趙紅利 陳雙濤 侯 予

(1西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室 西安 710049)

(2西安交通大學能源與動力工程學院 西安 710049)

1 引言

制冷與低溫技術在促進國民經濟建設、國防軍事現代化以及推動科學技術發(fā)展中扮演著極其重要的角色。低溫制冷技術主要研究低溫環(huán)境的獲得，制冷機長期穩(wěn)定工作的實現，制冷機與被冷卻儀器、設備的匹配和兼容等，為低溫超導、紅外探測、低溫電子設備等有效載荷裝置提供穩(wěn)定可靠的低溫條件，保證其良好的工作性能［1］。根據國家當前在國家安全、高新技術、節(jié)能環(huán)保等方面的迫切需求，以及國際低溫制冷技術研究領域的發(fā)展趨勢要求，對低溫制冷機、低溫材料、低溫換熱器等領域的技術需求日益增長［2］。

由于低溫制冷機，特別是其關鍵部件低溫換熱器覆蓋了液氦到室溫溫區(qū)，若直接暴露在環(huán)境中進行實驗勢必產生很大的跑冷損失;而且由于低溫冷量級別很高、熱負荷比較小，若采用常規(guī)珠光砂絕熱方式跑冷損失相對其熱負荷比較大，會導致實驗偏差較大，影響實驗數據的可靠性。因此，低溫設備的相關實驗通常在真空冷箱內進行［3-5］。為了有效的開展低溫制冷機、低溫換熱器及低溫傳熱與絕熱的性能實驗，建設了液氮溫度級別(80 K)的熱真空冷阱低溫環(huán)境實驗臺。

2 熱真空冷阱低溫環(huán)境實驗臺

熱真空冷阱低溫環(huán)境實驗臺采用真空多層絕熱方式，以液氮作為預冷和冷阱冷源，該真空冷阱試驗臺可用來進行空間環(huán)境模擬和有限載荷、電子設備、空間材料等的熱真空考核實驗，真空條件下的絕熱、傳熱實驗以及低溫傳感器的標定等。實驗臺由3個子系統(tǒng)組成，即氣路系統(tǒng)、真空絕熱系統(tǒng)和測試系統(tǒng)，其原理圖見圖1所示，實驗臺如圖2所示。

圖1 實驗臺原理圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

2.1 氣路系統(tǒng)的設計

氣路系統(tǒng)包括:穩(wěn)壓罐I、恒溫器、流量計、調節(jié)閥門、液氮預冷模塊、穩(wěn)壓罐II等.在采用外部循環(huán)工質進行低溫實驗時，系統(tǒng)進氣經恒溫器溫度控制在295±1 K范圍內，經過穩(wěn)壓罐I進行穩(wěn)壓，再經流量計和調節(jié)閥門后穿過真空冷箱的法蘭，進入換熱器的熱流體側進口，熱流體出口的排氣再穿過真空冷箱的法蘭進入液氮預冷模塊進行降溫，降溫后的低溫工質穿過真空冷箱的法蘭進入換熱器的冷流體側，與熱流體進行換熱，從換熱器冷流體側經真空冷箱法蘭排到穩(wěn)壓罐II。在進行制冷機及低溫材料性能等獨立實驗時，可不采用穩(wěn)壓氣路。

2.2 真空絕熱系統(tǒng)的設計

圖2 熱真空低溫環(huán)境實驗臺Fig.2 Thermal vacuum cryo-trap experimental apparatus

真空絕熱系統(tǒng)包括:真空冷箱、連接導管、溫度測量法蘭、壓力測量法蘭、進排氣法蘭和真空機組以及液氮冷阱。真空冷箱采用圓柱型結構，桶體選用直徑為φ387 mm、壁厚10 mm的無縫不銹鋼鋼管，桶體上下采用20 mm厚的法蘭連接。下法蘭裝有真空抽管，上法蘭上安裝溫度測量法蘭、壓力測量法蘭和進排氣法蘭。為了達到較高的真空度，法蘭處的密封是關鍵問題，考慮到各部件所處的溫度范圍，選用的密封方式不同。處于環(huán)境調節(jié)的法蘭密封采用O形圈密封;由于系統(tǒng)的低溫進氣溫度比較低，可達80 K，所以進排氣法蘭與溫箱體法蘭不能采用O形圈密封，本試驗臺采用5 mm厚的紫銅墊密封。為了保證真空冷箱與真空泵的方便拆卸，采用快卸真空卡箍連接。

根據真空倉的實驗條件和用途以及其所要求達到的真空度，選擇RVP旋片式真空泵和FF620C渦輪分子泵組成的FJ-450分子泵機組，其抽速達到450 L/s，極限壓力小于6×10-7Pa，工作電壓為220V/50 Hz，采用水冷的冷卻方式。真空計選用定制的DL-7復合真空計，測量范圍可達6×10-8Pa—300 Pa。將真空泵機組和真空冷箱相聯(lián)，即組成了實驗中的真空系統(tǒng)。通過對真空冷箱的抽真空實驗驗證，系統(tǒng)真空度最低可達3.0×10-5Pa，足以滿足80 K低溫實驗的真空環(huán)境需求。

