用于大型环模设备的大气量多级空气复压系统及方法

技术领域

本发明一般涉及环境试验技术领域，具体涉及一种用于大型环模设备的大气量多级空气复压系统及方法。

背景技术

随着航天技术不断进步，航天器的环境模拟试验设备朝着大型化和综合化方向发展。环境模拟试验设备主要为真空热试验设备，其通过真空泵组将真空容器抽至需要的真空度，再利用热沉提供冷黑背景。试验完成之后，对热沉进行回温，并对真空容器进行复压操作，此时虽有手段可将热沉回温，但热沉回温效果并不均匀，且罐内的工装和试验件等设备无法进行回温，而空气进入后会在这些设备表面凝结出大量的液态水，不仅损坏罐内设备，还会因水分子吸附在罐内材料表面，给真空抽气带来困难。

目前，相关技术采用的方式是先通入少量氮气，并待各设备温度恢复至常温后再利用空气复压。该方式虽然可以解决结露和气体吸附问题，但这会极大地增加复压时间，降低试验效率，具有局限性。

发明内容

鉴于相关技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种用于大型环模设备的大气量多级空气复压系统及方法，能够高效复压，同时保障使用安全，不会造成人员窒息。

第一方面，本申请提供一种用于大型环模设备的大气量多级空气复压系统，所述复压系统包括相连接的进气装置、一级冷凝器、气水分离器、二级冷凝器、接触容器、液氮分离器、减压阀、复压阀和环境模拟真空容器；

所述进气装置用于将空气压缩至第一预设压力值和预设温度状态；所述一级冷凝器的壳程用于对所述第一预设压力值和预设温度状态的压缩空气进行换热，获得降温至第一温度的压缩空气；所述气水分离器用于将所述第一温度的压缩空气中液态水分离；所述二级冷凝器的壳程用于对经过所述气水分离器的压缩空气进行换热，获得降温至第二温度的压缩空气；所述接触容器用于将内部存储的液氮与所述第二温度的压缩空气进行直接接触，获得降温至第三温度的压缩空气：

所述液氮分离器用于将所述第三温度的压缩空气中液氮或者凝结冰分离出去，获得干空气；所述二级冷凝器的管程用于将所述干空气升温至第四温度；所述一级冷凝器的管程用于将所述第四温度的干空气升温至第五温度；所述减压阀用于将所述第五温度的干空气减压至常压，同时等熵膨胀降温后，通过所述复压阀进入所述环境模拟真空容器。

可选地，在本申请一些实施例中，所述进气装置包括依次连接的过滤器、空压机和单向阀，所述过滤器用于滤除空气中的固体颗粒物杂质，所述空压机用于压缩空气。

可选地，在本申请一些实施例中，所述空压机为无油型空压机。

可选地，在本申请一些实施例中，所述空压机的排量通过下式计算：

式(1)中，Q

可选地，在本申请一些实施例中，所述空压机的工作压力范围为0.5MPa～1MPa。

可选地，在本申请一些实施例中，所述过滤器的进气流量通过下式计算：

式(2)中，Q

可选地，在本申请一些实施例中，所述复压系统还包括与所述接触容器相连接的压力传感器、气氮阀门、补液阀和液氮储槽，所述液氮储槽利用自增压将液氮通过所述补液阀补充至所述接触容器。

可选地，在本申请一些实施例中，所述复压系统还包括与所述接触容器相连接的液位计和控制器，所述控制器用于根据所述液位计发送的低液位信号，控制所述补液阀开启，以使所述液氮储槽可对所述接触容器进行补液。

可选地，在本申请一些实施例中，所述一级冷凝器和所述气水分离器均设有排水阀。

第二方面，本申请提供一种复压方法，所述方法用于第一方面所述的复压系统，所述方法包括：

关闭复压系统中减压阀，防止高压破坏真空阀门，开启所述复压系统中气氮阀门，并将所述复压系统中液氮储槽内的氮气通入所述复压系统，以利用所述液氮储槽的自增压使所述复压系统中压力传感器的压力指示值提升至第二预设压力值；

开启所述复压系统中排水阀，并排出所述复压系统内残留空气；

关闭所述排水阀，以利用所述液氮储槽的自增压使所述压力传感器的压力指示值提升至第一预设压力值；

开启所述复压系统中补液阀，并通过所述液氮储槽向所述复压系统中接触容器进行补液；

开启所述复压系统中复压阀，并启动所述复压系统的进气装置，开启所述减压阀，获得常压的复压空气，以对环境模拟真空容器进行复压。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请实施例提供了一种用于大型环模设备的大气量多级空气复压系统及方法，该复压系统将常温空气经由进气装置、一级冷凝器、气水分离器、二级冷凝器、接触容器、液氮分离器和减压阀依次处理，能够获得干燥清洁的空气，露点温度低至液氮温区，从而该干燥清洁的空气通过复压阀进入环境模拟真空容器内部之后，不会造成结露现象，且该过程中液氮汽化量小，保证了复压气体中的空气量，不易导致窒息，确保使用安全，以及复压空气为常温空气，可以避免容器结露，同时整体气量大，复压迅速，充分利用了空压机的压缩热和液氮的汽化潜热，具有液氮耗量小和电耗量小的优势。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请实施例提供的一种用于大型环模设备的大气量多级空气复压系统的结构框图；

