱体1采用150mm厚PIR聚氯酯保温板制作而成。为便于检修，在液氮换热器4的进风侧以及出风侧的箱体1上均设置有检修门，检修门同样采用150mm厚PIR聚氯酯保温板制作而成，且检修门的门框上设置有用于保温的电伴热带。

本申请的液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***，液氮换热器4采用翅片管式换热器，其中换热管采用316L不锈钢材质、翅片采用8011铝合金制作，以承受极端低温和快速温变。本实施例中，液氮换热器4采用集管结构形式，即液氮通过总管进入与换热管连接的毛细管后，在换热管中吸热蒸发来冷却空气。

有利的是，本实施例中，为实现极端低温同时避免管内压降过大，液氮换热器4采用多台串联的形式。

有利的是，本实施例中，为避免湿空气在换热器表面结霜降低换热器效率和空气流通面积，在多台串联布置的液氮换热器4的迎风侧设置有一台除湿换热器。该除湿换热器为变片距换热器，从迎风侧至背风侧翅片间距依次为20mm、16mm、9mm，用于对来流空气进行预除湿，不会由于换热器表面结霜而严重影响空气流通面积，造成补偿空气流量衰减严重，降低后续换热器的结霜速率，保证换热能力。

在本申请的优选实施例中，如图2所示，采用液氮槽车为多台液氮换热器4供给液氮，在液氮换热器4的液氮进液管道上设置液氮开关阀和液氮调节阀，液氮开关阀可为手动或自动开关阀，液氮调节阀可为电动或气动调节阀，为防止阀门冻结，阀门均为耐极端低温阀。

本申请的液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***，水冲霜装置包括集水箱、喷淋管道以及冲霜水排放管道，其中，集水箱中具有常温水，上端接入自来水进行补水，也可省去集水箱，直接接入自来水；喷淋管道设置在液氮换热器的上方，一端与集水箱连接，喷淋管道上设置有电磁阀，并且其上开设有均匀分布的小孔，在液氮换热器4严重结霜时，通过喷淋管道向液氮换热器喷淋常温水，对换热器进行快速除霜；冲霜水排放管道与开设在补偿风道低处的箱体上的排水口连接，通过冲霜水排放管道将冲霜水排出。

本申请的液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***，液氮在液氮换热器4中吸热蒸发而气化，气化后的氮气通过排放口集中收集后通过氮气排放装置排出。本实施例中，液氮排放装置包括氮气收集管道以及氮气排放塔7，液氮换热器流出的氮气经过氮气收集管道进入氮气排放塔7，氮气排放塔7底部设置有稀释风机，用于向氮气排气塔强制通风，将氮气送入高空排放，防止密度较低的氮气在地面堆积，危害人员安全。

本申请的液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***，控制模块具备补偿空气流量控制以及温度控制的功能，包括PLC控制器、皮托管7、压差变送器、温度传感器8、流量计以及上位机，其中，皮托管7设置在轴流变频补偿风机3的出风侧中心位置，用于配合差压变送器实现对风量的实时监测；温度传感器8设置在液氮换热器4的出风侧，用于实现对空气温度的实时监测；流量计安装在液氮进液管道上，用于实现对进入液氮换热器的液氮流量的实时监测。

本实施例中，PLC控制器用于获取皮托管7、压差变送器、温度传感器8以及流量计的信号，并实现对补偿风机3、液氮开关阀、液氮调节阀、电磁阀、稀释风机以及风阀5的控制。此外，在氮气收集管道、喷淋管道以及冲霜水排放管道上海设置有适配的开关阀以及调节阀，PLC控制器还用于实现对这些阀门的控制。本实施例中，PLC控制器优选放置在现场就近设备并便于人员操作处，配置液晶触摸屏作为人机交互界面，PLC预留通讯接口。根据温度传感器8的示值和目标温度，通过实时调整调节阀的开度控制液氮的流量，进而控制补偿空气温度。本实施例中，串联的多台液氮换热器4可以独立控制，也可集中控制，独立控制时，需要每台换热器下游安装温度传感器8，对补偿空气温度进行分段控制。

本实施例中，上位机用于实现对试验过程参数的设置以及状态显示。可通过上位机实现开、关机，目标温度、风量等指令的下发，以及风量、温度、补偿风机转速等参数的显示和存储。

