一种可控温的大流量低温换热装置的制作方法

1.本实用新型涉及材料测试技术领域，更具体涉及一种可控温的大流量低温换热装置。

背景技术：

2.某大型低温风洞采用内绝热方式，以减小外界环境热量侵入，维持设备内部低温环境。为验证内绝热系统的施工工艺和绝热效果，开展模拟真实洞体的试验平台，以验证内绝热系统低温运行的可靠性。试验平台的常规运行流程包括清洗阶段(常温氮气吹扫流洗)、降温阶段(常温降至110k)、增压阶段及回温阶段。为实现以上功能，研制了一套以液氮作为冷源的可控温大流量低温换热装置，可为试验平台提供77k～400k之间温度、流量可控的氮气。
3.现有专利公告号为cn105498566a的专利文献公开了气液两相流混合式低温氮气射流发生装置；该装置包括自增压液氮供给系统、耐高压低温软管、往复式低温增压泵、常温氮气供给系统、耐高压常温软管、内混腔、截留阀、三通阀和喷嘴。自增压液氮供给系统输出低压液氮，经往复式低温增压泵增压后输出高压液氮，然后输出高压液氮至内混腔。常温氮气供给系统输出常温高压氮气并输送高压氮气至内混腔；高压液氮与常温高压氮气在内混腔中形成低温氮气，低温氮气输送至三通阀与喷嘴而形成低温氮气射流。其通过控制低温液氮与常温氮气的流量及其比例，可实现低温氮气射流的温度在室温至零下196℃范围内可调，射流压力和射流流量可调。
4.虽然该专利文献公开了可通过低温液氮与常温氮气的流量及其比例，可实现低温氮气射流的温度在室温至零下196℃范围内可调，但其仍存在技术缺点，主要有以下三点：
5.(1)提供的温区范围窄；只能提供-196℃～室温范围内的氮气，不能提供高温氮气，无法满足系统快速回温需求；
6.(2)系统构成复杂，装置可靠性相对较差；装置运行需要借助动部件往复式增压泵对低温液氮进行增压，常温氮气供给系统由存储有常温高压氮气的氮气瓶单独供气，一旦增压泵出现故障，需要破除保温结构，维修过程复杂、工作量大；
7.(3)无法满足大面积均匀降温需求；由于单通道或双通道的低温射流氮气冷却区域有限，使用该结构无法满足大型系统均匀降温需求。

技术实现要素：

8.本实用新型所要解决的技术问题在于，如何将低温液氮与常温氮气进行混合以及对其控温，并提高其使用可靠性。
9.本实用新型通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种可控温的大流量低温换热装置，包括低温单元、加热单元、换热单元、测试平台单元，所述低温单元、加热单元、换热单元位于测试平台单元外侧，所述低温单元包括液氮储存装置、汽化器、液氮管路、氮气管路，所述液氮储存装置通过液氮管路和氮气管路与换热单元连通，所述氮气管路上设
有汽化器，所述加热单元设于氮气管路外侧，所述换热单元对自换热单元顶部输入的液氮和自换热单元底部输入的氮气混合换热，并将混合后的氮气输入测试平台单元，所述液氮管路、氮气管路均设有控制阀门。
10.通过将液氮汽化为常温氮气与液氮混合，通过调节两者的混合比例即调节阀门的开度进行控温，常温以下温区控温不消耗电能，同时液氮和氮气都来自液氮储存装置，氮气是通过液氮经空浴式汽化器换热得到，相当于氮气是以液氮形式存储，压缩比大，节省储气罐空间，通过将低温单元、加热单元、换热单元位于测试平台单元外侧，在升降温过程中无运动部件工作，提高了系统可靠性高，便于维修，同时主体部件均位于腔体外部，可最大化使用内部空间。
11.作为优选的技术方案，所述换热单元包括换热器进气管道、换热器不锈钢腔体、换热器紫铜筛板、换热器液氮喷淋管、换热器出气管道，所述氮气管路为换热器进气管道，所述液氮管路伸入换热器不锈钢腔体的一端固接有换热器液氮喷淋管，所述换热器不锈钢腔体内固接有表面成型有通孔的换热器紫铜筛板，所述换热器液氮喷淋管位于换热器进气管道上方，且两者通过换热器紫铜筛板接触换热。
