高 榮 張 偉 陳萬華 陳振華 李遠明 張孫敏

(1中國空氣動力研究與發(fā)展中心 綿陽 621000)(2武漢策爾曼有限公司 武漢 430000)

蓄冷氮漿回收低溫風洞排氣原理及實驗研究

高 榮1張 偉1陳萬華1陳振華1李遠明2張孫敏2

(1中國空氣動力研究與發(fā)展中心 綿陽 621000)(2武漢策爾曼有限公司 武漢 430000)

低溫風洞通過向風洞噴射液氮降低氣流總溫的方法來提高實驗雷諾數(shù)，并不斷向外排出低溫氮氣以維持洞體內(nèi)壓力?；厥赵摰蜏氐獨鈱⒂兄诮档惋L洞運行成本，提高風洞運行經(jīng)濟性。提出了蓄冷氮漿回收風洞排氣方案，詳細分析了方案流程中的質(zhì)量及能量變化，得出了系統(tǒng)經(jīng)濟性臨界點215 K。并采用真空制冷原理開展了驗證實驗，成功制得了氮漿并實現(xiàn)了氮氣回收，其中氮漿液位高度0.5 m，氮氣最大回收速率0.6 kg/s。

氮漿 低溫風洞 氮氣回收

1 引 言

低溫風洞利用低溫氮氣作為流動介質(zhì)，可以大幅提高風洞試驗雷諾數(shù)[1]。它是研發(fā)大型客機，大尺寸航空航天飛行器等高雷諾數(shù)飛行設(shè)備的必要設(shè)施，能夠有效提升大型客機，運輸機，遠程作戰(zhàn)飛機的精細化設(shè)計水平，改進并有效保障其安全性、經(jīng)濟性和舒適性。

低溫風洞采用液氮降低洞體溫度，液氮氣化形成氮氣需排出風洞以維持洞體內(nèi)壓力?，F(xiàn)有的大型低溫風洞美國National Transonic Facility(NTF)和歐洲European Transonic Windtunnel(ETW)的排氣系統(tǒng)采用引射和空氣加熱方案，即將風洞排出的低溫氮氣加熱后通過排氣塔(35—50 m高)直接排放到大氣[2]。該排氣方案存在兩方面的缺點：一是高純度的低溫氮氣及其攜帶的冷量均排入大氣，浪費能量；二是為減少低溫氮氣對環(huán)境影響需加熱排出的氮氣，耗費額外能源。因此從節(jié)能減排來看，這并不是理想方案。實際上風洞在低溫運行時，排出的氮氣仍然具有巨大的冷能。以生產(chǎn)100條極曲線的一個風洞運行周期(降溫，試驗，復溫)為例，消耗液氮約2 700 t。如果排出的低溫氮氣用于制冰，則可以制冰大約250—280 t，因此回收排出的低溫氮氣具有重要意義：液氮長期循環(huán)使用，只需補充使用及回收過程中的損耗，可不建設(shè)專門的液氮生產(chǎn)廠或降低生產(chǎn)規(guī)模；回收利用低溫氮氣蓄含的冷量，降低風洞運行綜合能耗；簡化風洞排氣系統(tǒng)，避免大流量低溫氮氣直接排放對環(huán)境的影響。

現(xiàn)有的連續(xù)式跨聲速低溫風洞由軸流式壓縮機驅(qū)動，并且工況范圍寬廣。風洞馬赫數(shù)范圍0.15—1.3，溫度范圍110—323 K，總壓范圍115—450 kPa，排出氮氣質(zhì)量范圍0.44—280 kg/s。低溫風洞如此寬的工作范圍給回收系統(tǒng)設(shè)計帶來了極大的困難。

美國蘭利研究中心認為“在排氣裝置中恢復部分能量的方法是一個很有吸引力的想法”，并資助相關(guān)研究機構(gòu)持續(xù)不斷地進行探索研究，但都未能取得明顯突破，主要原因在于風洞實驗狀態(tài)寬，運行具有短暫性和間歇性[3]。因此，20世紀就已建成的NTF和ETW均未配置排氣冷量回收裝置。隨著節(jié)能環(huán)保意識的增強和低溫工程的發(fā)展，氮氣及冷量回收需求日益迫切，意義日趨重大，技術(shù)上可行性日漸明朗。常見的冷量回收方案有蓄冷回收冷量方案，壓縮液化方案。