有利的是，本实施例中，控制模块具备本地手动控制和远程自动控制的功能，同时具备应急处理措施，紧急状态下可通过控制箱面板急停开关紧急关闭液氮调节阀。

在本申请的一个实施方式中，在使用时，操作流程如下：

a)试验开始前，控制模块上电；

b)打开液氮进液开关阀和氮气排放开关阀，并确认调节阀处于关闭状态；

c)对接液氮槽车与液氮换热器，并将液氮槽车供液压力调节至4Bar左右；

d)启动氮气稀释风机；

e)打开风阀；

f)设置好补偿空气温度目标值，并以较低转速启动补偿风机，同时启动补偿空气温度控制功能，开始以较低风量启动空气补偿***；

g)补偿空气温度基本稳定后，逐步提高补偿风机转速，直到补偿空气流量和温度达到目标值；

h)监测补偿空气流量，若出现补偿风机转速已达到最大值而空气流量下降，说明液氮换热器已经严重结霜，此时应进行除霜工作：

1)关闭补偿风机、液氮调节阀和风阀；

2)打开水冲霜供水电磁阀和冲霜水排放阀，向换热器喷淋常温水进行除霜；

3)喷淋20min基本上可完全除霜，可通过检修门检查除霜情况；

4)除霜结束后，关闭供水电磁阀和冲霜水排放阀，并从步骤e)重新启动空气补偿***；

i)若液氮换热器连续工作30min，试验结束后应对换热器除霜，若在短时间内间歇工作时间总长超过30min，试验结束后应检查换热器结霜情况，适时对换热器进行除霜；

j)试验完成后，关闭空气补偿***：

1)关闭补偿风机、液氮调节阀、

2)液氮槽车停止供液；

3)关闭风阀；

4)氮气稀释风机继续工作10min后关闭，以充分排出***积存的氮气；

5)关闭液氮进液开关阀和氮气排放开关阀；

6)控制模块下电。

本申请的液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***，能够利用液氮蒸发冷却效应将常温空气直接冷却至极端-50℃的低温，实现在封闭的气候实验室内，补偿飞机发动机运行所排出的实验室内空气。本申请能够应用于大型综合气候实验室极端低温下的民用飞机发动机的起动试验，尤其可以满足发动机尾气排放***排放量较小的飞机发动机起动试验。可将最大50kg/s的室外空气直接冷却至-50℃后送入实验室，以补偿在实验室极端低温环境下飞机发动机运行所排出的实验室内空气，保证试验条件和试验安全。

本申请的液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***，还具有以下优点：

成本低、冗余度、可靠性高：液氮换热器、补偿风机以及部分控制模块设置在实验室外，放置区域限制较小，空间选择性大；各组成成分可重复利用，一次投资多次使用；进气风道成本低，易拆卸，可循环利用；

配置灵活：液氮换热器采用多台并联设置，根据不同试验需求可进行加装或减装，同时补偿风机可选择大流量、大功率风机，根据补偿空气体量调节频率即可；

控制精度高，安全环保：采用液氮作为制冷剂，1kg/s的液氮约提供250kw的冷量，根据冷量可计算出液氮供给流量及轴流变频风机的运行频率，保证补偿空气流量以及温度在一定范围内精确可控，同时液氮蒸发产生的氮气集中起来就近高空排放，不会造成人员和环境的危害，安全环保；

运行平稳，安全可靠：为解决液氮换热器结霜问题，采用水冲霜，保证试验过程温度稳定；同时采用多台槽车同时供液，保证发动机开车过程中液氮量供给均匀稳定。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***，其特征在于，包括：

箱体，所述箱体内部具有补偿风道；

液氮蒸发制冷模块，所述液氮蒸发制冷模块包括液氮换热器，以及与所述液氮换热器相适配的水冲霜装置和液氮排放装置；

其中，所述补偿风道从进风口至出风口依次设置有滤网、补偿风机、所述液氮换热器以及风阀；

控制模块，所述控制模块用于实现对所述液氮蒸发制冷模块、所述补偿风机以及所述风阀的控制。

2.根据权利要求1所述的液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***，其特征在于，所述箱体采用150mm厚PIR聚氯酯保温板制作而成。

3.根据权利要求2所述的液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***，其特征在于，所述液氮换热器的进风侧以及出风侧的箱体上均设置有检修门，所述检修门采用150mm厚PIR聚氯酯保温板制作而成，且所述检修门的门框上设置有电伴热带。

4.根据权利要求1所述的液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***，其特征在于，所述液氮换热器为翅片管式换热器，包括316L不锈钢材质的换热管以及8011铝合金材质的翅片。

5.根据权利要求4所述的液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***，其特征在于，所述液氮换热器串联布置多台。

6.根据权利要求5所述的液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***，其特征在于，多台所述液氮换热器分别通过液氮进液管道与液氮槽车连接，所述液氮进液管道上设置有液氮开关阀以及液氮调节阀。

7.根据权利要求6所述的液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***，其特征在于，在多台串联布置的液氮换热器的迎风侧设置有一台除湿换热器，所述除湿换热器为变片距换热器，从迎风侧至背风侧翅片间距依次为20mm、16mm、9mm。

8.根据权利要求7所述的液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***，其特征在于，所述水冲霜装置包括集水箱、喷淋管道以及冲霜水排放管道，其中，

所述集水箱中具有常温水；

所述喷淋管道设置在所述液氮换热器的上方，一端与所述集水箱连接，所述喷淋管道上设置有电磁阀，并且其上开设有均匀分布的小孔，通过所述喷淋管道向所述液氮换热器喷淋常温水；

所述冲霜水排放管道与开设在所述补偿风道低处的箱体上的排水口连接。

9.根据权利要求8所述的液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***，其特征在于，所述液氮排放装置包括氮气收集管道以及氮气排放塔，所述液氮换热器流出的氮气经过所述氮气收集管道进入所述氮气排放塔，所述氮气排放塔底部设置有稀释风机，用于向所述氮气排气塔强制通风。

10.根据权利要求9所述的液氮蒸发制冷大流量全新风空气补偿***，其特征在于，所述控制模块包括PLC控制器、皮托管、压差变送器、温度传感器、流量计以及上位机，其中，

所述皮托管设置在所述补偿风机的出风侧中心位置，用于配合所述差压变送器实现对风量的实时监测；

所述温度传感器设置在所述液氮换热器的出风侧，用于实现对空气温度的实时监测；

所述流量计安装在所述液氮进液管道上，用于实现对进入所述液氮换热器的液氮流量的实时监测；

所述PLC控制器用于获取所述皮托管、所述压差变送器、所述温度传感器以及所述流量计的信号，并实现对所述补偿风机、所述液氮开关阀、所述液氮调节阀、所述电磁阀、所述稀释风机以及所述风阀的控制；

所述上位机用于实现对试验过程参数的设置以及状态显示。

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