12.通过换热器紫铜筛板的设置，由于紫铜材料导热系数高，增加了氮气和液氮的换热效率，筛板整个面上均匀打孔是为了氮气和液氮能自由通过的同时增加流速，提高换热系数，设置多层筛板也是为了增加气液接触时间，提高了换热效率。
13.作为优选的技术方案，所述换热单元还包括换热器保温材料，所述换热器不锈钢腔体外侧设有换热器保温材料，且换热器进气管道、液氮管路、换热器出气管道外侧均设有保温材料。
14.作为优选的技术方案，所述换热器液氮喷淋管、出气管路与换热器不锈钢腔体相连的一端均位于换热器不锈钢腔体顶部，所述换热器进气管道与换热器不锈钢腔体相连的一端位于换热器不锈钢腔体底部，将液氮向换热器下方喷洒，使其与向上流动的气体接触面积增大，达到均匀接触换热效果。
15.作为优选的技术方案，所述加热单元包括氮气加热器、第五温度控制器、第六温度传感器、第七温度传感器，所述氮气加热器设于氮气管路外侧，所述氮气加热器上设有第六温度传感器，所述氮气管路上设有第七温度传感器。
16.作为优选的技术方案，所述测试平台单元包括试验平台不锈钢腔、试验平台保温材料、试验平台喷淋管道，所述试验平台不锈钢腔内设有试验平台保温材料和试验平台喷淋管道，且试验平台保温材料位于试验平台不锈钢腔内壁与试验平台喷淋管道之间，所述试验平台喷淋管道与换热单元的输出端相连。
17.作为优选的技术方案，所述测试平台单元还包括抽气管路、开关阀、真空泵、排气调节管路，所述抽气管路、排气调节管路均与试验平台不锈钢腔相通，所述抽气管路上设有开关阀和真空泵，所述排气调节管路上设有排气调节阀。
18.作为优选的技术方案，所述氮气管路上设有氮气调节阀，所述液氮管路上设有液氮调节阀。
19.作为优选的技术方案，还包括控制器，所述换热器出气管道上设有第一温度传感器，所述第一温度传感器、加热单元与控制器电性连接。
20.作为优选的技术方案，所述试验平台不锈钢腔上还设有压力表。
21.本实用新型的优点在于：
22.(1)本实用新型中，通过将液氮汽化为常温氮气与液氮混合，通过调节两者的混合比例即调节阀门的开度进行控温，常温以下温区控温不消耗电能，同时液氮和氮气都来自液氮储存装置，氮气是通过液氮经空浴式汽化器换热得到，相当于氮气是以液氮形式存储，压缩比大，节省储气罐空间，通过将低温单元、加热单元、换热单元位于测试平台单元外侧，在升降温过程中无运动部件工作，系统可靠性高，维修性好，同时主体部件均位于腔体外部，可最大化使用内部空间。
23.(2)本实用新型中，通过换热器紫铜筛板的设置，由于紫铜材料导热系数高，增加了氮气和液氮的换热效率，筛板整个面上均匀打孔是为了氮气和液氮能自由通过的同时增加流速，提高换热系数，设置多层筛板也是为了增加气液接触时间，提高了换热效率。
24.(3)本实用新型中，将液氮向换热器下方喷洒，使其与向上流动的气体接触面积增大，达到均匀接触换热效果。
附图说明
25.图1为本实用新型实施例提供的一种可控温的大流量低温换热装置的原理流程结构示意图；
26.附图标号：1、换热器进气管道；2、换热器保温材料；3、换热器不锈钢腔体；4、换热器紫铜筛板；5、换热器液氮喷淋管；6、换热器出气管道；7、第一温度传感器；8、进气调节阀；9、试验平台不锈钢腔；10、试验平台保温材料；11、试验平台喷淋管道；12、开关阀；13、真空泵；14、第二温度传感器；15、第三温度传感器；16、第四温度传感器；17、排气调节阀；18、安全阀；19、压力表；20、氮气调节阀；21、液氮调节阀；22、液氮储存装置；23、汽化器；24、氮气加热器；25、第五温度控制器；26、第六温度传感器；27、第七温度传感器。
具体实施方式
27.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