為了達到更好的絕熱效果，低溫實驗中可在實驗件外纏繞低溫絕熱紙/鋁箔的復合絕熱材料，在液氮溫區(qū)試驗中，采用P型低溫絕熱紙/鋁箔的復合絕熱材料，將0.012 mm的雙層鍍鋁聚酯膜50個組合纏繞成約25 mm厚的真空多層絕熱層。

為了降低跑冷損失、并在一定程度上模擬熱真空冷阱，系統(tǒng)中還增加了一套液氮冷屏。采用0.1 mm的鋁板作為輻射屏，其外壁四周纏繞φ8 mm的銅管，銅管進出端分別穿過真空冷箱的法蘭。實驗中從銅管的一端通入液氮，并保證出口兩相排出，使真空冷阱壁面達到液氮溫區(qū)。

2.3 測試系統(tǒng)的設計

2.3.1 測量參數

低溫實驗考核主要技術指標是效率、壓力與壓差、溫度與溫差、流量與熱負荷等［6］。因此，本實驗臺的測量參數為:

(1)溫度:測量冷熱流體溫度及冷阱、環(huán)境溫度，采用鉑電阻進行測量;

(2)流量:主要測量進氣流量，選用渦輪流量計或玻璃轉子流量計;

(3)壓力和壓差:測量冷熱流體側各自的進氣壓力，由壓力傳感器來完成，并測量冷熱流體側各自的壓差，由壓差傳感器完成;

(4)真空度:監(jiān)控真空冷箱中真空度是否達到要求，由真空計來完成;

(5)電流和電壓:用于換算熱負荷。

2.3.2 計算機動態(tài)數據采集及處理系統(tǒng)

為了滿足實驗臺數據采集的需要，開發(fā)了一套基于Windows XP下Labview程序平臺的實驗數據采集系統(tǒng)，該采集系統(tǒng)可以用于采集實驗系統(tǒng)的壓力、壓差、溫度、流量等信號，計算機數據采集處理系統(tǒng)采用可編程測試儀表進行數據采集，由硬件和軟件兩部分組成，能夠通過計算機實時采集存儲原始數據并進行數據處理實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)點數據。

數據采集系統(tǒng)的硬件部分由一臺主頻2.4GHz的研祥工控機、PCI-CEC488 GPIB通用接口卡、壓力傳感器、壓差傳感器、鉑電阻溫度傳感器、Keithley Model 2000型數字萬用表和Keithley 7001開關系統(tǒng)以及7015數據采集卡組成，系統(tǒng)硬件連接實物圖見圖3所示。

圖3 數據采集系統(tǒng)硬件實物圖Fig.3 Hardware configuration of data acquisition system

2.3.3 實驗儀器的測量和標定

選用了測量精度高、測量范圍寬、相應快重復性好的渦輪流量計，其具體型號和出廠校驗參數見表1所示。

表1 渦輪流量計校驗單Table 1 Calibration of turbine flowmeter

實驗中需要測量試件進氣的壓力和冷熱流體側的相應的壓力損失，壓力和壓差測量選用西安中星測控有限公司生產的CS-PT型壓力和壓差傳感器，壓力和壓差傳感器靜態(tài)的性能指標如表2所示。

表2 壓力、壓差傳感器靜態(tài)性能指標Table 2 Static performance index of pressure and pressure difference sensor

傳感器均采用BQY-400活塞式壓力計、直流穩(wěn)壓電源和Keithley 2000多功能萬用表進行校驗標定，壓力傳感器0612154的精度符合0.25級，壓差傳感器0612142、061243的精度符合0.2級，符合實驗的精度要求。

實驗中采用經中國科學院低溫計量測試站標定過的工業(yè)鉑電阻(Pt100)溫度計，其直徑1.6 mm，分度溫區(qū)55 K—300 K，經標定后采用四引線電位法測量，測量電流1 mA，標準電阻位99.914Ω，測點間隔為0.1Ω，準確度為0.1 K鉑電阻的擬合曲線見圖4所示，其擬合曲線公式為:

擬合曲線與溫度測點的最大誤差不超過0.1%。

圖4 鉑電阻的擬合曲線Fig.4 Performance fitting curve of platinum resistance temperature sensor

真空度的測量采用DL-7微型復合真空計和熱偶、電離真空規(guī)，來實現對真空系統(tǒng)的低真空度和高真空度的測試，其測量范圍為:6×10-8Pa—300Pa。

