一種用于管路結構環境模擬的制冷及增壓系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型是一種用于管路結構環境模擬的制冷及增壓系統。包括：高壓氦氣入口(16)、一級回熱換熱器(7)、二級回熱換熱器(10)、液氮換熱器(8)、液氦換熱器(9)；其中，高壓氦氣入口(16)輸入常溫高壓氦氣，依次經過一級回熱換熱器(7)、液氮換熱器(8)、二級回熱換熱器(10)、液氦換熱器(9)之后輸出至測試對象；測試對象回氣依次經過二級回熱換熱器(10)、一級回熱換熱器(7)之后再次進行循環；液氮經過液氮換熱器(8)后回收，液氦依次經過液氦換熱器(9)、二級回熱換熱器(10)、一級回熱換熱器(7)之后進行回收。可模擬壓力及低溫的綜合環境，也可以模擬高壓、低溫、降溫、升溫的實際環境。
【專利說明】一種用于管路結構環境模擬的制冷及增壓系統
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于利用液氮及液氦多級制冷及其控制方法，可用于管路、殼體、艙等結構的壓力及低溫環境模擬，屬于制冷系統設計和控制的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]管路系統是管、管連接件、閥門和管路支架等連接成的用于輸送氣體、液體或帶固體顆粒的流體的裝置。隨著我國工業的迅速發展，管路系統已越來越廣泛地應用于給排水、供熱、供氣、長距離輸送、農業灌溉、水力工程等各種工業裝置中。在航空航天領域，發動機管路主要用于液壓油、燃料、滑油和空氣等介質的輸送，是發動機附件裝置的重要組成部分。低溫管路向出口提供所需條件(一定溫度、壓力、流量等)的低溫液體，在LNG船舶、液體推進劑火箭及其地面加注系統、航天器空間環境模擬設備等領域中應用廣泛。
[0003]由于使用環境的振動以及溫度、壓力等外部環境劇烈變化的影響，這些綜合環境往往會造成管路系統經常會發生各種各樣的振動故障，甚至引發管路的破壞而造成嚴重事故。因此，在管路系統的設計階段首先要全面考慮管路系統的特性，而驗證設計合理性的手段就就是模擬真實的工作環境，并開展環境試驗。試驗結果將直接暴露設計缺陷，將更有效的指導設計，因此管路環境模擬系統的實施具有很大的理論價值和工程實際意義。
[0004]本實用新型提供一種用于管路結構環境模擬的制冷及增壓系統，用循環氦氣對試驗件進行冷卻和增壓，制冷可以滿足液氮溫度以上的低溫區，以及液氮溫度以下的深低溫區，壓力可調節。針對深低溫區，本實用新型充分利用液氦出口及測試對象出口的冷量，使用回溫技術降低液氦使用量，并提高制冷效率。
實用新型內容
[0005]本實用新型的目的是提供一種用于管路結構環境模擬的制冷及增壓系統，用循環氦氣對試驗件進行冷卻和增壓，制冷可以滿足液氮溫度以上的低溫區，以及液氮溫度以下的深低溫區，壓力可調節。另外，本實用新型提供的一種用于管路結構環境模擬的制冷及增壓系統還可用于腔體、貯槽、艙室等結構的工作環境模擬。
[0006]本實用新型是一種用于管路結構環境模擬的制冷及增壓系統，其中，包括:高壓氦氣入口、一級回熱換熱器、二級回熱換熱器、液氮換熱器、液氦換熱器；其中，高壓氦氣入口輸入常溫高壓氦氣，依次經過一級回熱換熱器、液氮換熱器、二級回熱換熱器、液氦換熱器之后輸出至測試對象；測試對象回氣依次經過二級回熱換熱器、一級回熱換熱器之后再次進行循環；液氮經過液氮換熱器后回收，液氦依次經過液氦換熱器、二級回熱換熱器、一級回熱換熱器之后進行回收；
[0007]其中，一級回熱換熱器利用液氦及測試對象回氣的冷量將常溫循環氦氣初步預冷，二級回熱換熱器利用液氦出氣及測試對象回氣冷量進一步冷卻循環氦氣；液氮換熱器用于循環氦氣及液氮的換熱，液氦換熱器用于循環氦氣及液氦的換熱。
[0008]如上所述的一種用于管路結構環境模擬的制冷及增壓系統，其中，還包括:氦氣循環泵；緩沖罐截止閥；緩沖罐；旁通閥；常溫進氣閥；常溫回氣閥；主路流量計；旁通流量計；氦氣排氣閥；