28.参阅图1，一种可控温的大流量低温换热装置，包括低温单元、加热单元、换热单元、测试平台单元，低温单元、加热单元、换热单元均位于测试平台单元外侧，此装置主体部件均位于测试平台单元腔体外部，可最大化使用内部空间，使用外置式换热装置及加热单元、换热单元，通过控制液氮与常温氮气混合比例实现氮气控温，常温以下温区控温不消耗电能；
29.低温单元连接有两个输出管路，加热单元用于对其中一个管路进行加热，使从液氮汽化形成氮气，使得两个输出管路输出的分别为氮气和液氮，两个输出管路的输出端均与换热单元连接，换热单元包括一个换热器腔体，液氮管路连接在换热器腔体顶部，并从其顶部进入，氮气管路连接在换热器腔体底部，并从其底部进入，液氮和氮气在换热器腔体内混合，并自换热器腔体顶部输出目标温度氮气，换热器腔体通过出气管路与测试平台单元
相连，测试平台单元用于验证内绝热系统的施工工艺和绝热效果，测试平台单元为一个密闭的腔体结构，内设有试验平台喷淋管道11，试验平台喷淋管道11形状与腔体结构内壁相同，且与内壁之间留有缝隙，试验平台喷淋管道11上开设有多个喷淋孔，测试平台单元的内壁固定有试验平台保温材料10，试验平台保温材料10位于腔体结构内壁和试验平台喷淋管道11之间；
30.低温单元包括液氮调节阀21、液氮储存装置22、空浴式汽化器23、氮气调节阀20及两个输出管路，两个输出管路分别与液氮储存装置22相连，分别为液氮管路和氮气管路，液氮管路上设有液氮调节阀21，氮气管路上设有空浴式汽化器23、氮气调节阀20，本实施例中，液氮储存装置22包括液氮储槽或液氮槽车，液氮储存装置22为系统提供冷量来源，同时液氮储存装置22带有自增压功能，可以为使用设备提供目标压力的低温氮气，液氮储存装置22能提供的最低温度为77k左右，从液氮储槽出来的液氮分成两路，一路为液氮路通过液氮调节阀21提供给换热单元使用，液氮调节阀21可以调节液氮流量，另一路液氮经过空浴式汽化器23换热成常温氮气后通过氮气调节阀20提供给装置使用，氮气调节阀20可以调节氮气流量；
31.加热单元包括氮气加热器24、第五温度控制器25、第六温度传感器26和第七温度传感器27，第五温度控制器25与氮气加热器24电性连接，氮气加热器24设于氮气管路外侧，氮气加热器24上设有第六温度传感器26，氮气管路上设有第七温度传感器27，经空浴式汽化器23出来后的常温氮气可通过加热单元加热为高温氮气进入换热单元，温度控制是以氮气加热器24出口的第七温度传感器27的读数为反馈点，温度控制器通过pid算法调节输出功率进行控温，第六温度传感器26安装于氮气加热器24内部，实时监测氮气加热器24内部温度，防止温度过高损坏氮气加热器24，通过加热单元的设置，在升温过程中无运动部件工作，系统可靠性高，维修性好；
32.换热单元包括换热器进气管道1、换热器保温材料2、换热器不锈钢腔体3、换热器紫铜筛板4、换热器液氮喷淋管5、换热器出气管道6、第一温度传感器7、调节阀8，换热器不锈钢腔体3外侧设有换热器保温材料2，换热器不锈钢腔体3内设有多个换热器紫铜筛板4，液氮管路伸入换热器不锈钢腔体3内的一端固定连接有换热器液氮喷淋管5，换热器不锈钢腔体3顶部设有换热器出气管道6，换热器出气管道6上设有第一温度传感器7，换热器出气管道6另一端与测试平台单元相连，换热器出气管道6上设有进气调节阀8，换热单元为气、液混合换热提供场所，液氮经换热器液氮喷淋管5从换热器不锈钢腔体3顶部输入，换热器液氮喷淋管5设置喷淋孔，液氮通过喷淋孔向下方喷淋，氮气经换热器进气管道1从换热器不锈钢腔体3底部进，向上喷出。液氮和氮气之间设置多层紫铜板，板上开设多个小孔，本实施例中，以一百个为例，但开孔数量不限于此，铜板作用是增加液氮与氮气的接触时间，增强换热。混合换热后的氮气从换热器不锈钢腔体3顶部引出，经过进气调节阀8进入测试平台；换热器不锈钢腔体3、换热器进气管道1、换热器液氮喷淋管5、换热器出气管道6做保温处理，可以采用聚氨酯发泡保温或者真空多层绝热保温，换热器出气管道6出口设置第一温度传感器7实时监测出气温度，温度调节通过液氮调节阀21与氮气调节阀20二者开度比例、控制液氮和氮气的混合比例实现，通过液氮调节阀21和氮气调节阀20的开关大即可小控制氮气流量；