图2为本申请实施例提供的一种用于大型环模设备的大气量多级空气复压系统的具体示例；

图3为本申请实施例提供的一种用于大型环模设备的大气量多级空气复压系统的复压流程示意图。

附图标记：

100-复压系统，101-进气装置，1011-过滤器，1012-空压机，1013-单向阀，102-一级冷凝器，103-气水分离器，104-二级冷凝器，105-接触容器，1051-压力传感器，1052-气氮阀门，1053-补液阀，1054-液氮储槽，1055-液位计，1056-控制器，106-液氮分离器，107-减压阀，108-复压阀，109-环境模拟真空容器，110-排水阀。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为了便于理解和说明，下面通过图1至图3详细地阐述本申请实施例提供的用于大型环模设备的大气量多级空气复压系统及方法。

请参考图1，其为本申请实施例提供的一种用于大型环模设备的大气量多级空气复压系统的结构框图，该复压系统100包括相连接的进气装置101、一级冷凝器102、气水分离器103、二级冷凝器104、接触容器105、液氮分离器106、减压阀107、复压阀108和环境模拟真空容器109。例如，本申请实施例中环模设备可以为真空热环境模拟试验设备。

其中，①进气装置101能够将空气压缩至第一预设压力值和预设温度状态，例如第一预设压力值为1MPa，预设温度为300℃，这样设置的好处是高压气体有利于增加后续冷凝器的换热效率，同时降低复压时间。进一步地，该进气装置101可以包括依次连接的过滤器1011、空压机1012和单向阀1013，该过滤器1011能够滤除空气中的固体颗粒物杂质，净化复压空气，同时避免损坏空压机1012等设备，而该空压机1012能够压缩空气，例如空压机1012可以为无油型空压机，其选型依据待复压环境模拟真空容器109的容积大小和复压时间来确定，过滤器1011则依据空压机1012的流量来确定，以及单向阀1013可以在复压过程中防止高压气体倒流。

②一级冷凝器102的壳程能够对第一预设压力值和预设温度状态的压缩空气进行换热，获得降温至第一温度的压缩空气，例如第一温度为10℃以下，在这个过程中，压缩空气的绝大部分水分被冷凝成液态水，当液态水积累到一定量之后，通过一级冷凝器102底部的排水阀110减压排出。

③气水分离器103能够将第一温度的压缩空气中液态水分离，避免在二级冷凝器104中凝结，同时该气水分离器103的底部也可设有排水阀110，以在液态水积累过多后经其减压排出。

④二级冷凝器104的壳程能够对经过气水分离器103的压缩空气进行进一步冷却换热，获得降温至第二温度的压缩空气，例如第二温度为120K左右，接近液氮温区，这个过程能够进一步除去压缩空气中的水分，并降低其温度，减少了后续接触液氮时的液氮耗量。

⑤接触容器105能够将内部存储的液氮与第二温度的压缩空气进行直接接触，获得降温至第三温度的压缩空气。由于用气量很大，冷凝器难免存在换热不均匀的情况，为避免该情况下压缩空气中残留杂质，同时对汽化的液氮进行利用，故而本申请实施例在接触容器105中将空气和液氮直接接触。该接触容器105是一个保温性能很好的压力容器，容器中装有液氮，压缩空气由接触容器105底部流入，与液氮进行充分接触，该过程中压缩空气被降温至液氮温区，1MPa的液氮沸点约105K，此温度下可以将压缩空气的露点温度降至液氮温区，即便接触未回温的热沉和试件，也不会造成结露现象。同时，液氮吸收热量汽化产生氮气，经过二级冷凝器104的压缩空气温度越低，液氮汽化量越少，相应的液氮耗量也越少。

进一步地，本申请实施例中复压系统100还可以包括与该接触容器105相连接的压力传感器1051、气氮阀门1052、补液阀1053和液氮储槽1054，该液氮储槽1054能够利用自增压将液氮通过补液阀1053补充至接触容器105，例如该液氮储槽1054可以将自身压力提升至1MPa，由此能够保证液氮顺利流入接触容器105。