[0009]低溫進氣閥；低溫回氣閥；入口溫度；入口壓力；出口溫度；排氣閥；高壓氦氣入口 ；高壓氦氣閥；液氮閥；液氮入口 ；液氮出口 ；液氦閥；液氦入口 ；液氦出口 ；氦氣回收裝置；
[0010]并且，一級回熱換熱器包括:一級回熱換熱器液氦入口 ；一級回熱換熱器液氦出口 ；一級回熱換熱器常溫氦氣入口 ；一級回熱換熱器常溫氦氣出口 ；一級回熱換熱器循環氦氣回氣入口 ；一級回熱換熱器循環氦氣回氣出口 ；
[0011]液氮換熱器包括:液氮換熱器氦氣入口 ；液氮換熱器氦氣出口 ；液氮換熱器液氮入口 ；液氮換熱器液氮出口；
[0012]液氦換熱器包括:液氦換熱器液氦入口 ；液氦換熱器液氦出口 ；液氦換熱器氦氣入口 ；液氦換熱器氦氣出口；
[0013]二級回熱換熱器包括:二級回熱換熱器液氦入口 ；二級回熱換熱器液氦出口 ；二級回熱換熱器氦氣入口 ；二級回熱換熱器氦氣出口 ；二級回熱換熱器循環氦氣回氣入口 ；二級回熱換熱器循環氦氣回氣出口；
[0014]其中，氦氣循環泵是動力源；循環氦氣經液氮換熱器及液氦換熱器將液氮及液氦產生的冷量帶至測試對象；氦氣循環泵用于驅動氦氣在管路及測試對象內循環，并交換液氮及液氦的冷量冷卻測試對象；
[0015]緩沖罐穩定氦氣循環泵產生的流量及壓力的脈動；緩沖罐的上端設置了高壓氦氣閥及高壓氦氣入口，用于高壓氦氣的輸入；緩沖罐的下端設置了緩沖罐截止閥；
[0016]所述的一級回熱換熱器、液氮換熱器、液氦換熱器、二級回熱換熱器集成在杜瓦內；
[0017]氦氣循環泵出口與緩沖罐截止閥、常溫進氣閥、旁通流量計連通，緩沖罐截止閥的另一端與緩沖罐連通，高壓氦氣閥連接了緩沖罐及高壓氦氣入口 ；
[0018]常溫進氣閥連接了氦氣循環泵與主路流量計，主路流量計的另一端與杜瓦內的一級回熱換熱器上的一級回熱換熱器常溫氦氣入口相連，一級回熱換熱器常溫氦氣出口與液氮換熱器氦氣入口連通，液氮換熱器氦氣出口與二級回熱換熱器氦氣入口相連，二級回熱換熱器氦氣出口與液氦換熱器氦氣入口相連；低溫進氣閥兩端分別連接了液氦換熱器氦氣出口與入口溫度及入口壓力測試點；低溫回氣閥連接了測試對象排氣口與二級回熱換熱器循環氦氣回氣入口 ；二級回熱換熱器循環氦氣回氣出口與一級回熱換熱器循環氦氣回氣入口相連，一級回熱換熱器循環氦氣回氣出口與常溫回氣閥及排氣閥相連；循環氦氣泵的回氣口與旁通閥及旁通閥相連；旁通閥另一端連接了旁通流量計；
[0019]對于液氦回路,液氦閥兩端連接液氦入口及液氦換熱器液氦入口，液氦換熱器液氦出口連接二級回熱換熱器液氦入口，二級回熱換熱器液氦出口與一級回熱換熱器液氦入口相連，氦氣排氣閥連接了一級回熱換熱器液氦出口及液氦出口，液氦出口設置在氦氣回收裝置上；
[0020]系統內的循環氦氣設置了兩條支路，分別使用主路流量計及旁通流量計監測氦氣流量；主路內氦氣用于攜帶液氮及液氦的冷量冷卻測試對象，主路總流量可以通過調節旁通閥調節；
[0021]主路的循環氦氣表述如下:由氦氣循環泵產生的高壓氦氣經常溫進氣閥調整壓力，并由主路流量計顯示流量，從一級回熱換熱器常溫氦氣入口進入一級回熱換熱器，從一級回熱換熱器常溫氦氣出口排出后經液氮換熱器氦氣入口進入液氮換熱器與液氮充分換熱；循環氦氣從液氮換熱器氦氣出口排出后經二級回熱換熱器氦氣入口進入二級回熱換熱器，并由二級回熱換熱器氦氣出口排出經液氦換熱器氦氣入口進入液氦換熱器；從液氦換熱器氦氣出口排出的循環氦氣在低溫進氣閥調整后進入測試對象，并監測入口溫度及入口壓力；測試對象排出的循環氦氣經低溫回氣閥調整后經二級回熱換熱器循環氦氣回氣入口進入二級回熱換熱器并由二級回熱換熱器循環氦氣回氣出口排出；此后，循環氦氣經一級回熱換熱器循環氦氣回氣入口進入一級回熱換熱器與初始的循環氦氣換熱；從一級回熱換熱器循環氦氣回氣出口排出后經常溫回氣閥回至氦氣循環泵完成循環；
[0022]旁通路的氦氣循環表述如下:由氦氣循環泵產生的高壓氦氣部分經旁通閥調整后直接回至氦氣循環泵，此路流量由旁通流量計監測。