33.其中，换热器不锈钢腔体3、氮气管路、液氮管路、出气管路外表面均需要保温处
理，氮气管路伸入换热器不锈钢腔体3的一端为进气口，液氮管路伸入换热器不锈钢腔体3的一端为进液口，换热器出气管道6与换热器不锈钢腔体3相连的一端为出气口，通过聚氨酯发泡或真空和多层超级绝热方式与外界绝热；换热器不锈钢腔体3材质为304不锈钢材质，不锈钢材质耐低温、强度高、导热系数小，换热器液氮喷淋管5的喷口为喷嘴结构，液氮管路主管道横向伸入不锈钢腔内部，主管道端部使用盲板焊死，换热器液氮喷淋管5中下部均匀打多个小孔，目的就是让液氮向换热器下方喷洒出来，与向上流动的气体接触面积大，达到均匀接触换热效果，进气口从换热器正下方进入，气体从下向上吹；换热器不锈钢腔体3的进气口和进液口之间设置多层紫铜材质的筛板，紫铜材料导热系数高，增加氮气和液氮的换热效率，筛板整个面上均匀打孔是为了氮气和液氮能自由通过的同时增加流速，提高换热系数，设置多层筛板也是为了增加气液接触时间，提高换热效率；出气口设置在换热器正上方，充分混合换热后的氮气从出气口排出进入试验平台；
34.测试平台单元包括试验平台不锈钢腔9、试验平台保温材料10、试验平台喷淋管道11、开关阀12、真空泵13、第二温度传感器14、第三温度传感器15、第四温度传感器16、排气调节阀17、安全阀18、压力表19，试验平台保温材料10为内绝热保温材料，测试平台单元单元用于验证内绝热系统的施工工艺和绝热效果，喷淋管道喷淋范围覆盖绝热材料全域范围，保证升降温过程中温度均匀性，试验平台不锈钢腔9内固定连接一批试验平台喷淋管道11，试验平台喷淋管道11上沿其周面设置有多个喷淋孔，试验平台不锈钢腔9腔体内壁固定连接有试验平台保温材料10，试验平台不锈钢腔9上设有与其相连通的抽气管路、排气调节管路、安全管路，抽气管路上设有开关阀12和真空泵13，排气调节管路上设有排气调节阀17，安全管路上设有安全阀18，试验平台不锈钢腔9侧壁由下至上设有第二温度传感器14、第三温度传感器15、第四温度传感器16，试验平台不锈钢腔9顶部设有压力表19，用于测量试验平台不锈钢腔9内的压力。
35.试验平台测试分四个阶段：
36.(1)系统流洗：开启氮气调节阀20、进气调节阀8、排气调节阀17，使用常温氮气对系统吹扫2小时，关闭氮气调节阀20、进气调节阀8、排气调节阀17，开启开关阀12、真空泵13，对系统抽空，吹扫、抽空过程反复3次，流洗结束；
37.(2)系统降温：降温过程实行分段缓慢降温，避免对绝热材料造成太大温度冲击，实时调整降温氮气温度，防止降温氮气与绝热材料表面温度温差过大，具体操作为液氮调节阀21与氮气调节阀20的开度比例、控制液氮和氮气的混合比例实现试验平台进气温度t6的控制，打开进气调节阀8、排气调节阀17，降温过程中，采用低温氮气动态吹扫的过程实现；
38.(3)系统增压：在系统降温的基础上，通过进气调节阀8和排气调节阀17的开度，控制测试平台进气量和排气量实现增压、稳压和控温；
39.(4)系统回温：开启氮气调节阀20、进气调节阀8、排气调节阀17，打开氮气加热器24，使用热氮气吹扫加速回温。
40.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：