进一步地，本申请实施例中复压系统100还可以包括与该接触容器105相连接的液位计1055和控制器1056，该控制器1056能够根据液位计1055发送的低液位信号，控制补液阀1053开启，以使液氮储槽1054可对接触容器105进行补液。

⑥液氮分离器106能够将第三温度的压缩空气中液氮或者凝结冰分离出去，即分离掉空气与氮气混合气流中裹挟的液氮或少量水凝结成的冰，从而获得干空气。由于此处分离出的液氮会慢慢蒸发，冰的量也不会很大，故而液氮分离器106无需对固体和液体设置引出结构。

⑦二级冷凝器104的管程能够将干空气升温至第四温度。经过液氮分离器106之后，压缩空气为绝对干燥洁净的高压低温空气，此时氮含量略有提升，但由于二级冷凝器104的冷却，液氮汽化不会太多，故而氮气含量不会过高，其温度为105K左右。低温气体进入二级冷凝器104的管程后，为压缩空气提供冷量，同时将自身适度加热，为一级冷凝做准备。经过二级冷凝器104后，干空气温度升高至0℃左右，由于该流程中难免有漏热情况，经过二级冷凝器104后的干空气温度应略低于0℃，从而保证进入一级冷凝器102后有足够的冷量。

⑧一级冷凝器102的管程能够将第四温度的干空气升温至第五温度，即0℃左右的高压冷空气经过二级冷凝器104的管程后进入一级冷凝器102的管程，为一级冷凝器102提供冷量，同时自身继续升温，而经过一级冷凝器102后，干空气升温至接近300℃。

⑨减压阀107能够将第五温度的干空气减压至常压，同时等熵膨胀降温后，通过复压阀108进入环境模拟真空容器109。经过减压阀107减压的空气自身会膨胀降温，即降至常压后，温度也恢复至室温上下。

需要说明的是，经过上述处理过程得到的空气干燥清洁，湿度极低，露点温度低于110K，空气内杂质直径≤3μm，以及氮气比例不高于90％，同时复压气体为常温空气，从而不会造成环境模拟真空容器内部结露，且不易导致窒息。另外，通过充分利用液氮的汽化潜热，能够使液氮耗量小，复压气量大。

下面结合图2所示，对本申请实施例中复压系统100的工作原理进行详细说明。首先，复压系统100从大气中取气，空气经过过滤器1011后进入空压机1012，并在空压机1012内压缩至高温高压。空压机1012的工作压力p

式(1)中，Q

空压机1012选用清洁无油的空压机，由此能够防止油污进入复压系统100内。而过滤器1011依据进气流量选配，其进气流量Q

式(2)中，Q

进一步地，空压机1012压缩空气的过程为一个等熵过程，经过压缩的空气温度T

式(3)中，T

当压缩至1MPa时，压缩空气温度T

式(4)中，m

水在300K温度下饱和蒸汽压为3361Pa，依据式(4)可以计算出单位质量(1kg)的饱和空气中水蒸气约为20.6g，占比为2％。在10℃，水的饱和蒸汽压约为1000Pa，依据式(4)可以计算出此时水蒸汽约为0.8g。

进一步地，在一级冷凝器102中高温的压缩空气和二级冷凝器104流出的0℃左右压缩空气进行换热，提高空气压力可以大幅提高换热效率。在降温过程中，单位时间内压缩空气释放的热量Q

Q

式(5)中，Q

而水冷凝释放的热量Q

Q

式(6)中，Q

对于单位质量的压缩空气，从580K降温到10℃的过程中，释放热量约为307kJ，相变放热约为40kJ，共约347kJ。压缩空气的绝大部分水分被冷凝为液态水，当液态水积累到一定量后，通过一级冷凝器102底部的排水阀110减压排出。

示例性地，本申请实施例中一级冷凝器102可选用管式换热器，该换热器为逆流设计，压缩空气走壳程，经过接触容器105和二级冷凝器104的干燥空气走管程。压缩空气在壳程被冷却、水蒸汽冷凝，干燥空气在管程被加热。依据式(1)得到的空气流量和式(5)得到的单位质量换热量可以计算出换热器的换热量，再依据换热器两端的温差和换热器热阻可以计算出换热器的换热面积，进而可以设计出相应的换热器。由于换热器的设计是成熟技术，此处不再赘述。

经过一级冷凝器102的压缩空气流入气水分离器103中，以将液态水分离。该气水分离器103选用带排水阀110的产品，从而能够在液态水积累过多后经其减压排出。

通过气水分离器103的压缩空气流入二级冷凝器104的壳程当中，进行进一步冷却换热，使得压缩空气温度降至120K左右，接近液氮温区。依据式(5)和式(6)可以计算出，这个过程中单位质量(1kg)的压缩空气放热约为173kJ。