[0023]本實用新型提出一種用于管路結構環境模擬的制冷及增壓系統，其優點在于，系統使用液氮及液氦雙級制冷，并通過高壓氦氣增壓，系統中使用緩沖罐起到穩壓作用，可模擬壓力及低溫的綜合環境，也可以模擬高壓、低溫、降溫、升溫的實際環境。系統設置了主路及支路，可以通過旁通閥調整主路流量，實現調節測試對象溫差的目的。系統設置了一級回熱換熱器、二級回熱換熱器，充分利用液氦及試件內循環氦氣的回溫冷量，將循環氦氣初步制冷，實現減少液氦用量，并提高制冷效率的目的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1用于管路結構環境模擬的制冷及增壓系統原理；
[0025]圖2低溫區環境模擬流程；
[0026]圖3深低溫區環境模擬流程。
[0027]I氦氣循環泵；2緩沖罐截止閥；3緩沖罐；4旁通閥；4a常溫進氣閥；4b常溫回氣閥；5a主路流量計；5b旁通流量計；6氦氣排氣閥；7 —級回熱換熱器；7a —級回熱換熱器液氦入口 ；7b —級回熱換熱器液氦出口 ；7c —級回熱換熱器常溫氦氣入口 ；7d—級回熱換熱器常溫氦氣出口 ；7e—級回熱換熱器循環氦氣回氣入口 ；7f—級回熱換熱器循環氦氣回氣出口 ；8液氮換熱器；8a液氮換熱器氦氣入口 ；8b液氮換熱器氦氣出口 ；8c液氮換熱器液氮入口 ；8d液氮換熱器液氮出口 ；9液氦換熱器；9a液氦換熱器液氦入口 ；9b液氦換熱器液氦出口 ；9c液氦換熱器氦氣入口 ；9d液氦換熱器氦氣出口 ；10 二級回熱換熱器；1a 二級回熱換熱器液氦入口 ；10b 二級回熱換熱器液氦出口 ；10c 二級回熱換熱器氦氣入口 ；10d 二級回熱換熱器氦氣出口 ；10e 二級回熱換熱器循環氦氣回氣入口 ；10f 二級回熱換熱器循環氦氣回氣出口 ；lla低溫進氣閥；llb低溫回氣閥；12入口溫度；13入口壓力；14出口溫度；15排氣閥；16高壓氦氣入口 ；16a高壓氦氣閥；17液氮閥；18a液氮入口 ；18b液氮出口 ；19液氦閥；20a液氦入口 ；20b液氦出口 ；21氦氣回收裝置。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和實施例對本實用新型進行進一步描述。
[0029]如圖1所示，一種用于管路結構環境模擬的制冷及增壓系統，使用循環氦氣對試驗件進行冷卻和增壓，可以實現液氮溫度以上的低溫區及液氮溫區以下液氦溫區以上的深低溫區，并實現壓力的精確調節。
[0030]包括氦氣循環泵I ;緩沖罐截止閥2 ;緩沖罐3 ;旁通閥4 ;常溫進氣閥4a ;常溫回氣閥4b ;主路流量計5a ;旁通流量計5b ;氦氣排氣閥6 級回熱換熱器7 ;—級回熱換熱器液氦入口 7a ;—級回熱換熱器液氦出口 7b ;一級回熱換熱器常溫氦氣入口 7c 級回熱換熱器常溫氦氣出口 7d ;一級回熱換熱器循環氦氣回氣入口 7e ;—級回熱換熱器循環氦氣回氣出口 7f ;液氮換熱器8 ;液氮換熱器氦氣入口 8a ;液氮換熱器氦氣出口 8b ;液氮換熱器液氮入口 8c ;液氮換熱器液氮出口 8d ;液氦換熱器9 ;液氦換熱器液氦入口 9a ;液氦換熱器液氦出口 9b ;液氦換熱器氦氣入口 9c ;液氦換熱器氦氣出口 9d ;二級回熱換熱器10 ;二級回熱換熱器液氦入口 1a ;二級回熱換熱器液氦出口 1b ;二級回熱換熱器氦氣入口 1c ；二級回熱換熱器氦氣出口 1d ;二級回熱換熱器循環氦氣回氣入口 1e ;二級回熱換熱器循環氦氣回氣出口 1f ;低溫進氣閥Ila ;低溫回氣閥Ilb ;入口溫度12 ;入口壓力13 ;出口溫度14 ;排氣閥15 ;高壓氦氣入口 16 ;高壓氦氣閥16a ;液氮閥17 ;液氮入口 18a ;液氮出口18b ;液氦閥19 ;液氦入口 20a ;液氦出口 20b ;氦氣回收裝置21。
[0031]其中，氦氣循環泵I是動力源，使氦氣克服流體阻力在管路內循環，并實現要求的流量。循環氦氣經液氮換熱器8及液氦換熱器9將液氮及液氦產生的冷量帶至測試對象。氦氣循環泵I用于驅動氦氣在管路及測試對象內循環，并交換液氮及液氦的冷量冷卻測試對象。