3 誤差分析與數據處理

數據采集、處理系統(tǒng)精度的關系到實驗結果的可靠性與可信度，在測量系統(tǒng)的設計調試過程中盡管采取了各種措施以減小測量誤差，但由于儀表、傳感器等均會產生誤差。因此，對流量、溫度、壓力壓差等參數的測量誤差分析是十分必要的。

3.1 溫度的誤差分析

溫度測試過程的誤差主要包括:鉑電阻的不確定度D1、鉑電阻溫度計的測量誤差D2和多點轉換開關的影響D3。由于上述各分項誤差彼此獨立，故總的不確定度可以按式(2)合成［7］:

本文采用的精度為0.1 K低溫鉑電阻，其不確定度 D=0.1 K。

鉑電阻采用四線制接法，使用比較法測量其電阻，所使用的標準電阻精度為0.01級，Keithley 2000數字萬用表在100 mV量程內測量誤差為:0.005×U+0.003 5% ×100 mV。則:

式中:d UPt和d UN為鉑電阻和標準電阻上的電壓降的相對誤差，d RN為標準電阻的相對誤差，d RN=0.01%，因此，對于Keithley 2000數字萬用表，鉑電阻測量誤差:

則:

對于多路轉換開關，其寄生熱電勢不超過0.4 μV，折合成溫度為:

根據上述各分誤差，可以合成測試過程的總不確定度D=0.159 5 K，即產生的最大誤差不大于0.16 K。

3.2 流量測量的誤差與不確定性分析

渦輪流量計的精度是影響測量系統(tǒng)精度的重要因素，因此對渦輪流量計的精度、測量的不確定性分析顯得極為重要。

在某一流量范圍內，流量計的信號脈沖頻率f與通過渦輪流量計的體積流量Qv成正比，即f=kQv，式中k為流量計的儀表系數，流量計的校驗合格證上都標明了經過實驗校驗測得的儀表系數k值。

由于流量變送器的標定通常是在當時的環(huán)境溫度下進行的，實驗工作溫度與標定溫度存在偏差，需要進行修正。溫度變化會引起傳感器內部尺寸的變化，修正系數:

α1是傳感器殼體材料平均熱膨脹系數，α2是傳感器葉輪材料平均熱膨脹系數，ΔT是工作溫度與標定溫度之差，則測量的體積流量Qv=Q'vCT，Q'v為工作狀態(tài)下根據累計脈沖數N和儀表系數k求得的名義體積流量。根據實驗調節(jié)和渦輪材料，由于溫度變化引起的誤差在0.01%—0.03%之間。

一般流量計在使用時采用的是平均儀表系數，平均儀表系數為各標定測點的儀表系數求和平均，所以流量計根據平均儀表系數進行實測時存在偏差，表3為實測時的偏差。在實驗的流量范圍內，流量計的測量誤差最大值不超過1%。

表3 流量計標定偏差Table 3 Deviation of flowmeter

3.3 壓力、壓差測量的誤差與不確定性分析

在實驗中壓力、壓差傳感器的誤差來源主要包括以下幾個方面:

(1)標定誤差。標定的基準表是0.2級精度，由于標定時的壓力調節(jié)還有誤差，因此實際的標定所帶來的誤差為0.3%;

(2)應用調零子程序帶來的誤差。通過軟件的方法消除了時漂、溫漂以及零位輸出的影響，它們所帶來的誤差低于0.5%;

(3)傳感器材料性能非線性以及儀表的重復性誤差。固態(tài)壓阻式傳感器具有遲滯性小、重復性好的特點，因此主要誤差取決于非線性，從表中可以看出器測量的非線性誤差在0.3%以內;

(4)測量儀表誤差.本實驗采用Keithley公司的2000型數字源表，其輸出電壓的波動僅有幾個毫伏，因此由此產生的誤差影響小于0.1%。

綜上分析，壓力、壓差傳感器的測量精度可以達到2級精度，完全能夠滿足實驗的要求。

4 低溫實驗測試及結論

低溫試驗中為了減小實驗件的跑冷損失，首先對實驗件所處的冷箱進行抽真空，以減小系統(tǒng)不必要的保冷損失和減少實驗數據系統(tǒng)誤差，當真空度到1×10-3Pa以下后進行實驗。在本實驗臺上先后進行了低溫溫度標定、低溫換熱器及制冷機實驗。圖5為實驗臺低溫實驗圖，圖6為低溫實驗中冷阱出口溫度變化曲線，實驗結果表明實驗臺的技術指標與參數測量及控制均能滿足液氮溫度級別(80 K)的熱真空冷阱低溫環(huán)境要求。

圖5 液氮溫區(qū)實驗臺裝置圖Fig.5 Experiment apparatus for liquid nitrogen temperature level

圖6 冷阱出口溫度變化曲線Fig.6 Temperature variation curve of cryo-trap outlet

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