蓄冷回收冷量方案將風洞排出氮氣經(jīng)過蓄冷介質(zhì)(如金屬、冷冰、卵石床等)，氮氣中的冷量傳遞給蓄冷介質(zhì)，此后再排放到大氣。蓄冷介質(zhì)儲存的冷量可在其他系統(tǒng)中使用。該方案原理簡單可靠，操作方便，成本較低。但也存在一些難以避免的缺點：一是排出的氮氣經(jīng)過蓄冷介質(zhì)會帶來額外的排放阻力，影響風洞正常運行；二是風洞排放氮氣排入大氣影響環(huán)境，未實現(xiàn)氮氣和冷量的同時回收；三是再利用蓄冷介質(zhì)的冷量較困難，效率低。

壓縮液化方案與空分廠液化空氣原理類似，即利用壓縮機對排出氮氣進行壓縮、膨脹和節(jié)流液化，實現(xiàn)循環(huán)利用。該方案的優(yōu)點是原料氣為高純氮氣，其工藝流程較空分生產(chǎn)液氮更加簡單，可以實現(xiàn)風洞氮氣排出、壓縮機壓縮和液氮制備等流程一體化，沒有氮氣排放和冷量浪費的問題。該方案缺點是工程可行性較差。一是排出氮氣流量很不穩(wěn)定，最大流量也大幅超過現(xiàn)有壓縮機性能，且現(xiàn)有壓縮機運轉(zhuǎn)范圍窄，一般適用于長時間連續(xù)穩(wěn)定運行，因此它與風洞協(xié)調(diào)運行較難；二是風洞運行時間短，氮氣排放具有間斷性，對回收設(shè)備的快速啟動要求高，從而給壓縮液化系統(tǒng)設(shè)計帶來了極大的挑戰(zhàn)。

2 蓄冷氮漿回收氮氣方案

上述兩種方案難以與低溫風洞匹配運行，或不能實現(xiàn)氮氣及冷量的同時回收。通過結(jié)合蓄冷回收冷量和壓縮液化方案，提出了氮漿蓄冷回收氮氣及冷量方案。

氮漿蓄冷回收氮氣的核心是風洞實驗前預先制備低溫氮漿(63 K，固液混合物)，風洞運行時將排出的低溫氮氣直接送入氮漿中液化回收。其中氮漿制備是根據(jù)真空制冷原理，即采用真空泵降低儲罐壓力促使液氮氣化并降低余下液氮溫度，當溫度低于凝固溫度時獲得固態(tài)氮從而獲得氮漿用于回收。與此同時，真空泵抽取的氮氣將送入壓縮膨脹液化系統(tǒng)再次成為液氮，從而實現(xiàn)風洞排出的低溫氮氣的冷量和物質(zhì)同時回收。采用氮漿而不是全部采用固態(tài)氮有助于提高換熱接觸面積，提高排氣的液化回收速率。蓄冷氮漿回收風洞排氣原理見圖1。

與上述壓縮液化方案相比，該回收系統(tǒng)可在風洞運行前利用較長時間制備氮漿，從而大幅降低壓縮膨脹液化系統(tǒng)中壓縮機的性能需求，并且流量相對穩(wěn)定，降低了真空泵和壓縮機工程技術(shù)難度；制得的氮漿可在風洞運行的較短時間液化回收大量氮氣，解決了風洞運行不連續(xù)、工況變化大導致回收困難的關(guān)鍵技術(shù)難題。該方案優(yōu)點主要有：同時回收風洞排出的低溫氮氣及其蓄含的冷量，降低風洞運行成本；大量氮氣不用直接排放到大氣，減少對環(huán)境影響；液氮將可以長期供風洞循環(huán)使用，只需補充少量系統(tǒng)損耗液氮。

圖1 蓄冷氮漿回收氮氣方案原理Fig.1 Schematic of reclaiming system using cooling energy-stored slush nitrogen