[0032]緩沖罐3用于穩定氦氣循環泵I產生的流量及壓力的脈動，也對系統增壓、降壓過程起到緩沖作用，使壓力和流量不產生突變。緩沖罐3的上端設置了高壓氦氣閥16a及高壓氦氣入口 16，用于高壓氦氣的輸入，實現增壓的目的。緩沖罐3的下端設置了緩沖罐截止閥2，當試驗結束后關閉緩沖罐截止閥2，可以將緩沖罐3內的氦氣存儲，以備下次試驗使用，主要目的是節省氦氣的使用量，并縮短管路內氣體置換的時間。緩沖罐3利用氣體可壓縮和膨脹的特性，交替的儲存或釋放，達到減少管路中流量和壓力脈動的目的。
[0033]為降低系統漏熱，所述的一級回熱換熱器7、液氮換熱器8、液氦換熱器9、二級回熱換熱器10集成在杜瓦內。
[0034]一級回熱換熱器7利用液氦及測試對象回氣的冷量將常溫循環氦氣初步預冷，二級回熱換熱器10利用液氦出氣及測試對象回氣冷量進一步冷卻循環氦氣。液氮換熱器用于循環氦氣及液氮的換熱，液氦換熱器用于循環氦氣及液氦的換熱。
[0035]—級回熱換熱器7設置了一級回熱換熱器液氦入口 7a、一級回熱換熱器液氦出口7b、一級回熱換熱器常溫氦氣入口 7c、一級回熱換熱器常溫氦氣出口 7d、一級回熱換熱器循環氦氣回氣入口 7e、一級回熱換熱器循環氦氣回氣出口 7f ；
[0036]液氮換熱器8設置了液氮換熱器氦氣入口 8a、液氮換熱器氦氣出口 8b、液氮換熱器液氮入口 8c、液氮換熱器液氮出口 8d ；
[0037]液氦換熱器9設置了液氦換熱器液氦入口 9a、液氦換熱器液氦出口 9b、液氦換熱器氦氣入口 9c、液氦換熱器氦氣出口 9d;
[0038]二級回熱換熱器10設置了二級回熱換熱器液氦入口 10a、二級回熱換熱器液氦出口 10b、二級回熱換熱器氦氣入口 10c、二級回熱換熱器氦氣出口 10d、二級回熱換熱器循環氦氣回氣入口 10e、二級回熱換熱器循環氦氣回氣出口 1f。
[0039]氦氣循環泵I出口與緩沖罐截止閥2、常溫進氣閥4a、旁通流量計5b連通，緩沖罐截止閥2的另一端與緩沖罐3連通，高壓氦氣閥16a連接了緩沖罐3及高壓氦氣入口 16。
[0040]常溫進氣閥4a連接了氦氣循環泵I與主路流量計5a，主路流量計5a的另一端與杜瓦內的一級回熱換熱器7上的一級回熱換熱器常溫氦氣入口 7c相連，一級回熱換熱器常溫氦氣出口 7d與液氮換熱器氦氣入口 8a連通，液氮換熱器氦氣出口 8b與二級回熱換熱器氦氣入口 1c相連，二級回熱換熱器氦氣出口 1d與液氦換熱器氦氣入口 9c相連。低溫進氣閥Ila兩端分別連接了液氦換熱器氦氣出口 9d與入口溫度12及入口壓力13測試點。低溫回氣閥Ilb連接了測試對象排氣口與二級回熱換熱器循環氦氣回氣入口 10e。二級回熱換熱器循環氦氣回氣出口 1f與一級回熱換熱器循環氦氣回氣入口 7e相連，一級回熱換熱器循環氦氣回氣出口 7f與常溫回氣閥4b及排氣閥15相連。循環氦氣泵I的回氣口與旁通閥4及旁通閥4相連。旁通閥4另一端連接了旁通流量計5b。
[0041]對于液氦回路,液氦閥19兩端連接液氦入口 20a及液氦換熱器液氦入口 9a，液氦換熱器液氦出口 9b連接二級回熱換熱器液氦入口 10a，二級回熱換熱器液氦出口 1b與一級回熱換熱器液氦入口 7a相連，氦氣排氣閥6連接了一級回熱換熱器液氦出口 7b及液氦出口 20b，液氦出口 20b設置在氦氣回收裝置21上。
[0042]系統內的循環氦氣設置了兩條支路，分別使用主路流量計5a及旁通流量計5b監測氦氣流量。主路內氦氣用于攜帶液氮及液氦的冷量冷卻測試對象，主路總流量可以通過調節旁通閥4調節。
[0043]主路的循環氦氣表述如下:由氦氣循環泵I產生的高壓氦氣經常溫進氣閥4a調整壓力，并由主路流量計5a顯示流量，從一級回熱換熱器常溫氦氣入口 7c進入一級回熱換熱器7，從一級回熱換熱器常溫氦氣出口 7d排出后經液氮換熱器氦氣入口 8a進入液氮換熱器8與液氮充分換熱。循環氦氣從液氮換熱器氦氣出口 8b排出后經二級回熱換熱器氦氣入口1c進入二級回熱換熱器10，并由二級回熱換熱器氦氣出口 1d排出經液氦換熱器氦氣入口 9c進入液氦換熱器9。從液氦換熱器氦氣出口 9d排出的循環氦氣在低溫進氣閥Ila調整后進入測試對象，并監測入口溫度12及入口壓力13。測試對象排出的循環氦氣經低溫回氣閥Ilb調整后經二級回熱換熱器循環氦氣回氣入口 1e進入二級回熱換熱器10并由二級回熱換熱器循環氦氣回氣出口 1f排出。此后,循環氦氣經一級回熱換熱器循環氦氣回氣入口 7e進入一級回熱換熱器7與初始的循環氦氣換熱。從一級回熱換熱器循環氦氣回氣出口 7f排出后經常溫回氣閥4b回至氦氣循環泵I完成循環。