二级冷凝器104同样也可以选用管式换热器，该换热器为逆流设计，压缩空气走壳程，经过接触容器105的干燥空气走管程。压缩空气在壳程被冷却，干燥空气在管程被加热。同理，和一级冷凝器102一样，依据式(1)得到的空气流量和式(5)得到的单位质量换热量可以计算出换热器的换热量，再依据换热器两端的温差和换热器热阻可以计算出换热器的换热面积，进而可以设计出相应的换热器。由于大部分水在一级冷凝器102中排走，故而二级冷凝器104无需设置减压排水阀110，也就是说在复压过程结束后定期清理即可。

经过二级冷凝器104的压缩空气中水分含量很少，可以忽略，但由于用气量很大，为避免因冷凝器存在换热不均匀的情况，造成压缩空气中残留杂质，同时对汽化的液氮进行利用，故而在接触容器105中将空气和液氮直接接触。这个过程中，压缩空气由120K降温至105K，依据式(5)可以计算出1kg压缩空气的放热量约为18kJ。而液氮吸收热量，汽化为气氮，依据式(6)可以计算出吸收热量生成的气氮约为0.1kg。混合后，氮气占比约为88％。经过二级冷凝器104的压缩空气温度越低，液氮汽化量越少，相应的液氮耗量也越少，混合气体中氮气含量也越低。另外，该接触容器105可选用具有真空保温夹层的压力容器，以减少因容器漏热而导致的液氮汽化，同时应选用直径较大的容器，由此能够防止出现液泛现象。

在接触容器105中空气与氮气混合后流入液氮分离器106，通过该液氮分离器106能够将空气与氮气混合气流中裹挟的液氮或少量水凝结成的冰分离掉。该液氮分离器106可选用旋风分离器，其型号依据流量和压降进行确定。

经过液氮分离器106之后，压缩空气为绝对干燥洁净的高压低温空气，此时氮含量略有提升，但提高二级冷凝器104的冷却效果，液氮汽化不会太多，其温度为105K左右。低温气体进入二级冷凝器104的管程后，为压缩空气提供冷量，同时将自身适度加热，为一级冷凝做准备。依据式(5)可以计算出吸收压缩空气在二级冷凝器104中放出的热量后，混合干空气的温度能够提高到-15℃左右，可以为一级冷凝器102提供冷凝的冷量。

进一步地，依据式(5)可以计算出吸收压缩空气在一级冷凝器102中放出的热量后，混合干空气的温度能够提高到290℃左右，接近300℃。

进一步地，高温干空气流出一级冷凝器102后，经过减压阀107进行减压至常压，这个过程也可以近似等熵过程。依据式(3)，290℃、1MPa的高温高压干空气等熵膨胀至常压后，温度约为18℃，接近室温，此时不会因为温度过低而损坏罐内设备。最终，干空气经过复压阀108进入环境模拟真空容器109。

作为另一方面，本申请实施例提供一种复压方法，该复压方法可以用于图1～图2对应实施例的复压系统100。如图3所示，该复压方法具体包括如下步骤：

S101，关闭复压系统中减压阀，防止高压破坏真空阀门，开启复压系统中气氮阀门，并将复压系统中液氮储槽内的氮气通入复压系统，以利用液氮储槽的自增压使复压系统中压力传感器的压力指示值提升至第二预设压力值。

例如，本申请实施例中第二预设压力值可以为1.2atm。

S102，开启复压系统中排水阀，并排出复压系统内残留空气。

S103，关闭排水阀，以利用液氮储槽的自增压使压力传感器的压力指示值提升至第一预设压力值。

例如，本申请实施例中第一预设压力值可以为1MPa。

S104，开启复压系统中补液阀，并通过液氮储槽向复压系统中接触容器进行补液。

S105，开启复压系统中复压阀，并启动复压系统的进气装置，开启减压阀，获得常压的复压空气，以对环境模拟真空容器进行复压。

需要说明的是，本实施例中与其它实施例中相同步骤或者相同内容的说明，可以参照其它实施例中的描述，此处不再赘述。

本申请实施例提供的用于大型环模设备的大气量多级空气复压系统及方法，通过将常温空气经由进气装置、一级冷凝器、气水分离器、二级冷凝器、接触容器、液氮分离器和减压阀依次处理，能够获得干燥清洁的空气，露点温度低至液氮温区，从而该干燥清洁的空气通过复压阀进入环境模拟真空容器内部之后，不会造成结露现象，且该过程中液氮汽化量小，保证了复压气体中的空气量，不易导致窒息，确保使用安全，以及复压空气为常温空气，可以避免容器结露，同时整体气量大，复压迅速，充分利用了空压机的压缩热和液氮的汽化潜热，具有液氮耗量小和电耗量小的优势。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。