該回收系統(tǒng)的主要過程包含制備氮漿、真空泵抽出氮氣液化、回收風洞排氣和氮漿儲罐補充液氮。

原理分析表明蓄冷氮漿回收氮氣方案簡單可行，但目前國內(nèi)外在這方面進行的研究工作較少，缺乏相關(guān)實驗數(shù)據(jù)和實際工程應(yīng)用經(jīng)驗。為了驗證氮漿回收氮氣方案的可行性，開展了方案理論分析及驗證實驗。本文不再考慮工藝相對成熟的抽出氮氣再液化過程，而是重點探索氮漿制備及氮氣回收環(huán)節(jié)，并實驗驗證其可行性，為后續(xù)的工程化設(shè)計和建設(shè)提供依據(jù)和經(jīng)驗。

3 理論分析

氮漿蓄冷回收氮氣方案實現(xiàn)了氮氣和冷量雙重回收，如下將從工程的角度對回收過程中各環(huán)節(jié)的物質(zhì)及能量傳遞進一步分析，研究系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

3.1 制備氮漿

通過真空泵抽出液氮儲罐中氮氣，儲罐壓力逐步降低，表面的液氮加速氣化并吸熱。抽出的氮氣帶走熱量，余下的液氮溫度進一步降低，當壓力降至約12 kPa時，溫度降低至63 K時，液氮開始逐漸凝固成為固態(tài)氮，此時儲罐內(nèi)為氮氣、液氮和固態(tài)氮三相共存[4-5]。制備氮漿可以分為如下兩個物理過程：液氮溫度由77 K降低到63 K，隨后余下液氮轉(zhuǎn)變?yōu)楣桃嘿|(zhì)量比1:1的氮漿。在第一個過程中，采用如下簡化算法，儲罐內(nèi)液氮溫度逐漸降低[6]，用m表示抽取的氮氣總質(zhì)量，T表示儲罐剩余的液氮溫度，且假定熱平衡有：

γldm=-cpl(m0-m)dT

式中：m0為儲罐中原液氮總質(zhì)量，kg;cpl為液氮的比熱，kJ/(kg·K)；γl為液氮的汽化潛熱，kJ/kg。為簡化起見，假定液氮在63 K到77 K的溫度范圍內(nèi)，cpl和γl可以采用如下的關(guān)系式描述：

cpl=1.813 27+0.002 9T

γl=288.478 6-1.150 86T

求解微分方程，從而可以得到儲罐液氮溫度與抽取氮氣質(zhì)量關(guān)系式。液氮溫度由77K降低到63K過程中，計算可知抽取的氮氣質(zhì)量m1為0.127m0，余下液氮0.873m0。在第2個過程中，假定抽取液氮質(zhì)量m2后獲得質(zhì)量比1∶1的氮漿，根據(jù)熱平衡有：

m2×γl=γs×(0.873m0-m2)/2

式中:γs為液氮的凝固潛熱，kJ/kg?？芍槿∫旱|(zhì)量m2為0.049m0。則制備質(zhì)量比1∶1的氮漿共抽取0.176m0的液氮，獲得的氮漿質(zhì)量為0.824m0，也即為制得1 kg氮漿需要抽取的氮氣質(zhì)量mc0為：

mc0=0.176m0/0.824m0=0.213 kg

3.2 回收氮氣

回收氮氣即是將風洞試驗排出的氮氣通入氮漿儲罐進行充分的換熱并液化，同時儲罐中的固態(tài)氮逐漸融化為液氮，直至氮漿儲罐中的氮漿(63K)轉(zhuǎn)變?yōu)橐旱?77K)，壓力恢復至100kPa，氮漿儲罐不再具備回收能力，其中1kg氮漿蓄含的冷量為：

q0=0.5γs+(77-63)cpl=41.05 kJ/kg

風洞排氣溫度不同時，回收所需的氮漿質(zhì)量也不相同。根據(jù)熱平衡，回收1kg排氣需要的氮漿質(zhì)量為：

msn=[(Tout-77)×cpg+γl]/q0

式中：Tout為風洞排出氮氣溫度，K；cpl為氮氣比熱容，kJ/(kg·K)；msn是回收1 kg風洞排氣消耗的氮漿質(zhì)量，kg。

以風洞排出氮氣平均溫度150 K為例，回收1 kg氮氣需要6.73 kg氮漿，真空泵需抽取1.43 kg氮氣，回收不同溫度下排出氮氣所需氮漿質(zhì)量如表1所示。風洞排出的氮氣溫度越低，攜帶的冷量越大，消耗的氮漿越少，越容易回收；排氣溫度越高，為回收單位質(zhì)量氮氣需抽取的氮氣及消耗氮漿質(zhì)量越高。