[0044]旁通路的氦氣循環表述如下:由氦氣循環泵I產生的高壓氦氣部分經旁通閥4調整后直接回至氦氣循環泵1，此路流量由旁通流量計5b監測。
[0045]液氮注入實施方案如下:液氮由液氮入口 18a進入，并經液氮閥17調整流量，通過液氮換熱器液氮入口 8c進入液氮換熱器8，在液氮換熱器8內，液氮與循環氦氣充分換熱。液氮吸熱氣化，經液氮換熱器液氮出口 8d并通過液氮出口 18b排出。
[0046]液氦注入實施方案如下:液氦由液氦入口 20a進入管路，經液氦閥19調節流量，由液氦換熱器液氦入口 9a進入液氦換熱器9。在液氦換熱器9內，液氦與循環氦氣充分熱交換。循環氦氣由液氦換熱器液氦出口 ％排出，后經二級回熱換熱器液氦入口 1a進入二級回熱換熱器10，在二級回熱換熱器10內，循環氦氣的回氣均與液氦的排出氣體均與循環氦氣的進氣熱交換。循環氦氣由二級回熱換熱器液氦出口 1b排出后經一級回熱換熱器液氦入口 7a進入一級回熱換熱器7，由一級回熱換熱器液氦出口 7b排出后經氦氣排氣閥6調整，并由液氦出口 20b進入氦氣回收裝置21。液氦的流量可以由液氦閥19及氦氣排氣閥6調整。
[0047]測試對象內部的壓力，也即循環氦氣的壓力可以由高壓氦氣及排氣閥共同調整，當循環氦氣壓力較低時，高壓氦氣經高壓氦氣入口進入，并經高壓氦氣閥調節壓力后進入緩沖罐，穩壓后經緩沖罐截止閥進入循環氦氣管路。當循環氦氣壓力較高時，打開排氣閥排氣，并監測測試對象的入口壓力，到達目標值后，關閉排氣閥。因為緩沖罐的穩壓作用，整個調整過程，壓力及流量改變較為平穩。
[0048]測試對象內部的溫度，分為液氮溫度以上的低溫區，以及液氮溫度以下液氦溫度以上的深低溫區。當需要模擬的溫度環境為低溫區環境，則關閉液氦閥停止液氦供應，僅需液氮提供冷量。當需要模擬的溫度環境為深低溫區環境，則需要液氦供應。
[0049]進行模擬的過程首先總結如下:
[0050](I)管路內氣體置換:試驗準備階段結束后通過高壓氦氣入口增壓直至增至置換壓力，穩壓一段時間后通過排氣閥排氣，排氣結束后檢測真空度是否達到要求，如果未達到則再次充壓并排氣重復上述過程直至達到真空度要求。
[0051](2)系統增壓:通過氦氣入口增壓直至增至試驗要求的目標壓力，并通過入口壓力監測，若為達到試驗要求的目標壓力則繼續充壓，若超過目標壓力則通過排氣閥排氣減壓。
[0052](3)系統降溫:通過液氮入口加入液氮，啟動循環氦氣泵，循環氦氣在液氮換熱器內與液氮熱交換，循環氦氣將冷量帶入測試對象。
[0053]當試驗為深低溫區模擬時，在上述溫度降至液氮溫區后，液氦通過液氦入口進入管路，循環氦氣與液氦在液氦換熱器換熱，循環氦氣將液氦的冷量帶入測試對象。當試驗為低溫區模擬時，則不需要上述液氦供應的操作。
[0054]因為過程中循環氦氣受冷體積減小，壓力降低，當入口壓力檢測到壓力降低時，通過高壓氦氣入口增壓直至入口溫度及入口壓力均達到試驗要求。
[0055](4)出入口溫差調整:通過入口壓力及出口壓力監測測試對象的出入口溫差，當溫度差較大時，調整旁通閥并監測主路流量計，隨著主路流量的增加測試對象的出入口溫差減小，直至到達試驗要求。
[0056](5)試驗達到要求時間后，關閉緩沖罐截止閥，停止氦氣循環泵，通過排氣閥排氣降壓，測試對象自然回溫，試驗結束。
[0057]本實用新型提出一種用于管路結構環境模擬的制冷及增壓系統，其優點在于，系統使用液氮及液氦雙級制冷，并通過高壓氦氣增壓，系統中使用緩沖罐起到穩壓作用，可模擬壓力及低溫的綜合環境，也可以模擬高壓、低溫、降溫、升溫的實際環境。系統設置了主路及支路，可以通過旁通閥調整主路流量，實現調節測試對象溫差的目的。系統設置了一級回熱換熱器、二級回熱換熱器，充分利用液氦及試件內循環氦氣的回溫冷量，將循環氦氣初步制冷，實現減少液氦用量，并提高制冷效率的目的。