1.一种可控温的大流量低温换热装置，其特征在于，包括低温单元、加热单元、换热单元、测试平台单元，所述低温单元、加热单元、换热单元位于测试平台单元外侧，所述低温单元包括液氮储存装置(22)、汽化器(23)、液氮管路、氮气管路，所述液氮储存装置(22)通过液氮管路和氮气管路与换热单元连通，所述氮气管路上设有汽化器(23)，所述加热单元设于氮气管路外侧，所述换热单元对自换热单元顶部输入的液氮和自换热单元底部输入的氮气混合换热，并将混合后的氮气输入测试平台单元，所述液氮管路、氮气管路均设有控制阀门。2.根据权利要求1所述的一种可控温的大流量低温换热装置，其特征在于，所述换热单元包括换热器进气管道(1)、换热器不锈钢腔体(3)、换热器紫铜筛板(4)、换热器液氮喷淋管(5)、换热器出气管道(6)，所述氮气管路为换热器进气管道(1)，所述液氮管路伸入换热器不锈钢腔体(3)的一端固接有换热器液氮喷淋管(5)，所述换热器不锈钢腔体(3)内固接有表面成型有通孔的换热器紫铜筛板(4)，所述换热器液氮喷淋管(5)位于换热器进气管道(1)上方，且两者通过换热器紫铜筛板(4)接触换热。3.根据权利要求2所述的一种可控温的大流量低温换热装置，其特征在于，所述换热单元还包括换热器保温材料(2)，所述换热器不锈钢腔体(3)外侧设有换热器保温材料(2)，且换热器进气管道(1)、液氮管路、换热器出气管道(6)外侧均设有保温材料。4.根据权利要求2所述的一种可控温的大流量低温换热装置，其特征在于，所述换热器液氮喷淋管(5)、出气管路与换热器不锈钢腔体(3)相连的一端均位于换热器不锈钢腔体(3)顶部，所述换热器进气管道(1)与换热器不锈钢腔体(3)相连的一端位于换热器不锈钢腔体(3)底部。5.根据权利要求1所述的一种可控温的大流量低温换热装置，其特征在于，所述加热单元包括氮气加热器(24)、第五温度控制器(25)、第六温度传感器(26)、第七温度传感器(27)，所述氮气加热器(24)设于氮气管路外侧，所述氮气加热器(24)上设有第六温度传感器(26)，所述氮气管路上设有第七温度传感器(27)。6.根据权利要求1所述的一种可控温的大流量低温换热装置，其特征在于，所述测试平台单元包括试验平台不锈钢腔(9)、试验平台保温材料(10)、试验平台喷淋管道(11)，所述试验平台不锈钢腔(9)内设有试验平台保温材料(10)和试验平台喷淋管道(11)，且试验平台保温材料(10)位于试验平台不锈钢腔(9)内壁与试验平台喷淋管道(11)之间，所述试验平台喷淋管道(11)与换热单元的输出端相连。7.根据权利要求6所述的一种可控温的大流量低温换热装置，其特征在于，所述测试平台单元还包括抽气管路、开关阀(12)、真空泵(13)、排气调节管路，所述抽气管路、排气调节管路均与试验平台不锈钢腔(9)相通，所述抽气管路上设有开关阀(12)和真空泵(13)，所述排气调节管路上设有排气调节阀(17)。8.根据权利要求1所述的一种可控温的大流量低温换热装置，其特征在于，所述氮气管路上设有氮气调节阀(20)，所述液氮管路上设有液氮调节阀(21)。9.根据权利要求3所述的一种可控温的大流量低温换热装置，其特征在于，还包括控制器，所述换热器出气管道(6)上设有第一温度传感器(7)，所述第一温度传感器(7)、加热单元与控制器电性连接。10.根据权利要求6所述的一种可控温的大流量低温换热装置，其特征在于，所述试验
平台不锈钢腔(9)上还设有压力表(19)。

技术总结

本实用新型公开了一种可控温的大流量低温换热装置，包括低温单元、加热单元、换热单元、测试平台单元，所述低温单元、加热单元、换热单元位于测试平台单元外侧，所述低温单元包括液氮储存装置、汽化器、液氮管路、氮气管路。本实用新型中，通过将液氮汽化为常温氮气与液氮混合，通过调节两者的混合比例即调节阀门的开度进行控温，常温以下温区控温不消耗电能，同时液氮和氮气都来自液氮储存装置，氮气是通过液氮经空浴式汽化器换热得到，相当于氮气是以液氮形式存储，压缩比大，节省储气罐空间，通过将低温单元、加热单元、换热单元位于测试平台单元外侧，可升降温过程中无运动部件工作，提高了系统可靠性高。提高了系统可靠性高。提高了系统可靠性高。