表1 不同排氣溫度下回收單位質(zhì)量氮氣的質(zhì)量Table 1 Mass change of recycling nitrogen process under different temperature

3.3 氮漿儲罐補充液氮

制備氮漿時，真空泵抽出的氮氣溫度為63—77 K，回收氮氣溫度大于110 K，氮漿僅是作為蓄冷介質(zhì)，因此回收1 kg氮氣需抽取的氮氣質(zhì)量必然大于1 kg，風洞試驗結(jié)束后氮漿儲罐需要補充壓縮液化系統(tǒng)生成的液氮。風洞排放的氮氣溫度越高，用于回收同等質(zhì)量氮氣所消耗的氮漿就越多，制備氮漿時需抽取的氮氣也就越多。表1給出了不同排氣溫度下回收單位質(zhì)量氮氣抽取的氮氣質(zhì)量及需補充的液氮質(zhì)量。例如回收氮氣的溫度為110 K時，回收1 kg氮氣(蓄含熱量237 kJ)所消耗的氮漿為5.71 kg(蓄含冷量237 kJ)，需抽取的氮氣質(zhì)量為1.22 kg，回收1 kg風洞排氣后儲罐需再補充0.22 kg液氮，系統(tǒng)即恢復到初始狀態(tài)。系統(tǒng)質(zhì)量及能量變化流程如圖2所示。

圖2 回收1 kg氮氣(110 K)時系統(tǒng)質(zhì)量及能量變化Fig.2 Mass and heat exchange of recycling 1 kg gaseous nitrogen at 110 K

3.4 經(jīng)濟性分析

氮氣回收系統(tǒng)的主要目的是通過回收風洞排出氮氣及其冷量，降低風洞運行成本，因此分析回收系統(tǒng)的經(jīng)濟性至關(guān)重要。蓄冷氮漿回收系統(tǒng)主要能耗是抽真空制取氮漿和氮氣壓縮膨脹液化系統(tǒng)環(huán)節(jié)。氮氣回收系統(tǒng)擬研發(fā)可直接用于低溫環(huán)境的真空泵，以確保系統(tǒng)經(jīng)濟性能。為簡化計算，抽真空能耗假定和常用的某大氣羅茨真空泵的能耗一致。在入口壓力為10 kPa時，其抽氣流量為2 150 L/s，功率為200 kW。同時氮氣(10 kPa、63 K)密度約0.54 kg/m3，因此低溫真空泵抽取單位質(zhì)量氮氣能耗可認為：

E1=200 kW·h/(2.15×3 600×0.54 kg)=

0.048 kW·h/kg

據(jù)調(diào)研，再液化真空泵抽出氮氣的單位能耗E2約0.45 kW·h/kg。因此回收系統(tǒng)制備1 kg氮漿(含真空泵抽出氮氣再液化)的理論總能耗約為：

E0=mc0(E1+E2)=0.213×

(0.45+0.048)=0.106 kW·h/kg

回收單位質(zhì)量氮氣的理論總能耗為：

Etotal=E0msn=0.115msn=0.002 49Tout+0.314

當風洞排氣溫度為215K時，回收系統(tǒng)能耗為0.848kW·h/kg，此時與生產(chǎn)液氮并安全排放的成本相等。也即是當風洞排氣溫度低于215K時，才具有回收經(jīng)濟性，否則回收成本偏高。排氣溫度越低，回收成本越低。如果直接采用常溫真空泵，由于氮氣(10kPa、298K)密度(0.112kg/m3)較低，抽取單位質(zhì)量氮氣的能耗約增加5倍，回收平衡溫度降低至122K，經(jīng)濟性大幅降低。因此在后續(xù)的氮氣回收系統(tǒng)建設(shè)中必須采用可直接用于低溫環(huán)境的真空泵。

4 實驗裝置

為驗證蓄冷氮漿回收氮氣的可行性，開展了針對其關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也即是抽真空制備氮漿和回收氮氣的實驗研究[4-5]。