[0058]具體過程說明如下:
[0059]低溫區環境模擬流程參照圖2:
[0060](I)試驗準備階段，連接測試對象、高壓氦氣入口 16處的外置氣源、液氮入口 18a處的液氮源、液氦入口 20a的液氦，確認主路流量計5a、旁通流量計5b、入口溫度12傳感器、入口壓力13傳感器、出口溫度14傳感器正常工作。
[0061](2)通過高壓氦氣入口 16注入高壓氦氣，并通過高壓氦氣閥16a調整后進入緩沖罐3，由緩沖罐截止閥2進入循環管路，實現置換過程的增壓。該過程中通過入口壓力13監測壓力，當壓力超過目標壓力時，開啟排氣閥15排氣。壓力增至置換壓力后，關閉高壓氦氣閥16a，穩定壓力一段時間，無壓力變化后，開啟排氣閥15排氣。泄壓后檢測真空度，如未達到真空度要求，則重新增壓并排氣，直至達到真空度要求。
[0062](3)通過高壓氦氣入口 16注入高壓氦氣，實現制冷過程的增壓。通過入口壓力13監測壓力，當壓力超過目標壓力時，開啟排氣閥15排氣。液氮由液氮入口 18a進入，并經液氮閥17調整流量，通過液氮換熱器液氮入口 Sc進入液氮換熱器8，氣化后由液氮換熱器液氮出口 8d并經液氮出口 18b排出。
[0063](4)啟動氦氣循環泵1，循環氦氣在液氮換熱器8內與液氮充分換熱，并攜帶冷量冷卻液氦換熱器9、測試對象、二級回熱換熱器10及一級回熱換熱器7。由于溫度降低，循環氦氣的壓力將有所降低，根據入口壓力13監測，當壓力降低時，通過高壓氦氣入口 16注入高壓氦氣穩定壓力。根據入口溫度12監測溫度直至溫度降至目標值。當入口溫度12高于目標溫度時，加大液氮閥17的開度，增加液氮流量；當入口溫度12低于目標溫度時，減小液氮閥17的開度，降低液氮流量。
[0064]根據測試對象的出入口溫差要求，通過入口溫度12及出口溫度14測試溫差。當測試溫差大于目標溫差時，減小旁通閥4的開度，增加主路流量(可通過主路流量計5a監測)，直至測試溫差達到目標溫差。當測試溫差小于目標溫差時，增大旁通閥4的開度，減小主路流量(可通過主路流量計5a監測)，增加支路流量(可通過旁通流量計5b監測)，直至測試溫差達到目標溫差。根據試驗要求，維持溫度、壓力、溫差的要求，完成試驗時間，直至試驗結束。
[0065](5)試驗結束后，開啟排氣閥15排氣減壓，測試對象自然回溫，通過入口溫度12監測，直至測試對象升至自然溫度。
[0066]深低溫區環境模擬流程參照圖3:
[0067](I)試驗準備階段，連接測試對象、高壓氦氣入口 16處的外置氣源、液氮入口 18a處的液氮源、液氦入口 20a的液氦，確認主路流量計5a、旁通流量計5b、入口溫度12傳感器、入口壓力13傳感器、出口溫度14傳感器正常工作。
[0068](2)通過高壓氦氣入口 16注入高壓氦氣，并通過高壓氦氣閥16a調整后進入緩沖罐3，由緩沖罐截止閥2進入循環管路，實現置換過程的增壓。該過程中通過入口壓力13監測壓力，當壓力超過目標壓力時，開啟排氣閥15排氣。壓力增至置換壓力后，關閉高壓氦氣閥16a，穩定壓力一段時間，無壓力變化后，開啟排氣閥15排氣。泄壓后檢測真空度，如未達到真空度要求，則重新增壓并排氣，直至達到真空度要求。
[0069](3)通過高壓氦氣入口 16注入高壓氦氣，實現制冷過程的增壓。通過入口壓力13監測壓力，當壓力超過目標壓力時，開啟排氣閥15排氣。液氮由液氮入口 18a進入，并經液氮閥17調整流量，通過液氮換熱器液氮入口 Sc進入液氮換熱器8，氣化后由液氮換熱器液氮出口 8d并經液氮出口 18b排出。
[0070](4)啟動氦氣循環泵1，循環氦氣在液氮換熱器8內與液氮充分換熱，并攜帶冷量冷卻液氦換熱器9、測試對象、二級回熱換熱器10及一級回熱換熱器7。由于溫度降低，循環氦氣的壓力將有所降低，根據入口壓力13監測，當壓力降低時，通過高壓氦氣入口 16注入高壓氦氣穩定壓力。根據入口溫度12監測溫度直至測試對象的溫度降至液氮溫區。當入口溫度12高于液氮溫區時，加大液氮閥17的開度，增加液氮流量；當入口溫度12低于液氮溫區時，減小液氮閥17的開度，降低液氮流量。