4.1 系統(tǒng)組成

實驗裝置如圖3所示，系統(tǒng)主要由液氮儲罐、氣化器、氮漿儲罐、真空泵組、閥門管路和測量系統(tǒng)組成。

圖3 驗證實驗原理圖Fig.3 Schematic of validation experiments

其中氮漿儲罐為自制真空絕熱儲罐(304不銹鋼)，內(nèi)罐有效容積2.3m3。內(nèi)罐設(shè)有溫度及壓力傳感器監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)。罐體底部為氮氣進氣管道，按8個方向呈放射狀分布，管道出口設(shè)置噴嘴，使氮氣分散噴出，增大換熱面積，提高氮氣與氮漿換熱及其液化速率。

真空泵組是制備氮漿的關(guān)鍵設(shè)備，也是實現(xiàn)后續(xù)回收的重要前提。由于缺乏成熟的低溫真空泵，本實驗抽真空系統(tǒng)由兩臺常溫真空泵和換熱器組成。氮漿儲罐抽出的氮氣先進入自制換熱器，避免低溫氮氣直接進入真空泵，從而保證了采用常溫真空泵順利抽真空制得氮漿。

液氮儲罐中液氮經(jīng)氣化器獲得的低溫氮氣用于模擬風洞排出氮氣，并送入氮漿儲罐液化回收。氣化器出口氮氣溫度為280K，壓力2.5×105Pa，最大流量0.6kg/s。

4.2 實驗過程

實驗過程分制備氮漿和回收氮氣兩個階段。首先向氮漿儲罐加注液氮，利用真空泵對其抽真空，制取氮漿。氮漿制備完成后，關(guān)閉真空泵，然后將液氮儲罐的液氮通過氣化器轉(zhuǎn)化為氮氣，并送入氮漿儲罐液化回收。

實驗過程中采用溫度、壓力傳感器實時測量氮漿儲罐中氮漿的溫度及壓力變化，采用流量計測量進入氮漿儲罐的氮氣瞬時流量，采用質(zhì)量傳感器測量氮漿儲罐以及液氮罐的質(zhì)量變化，從而獲得氮漿質(zhì)量和回收氮氣質(zhì)量等。

5 實驗結(jié)果與分析

實驗采用真空制冷原理成功制得氮漿，回收液化了導入氮氣，驗證了氮漿回收氮氣的可行性，獲得了相關(guān)數(shù)據(jù)及工程經(jīng)驗。

(1)抽真空法連續(xù)穩(wěn)定制備氮漿

圖4是氮漿制備過程中儲罐參數(shù)(壓力、溫度、質(zhì)量)隨時間變化關(guān)系。實驗開始時加注液氮約1 272.6kg，儲罐(含液氮)總質(zhì)量約4 500kg。在未開啟真空泵前(t≤60 min)儲罐壓力約112 kPa，溫度約77.1 K，并在60 min內(nèi)相對不變，表明了自制氮漿儲罐真空絕熱可靠性。

圖4 制備氮漿過程儲罐參數(shù)變化Fig.4 Change of status of storage tank with time during slush nitrogen making process

真空泵開啟后(t>60 min)，初期儲罐壓力迅速下降，這時原處在飽和點的液氮迅速氣化并帶走潛熱，余下液氮溫度隨之降低，儲罐質(zhì)量下降速率較大(2.14 kg/min)。此后隨著壓力逐漸降低，真空泵抽氣速率下降，儲罐壓力下降速率變小，儲罐質(zhì)量下降速率減小(0.48 kg/min)。最終儲罐溫度壓力分別穩(wěn)定在60.5 K和9.61 kPa，液氮開始凝結(jié)為固態(tài)氮。抽真空制備氮漿耗時共5.25 h，抽取氮氣272 kg。

容易發(fā)現(xiàn)，儲罐內(nèi)氮漿溫度比儲罐壓力下相應(yīng)的飽和溫度偏低，說明氮漿此時處于過冷狀態(tài)。同時兩者最大溫差僅1.8 K，表明抽真空制備氮漿時，液氮氣化速率較快，能實現(xiàn)余下液氮的快速降溫。采用液氮溫度和飽和溫度差作為傳熱溫差，則試驗期間儲罐液氮表面換熱系數(shù)約為300—13 000 W/(m2K)。

根據(jù)上述微分方程和儲罐初始狀態(tài)，在達到三相點前，容易得到抽取氮氣質(zhì)量與氮漿溫度的關(guān)系式：

m=0.011 9e0.002 52T×

(250.66-T)2.207 6-1 272.6

在圖4中，根據(jù)抽取氮氣質(zhì)量計算出的液氮溫度和試驗值吻合較好，表明了該模型計算的準確性，能夠有效地用于描述儲罐內(nèi)氮漿的物理變化過程。

(2)氮漿回收氮氣

氮漿制備完成后，在時間t=378 min時通入液氮儲罐和氣化器制成的氮氣，儲罐參數(shù)(壓力、溫度和質(zhì)量)隨時間的變化關(guān)系如圖5所示。前期儲罐壓力增加緩慢(0.3 kPa/min)，表明此時系統(tǒng)回收能力強，能快速回收充入的氮氣。此后隨著氮漿消耗，液化速率降低，儲罐壓力增加較快(4.58 kPa/min)。期間最大質(zhì)量流量約0.6 kg/s時(壓力250 kPa，溫度280 K，體積流量700 m3/h)，儲罐壓力增加速率并未發(fā)生明顯變化，證明了儲罐能有效快速回收通入氮氣，質(zhì)量流量和氮漿儲罐體積比將會為后續(xù)風洞大流量排氣回收提供支撐和依據(jù)。

圖5 回收氮氣過程中儲罐參數(shù)變化Fig.5 Change of status of storage tank with time during absorbing nitrogen process

最后儲罐內(nèi)液氮溫度由最初的61.8 K逐漸升至77 K，壓力恢復至1.01×105Pa，不再具備回收能力。同時后期模型計算所得的液氮溫度與測量值吻合較好，表明模型能夠準確預測回收氮氣質(zhì)量及儲罐參數(shù)。回收過程全程耗時32 min，回收氮氣103 kg。在回收初期，將氮氣引入氮漿可實現(xiàn)穩(wěn)定的液化，且氮氣與氮漿的熱交換速率大。

(3)回收效率

為評估系統(tǒng)優(yōu)良，采用回收率和回收效率來衡量系統(tǒng)回收性能。其中回收率是回收1kg氮氣與抽取的氮氣質(zhì)量比，回收效率是試驗回收率與理論回收率之比。不同溫度下的回收率與回收效率不一。根據(jù)回收的傳熱過程，回收280 K氮氣其理論回收率為：

ηthe=mrecycle/mpump=γl/(cpgΔT+γl)=0.49

式中:mrecycle為回收氮氣質(zhì)量，kg；mpump為真空泵抽取氮氣質(zhì)量，kg。在該次實驗中，真空泵抽取氮氣272 kg，回收氮氣103 kg，回收率為0.379，回收效率為：

η=ηexp/ηthe=77.3%

式中：η為回收效率；ηexp為試驗回收率；ηthe為理論回收率。在后續(xù)的兩次實驗中通過改進儲罐絕熱性能和管路優(yōu)化，回收率分別提高到0.46和0.48，回收效率相應(yīng)地提高到93.8%和97.9%，確保了氮氣回收系統(tǒng)規(guī)模建設(shè)的工程可行性。

圖6 不同排氣溫度下氮氣的回收率Fig.6 Nitrogen recycling efficiency at different temperature

(4)液位高度

在后續(xù)試驗中通過觀察窗發(fā)現(xiàn)，儲罐內(nèi)噴嘴噴出的氣泡直徑在上升過程中由于液化逐漸減小，并在到達氣液界面前完全消失，此時氮漿液位高度約500 mm。也即是氮漿的液位高度不低于500 mm即可滿足280 K氮氣的液化和回收，回收更低溫度(110—215 K)氮氣所需的液位高度將進一步降低。液位高度數(shù)據(jù)可為后續(xù)氮漿儲罐的尺寸設(shè)計提供強有力的依據(jù)。