[0071](5)通過液氦入口 20a向管路內注入液氦，經液氦閥19調節流量，由液氦換熱器液氦入口 9a進入液氦換熱器9。在液氦換熱器9內，液氦吸收循環氦氣的熱量,升溫氣化,循環氦氣將液氦的冷量帶至測試對象。
[0072]根據入口溫度12監測測試對象溫度直至溫度降至目標值。當入口溫度12高于目標溫度時，加大液氦閥19的開度，增加液氦流量；當入口溫度12低于目標溫度時，減小液氦閥19的開度，降低液氦流量。
[0073]根據測試對象的出入口溫差要求，通過入口溫度12及出口溫度14測試溫差。當測試溫差大于目標溫差時，減小旁通閥4的開度，增加主路流量(可通過主路流量計5a監測)，直至測試溫差達到目標溫差。當測試溫差小于目標溫差時，增大旁通閥4的開度，減小主路流量(可通過主路流量計5a監測)，增加支路流量(可通過旁通流量計5b監測)，直至測試溫差達到目標溫差。根據試驗要求，維持溫度、壓力、溫差的要求，完成試驗時間，直至試驗結束。
[0074](6)試驗結束后，開啟排氣閥15排氣減壓，測試對象自然回溫，關閉液氦閥19停止液氦供應。通過入口溫度12監測，直至測試對象升至自然溫度。
[0075]上面對本實用新型的實施例作了詳細說明，上述實施方式僅為本實用新型的最優實施例，但是本實用新型并不限于上述實施例，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本實用新型宗旨的前提下做出各種變化。
【權利要求】
1.一種用于管路結構環境模擬的制冷及增壓系統，其特征在于，包括:高壓氦氣入口(16)、一級回熱換熱器(7)、二級回熱換熱器(10)、液氮換熱器(8)、液氦換熱器(9);其中，高壓氦氣入口(16)輸入常溫高壓氦氣，依次經過一級回熱換熱器(7)、液氮換熱器(8)、二級回熱換熱器(10)、液氦換熱器(9)之后輸出至測試對象；測試對象回氣依次經過二級回熱換熱器(10)、一級回熱換熱器(7)之后再次進行循環；液氮經過液氮換熱器(8)后回收，液氦依次經過液氦換熱器(9)、二級回熱換熱器(10)、一級回熱換熱器(7)之后進行回收； 其中，一級回熱換熱器(7)利用液氦及測試對象回氣的冷量將常溫循環氦氣初步預冷，二級回熱換熱器(10)利用液氦出氣及測試對象回氣冷量進一步冷卻循環氦氣；液氮換熱器(8)用于循環氦氣及液氮的換熱，液氦換熱器(9)用于循環氦氣及液氦的換熱。
2.如權利要求1所述的一種用于管路結構環境模擬的制冷及增壓系統，其特征在于，還包括:氦氣循環泵⑴；緩沖罐截止閥⑵；緩沖罐⑶滂通閥⑷；常溫進氣閥(4a);常溫回氣閥(4b);主路流量計(5a);旁通流量計(5b);氦氣排氣閥(6)； 低溫進氣閥(Ila);低溫回氣閥(Ilb);入口溫度(12);入口壓力(13);出口溫度(14)；排氣閥(15);高壓氦氣入口 (16);高壓氦氣閥(16a);液氮閥(17);液氮入口 (18a);液氮出口 (18b);液氦閥(19);液氦入口 (20a);液氦出口 (20b);氦氣回收裝置(21)； 并且，一級回熱換熱器(7)包括:一級回熱換熱器液氦入口(7a);—級回熱換熱器液氦出口(7b)級回熱換熱器常溫氦氣入口(7c)級回熱換熱器常溫氦氣出口(7d);—級回熱換熱器循環氦氣回氣入口(7e);—級回熱換熱器循環氦氣回氣出口(7f)； 液氮換熱器(8)包括:液氮換熱器氦氣入口(8a);液氮換熱器氦氣出口(8b);液氮換熱器液氮入口(8c);液氮換熱器液氮出口(8d)； 液氦換熱器(9)包括:液氦換熱器液氦入口(9a);液氦換熱器液氦出口(9b);液氦換熱器氦氣入口(9c);液氦換熱器氦氣出口(9d)； 二級回熱換熱器(10)包括:二級回熱換熱器液氦入口(1a) ;二級回熱換熱器液氦出口(1b) ;二級回熱換熱器氦氣入口(1c) ;二級回熱換熱器氦氣出口(1d) ;二級回熱換熱器循環氦氣回氣入口(1e) ;二級回熱換熱器循環氦氣回氣出口(1f)； 