(5)氮漿密度

不同真空泵抽氣速率獲得的固態(tài)氮形態(tài)和密度不一，抽氣速率較低形成的固態(tài)氮結(jié)構(gòu)致密平整，以片狀結(jié)構(gòu)沉入液氮，抽氣速率較高形成的固態(tài)氮具有疏松多孔結(jié)構(gòu)，浮于液氮之上[4]。本次試驗制備的固態(tài)氮懸浮于液氮上，其密度略小于液氮的密度，也表明了真空泵抽速不是氮漿制備的限制性因素。同時此形態(tài)的氮漿換熱面積較大，氮氣回收功率較高，總體占地面積較小，在工程可接受范圍內(nèi)。

(6)噴嘴布置方式和換熱效率

抽真空時，氮漿自上而下形成。裝置中進氣噴嘴設(shè)置在儲罐底部，可防止被氮漿結(jié)晶堵塞。同時風洞回路中的低溫氮氣從噴嘴噴出后，自下而上與氮漿換熱能增加接觸面積和換熱時間，顯著提高換熱效果[7]，縮短液化時間和充分換熱的行程高度，降低對儲罐尺寸要求。

(7)絕熱性能影響

多次實驗表明系統(tǒng)絕熱效果對氮漿制備速率以及氮氣回收率有明顯影響：絕熱性能差將會大幅降低氮漿制備速率和回收效率，嚴重影響系統(tǒng)性能和經(jīng)濟性，這是低溫風洞氮氣回收系統(tǒng)研制過程中要特別關(guān)注的因素，采用真空絕熱低溫儲罐、高真空絕熱管路及閥門可以較好解決這一問題。

6 結(jié) 論

基于氮的三相變化，提出了采用蓄冷氮漿回收低溫風洞排出氮氣的方案，詳細描述了方案流程、質(zhì)量變化和理論經(jīng)濟性，可有效解決風洞排放工況范圍寬等不利因素。并實驗驗證了方案中的氮漿制備和氮氣回收兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對后續(xù)回收系統(tǒng)工程化建設(shè)具有重要的指導作用。

(1)采用蓄冷氮漿可以實現(xiàn)風洞排出氮氣的冷量和物質(zhì)雙重回收，提高風洞運行經(jīng)濟性，并降低直接排放對大氣環(huán)境的影響。

(2)回收系統(tǒng)的經(jīng)濟性與風洞排出氮氣溫度緊密相關(guān)，當排氣溫度低于215 K時，回收成本低于直接排放的使用成本。

(3)基于真空制冷原理成功制得了氮漿，理論模型能較好地描述儲罐內(nèi)的相態(tài)變化。

(4)系統(tǒng)回收率接近理論值，確保了開展大規(guī)模回收氮氣的工程可行性。

(5)順利回收質(zhì)量流量0.6 kg/s的氮氣表明了氮漿與氮氣間換熱系數(shù)較大，能夠?qū)崿F(xiàn)大流量氮氣的快速回收，確保了回收系統(tǒng)和風洞協(xié)調(diào)運行的工程可行性。

1 張 振,牛 玲.低溫風洞的發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)(英文)[J]. 低溫工程, 2015(2):57-62.

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Theoretical and experimental studies of nitrogen recycling by slush nitrogen

Gao Rong1Zhang Wei1Chen Wanhua1Chen Zhenhua1Li Yuanming2Zhang Sunmin2

(1China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang 621000, China)(2Wuhan Ceerman Technology Co.Ltd, Wuhan 430000, China)

Injecting liquid nitrogen into the wind tunnel to decrease the total temperature is an effective way to increase the experimental Reynolds number. To keep the inner pressure balance, the gaseous nitrogen which is generated from the liquid nitrogen evaporation is vented from the tunnel. In order to decrease the wind tunnel’s running cost, the nitrogen reclaim system is came up with by using cooling energy-storedslush nitrogen. The heat transfer and mass interaction are carefully studied, which indicate the economic status of nitrogen is 215 K. Based on the vacuum cooling mechanism, validation experiments are conducted. The slush nitrogen was prepared and the vented is absorbed. The maximum absorbing mass flow is 0.6 kg/s when the level of slush nitrogen is 0.5 m.

slush nitrogen; cryogenic wind tunnel; nitrogen reclaiming

2016-03-15；

2016-06-07

高 榮，男，41歲，碩士，工程師。

V211.74,TB66

A

1000-6516(2016)03-0023-07