其中，氦氣循環泵(I)是動力源；循環氦氣經液氮換熱器(8)及液氦換熱器(9)將液氮及液氦產生的冷量帶至測試對象；氦氣循環泵(I)用于驅動氦氣在管路及測試對象內循環，并交換液氮及液氦的冷量冷卻測試對象； 緩沖罐(3)穩定氦氣循環泵(I)產生的流量及壓力的脈動；緩沖罐(3)的上端設置了高壓氦氣閥(16a)及高壓氦氣入口(16)，用于高壓氦氣的輸入；緩沖罐(3)的下端設置了緩沖罐截止閥⑵； 所述的一級回熱換熱器(7)、液氮換熱器(8)、液氦換熱器(9)、二級回熱換熱器(10)集成在杜瓦內； 氦氣循環泵(I)出口與緩沖罐截止閥(2)、常溫進氣閥(4a)、旁通流量計(5b)連通，緩沖罐截止閥(2)的另一端與緩沖罐(3)連通，高壓氦氣閥(16a)連接了緩沖罐(3)及高壓氦氣入口 (16)； 常溫進氣閥(4a)連接了氦氣循環泵(I)與主路流量計(5a)，主路流量計(5a)的另一端與杜瓦內的一級回熱換熱器(7)上的一級回熱換熱器常溫氦氣入口(7c)相連，一級回熱換熱器常溫氦氣出口(7d)與液氮換熱器氦氣入口(8a)連通,液氮換熱器氦氣出口(8b)與二級回熱換熱器氦氣入口(1c)相連,二級回熱換熱器氦氣出口(1d)與液氦換熱器氦氣入口(9c)相連；低溫進氣閥(Ila)兩端分別連接了液氦換熱器氦氣出口(9d)與入口溫度(12)及入口壓力(13)測試點；低溫回氣閥(Ilb)連接了測試對象排氣口與二級回熱換熱器循環氦氣回氣入口(1e) ;二級回熱換熱器循環氦氣回氣出口(1f)與一級回熱換熱器循環氦氣回氣入口(7e)相連，一級回熱換熱器循環氦氣回氣出口(7f)與常溫回氣閥(4b)及排氣閥(15)相連；循環氦氣泵⑴的回氣口與旁通閥⑷及旁通閥⑷相連；旁通閥(4)另一端連接了旁通流量計(5b)； 對于液氦回路，液氦閥(19)兩端連接液氦入口(20a)及液氦換熱器液氦入口(9a)，液氦換熱器液氦出口(9b)連接二級回熱換熱器液氦入口(1a)，二級回熱換熱器液氦出口(1b)與一級回熱換熱器液氦入口(7a)相連,氦氣排氣閥(6)連接了一級回熱換熱器液氦出口(7b)及液氦出口(20b)，液氦出口(20b)設置在氦氣回收裝置(21)上； 系統內的循環氦氣設置了兩條支路，分別使用主路流量計(5a)及旁通流量計(5b)監測氦氣流量；主路內氦氣用于攜帶液氮及液氦的冷量冷卻測試對象，主路總流量可以通過調節旁通閥⑷調節； 主路的循環氦氣表述如下:由氦氣循環泵(I)產生的高壓氦氣經常溫進氣閥(4a)調整壓力，并由主路流量計(5a)顯示流量，從一級回熱換熱器常溫氦氣入口(7c)進入一級回熱換熱器(7),從一級回熱換熱器常溫氦氣出口(7d)排出后經液氮換熱器氦氣入口(8a)進入液氮換熱器(8)與液氮充分換熱；循環氦氣從液氮換熱器氦氣出口(8b)排出后經二級回熱換熱器氦氣入口(1c)進入二級回熱換熱器(10)，并由二級回熱換熱器氦氣出口(1d)排出經液氦換熱器氦氣入口(9c)進入液氦換熱器(9);從液氦換熱器氦氣出口(9d)排出的循環氦氣在低溫進氣閥(Ila)調整后進入測試對象，并監測入口溫度(12)及入口壓力(13);測試對象排出的循環氦氣經低溫回氣閥(Ilb)調整后經二級回熱換熱器循環氦氣回氣入口(1e)進入二級回熱換熱器(10)并由二級回熱換熱器循環氦氣回氣出口(1f)排出；此后，循環氦氣經一級回熱換熱器循環氦氣回氣入口(7e)進入一級回熱換熱器(7)與初始的循環氦氣換熱；從一級回熱換熱器循環氦氣回氣出口(7f)排出后經常溫回氣閥(4b)回至氦氣循環泵(I)完成循環； 旁通路的氦氣循環表述如下:由氦氣循環泵(I)產生的高壓氦氣部分經旁通閥(4)調整后直接回至氦氣循環泵(I)，此路流量由旁通流量計(5b)監測。
【文檔編號】G01M99/00GK204008175SQ201420439686
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月6日 優先權日:2014年8月6日
【發明者】嚴魯濤, 李紅, 蘇玉磊, 周家屹, 卞榮耀, 劉玥 申請人:天津航天瑞萊科技有限公司, 北京航天斯達新技術裝備公司, 北京強度環境研究所, 中國運載火箭技術研究院