一种用于管路结构环境模拟的制冷及增压系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型是一种用于管路结构环境模拟的制冷及增压系统。包括：高压氦气入口(16)、一级回热换热器(7)、二级回热换热器(10)、液氮换热器(8)、液氦换热器(9)；其中，高压氦气入口(16)输入常温高压氦气，依次经过一级回热换热器(7)、液氮换热器(8)、二级回热换热器(10)、液氦换热器(9)之后输出至测试对象；测试对象回气依次经过二级回热换热器(10)、一级回热换热器(7)之后再次进行循环；液氮经过液氮换热器(8)后回收，液氦依次经过液氦换热器(9)、二级回热换热器(10)、一级回热换热器(7)之后进行回收。可模拟压力及低温的综合环境，也可以模拟高压、低温、降温、升温的实际环境。
【专利说明】一种用于管路结构环境模拟的制冷及增压系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于利用液氮及液氦多级制冷及其控制方法，可用于管路、壳体、舱等结构的压力及低温环境模拟，属于制冷系统设计和控制的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]管路系统是管、管连接件、阀门和管路支架等连接成的用于输送气体、液体或带固体颗粒的流体的装置。随着我国工业的迅速发展，管路系统已越来越广泛地应用于给排水、供热、供气、长距离输送、农业灌溉、水力工程等各种工业装置中。在航空航天领域，发动机管路主要用于液压油、燃料、滑油和空气等介质的输送，是发动机附件装置的重要组成部分。低温管路向出口提供所需条件(一定温度、压力、流量等)的低温液体，在LNG船舶、液体推进剂火箭及其地面加注系统、航天器空间环境模拟设备等领域中应用广泛。
[0003]由于使用环境的振动以及温度、压力等外部环境剧烈变化的影响，这些综合环境往往会造成管路系统经常会发生各种各样的振动故障，甚至引发管路的破坏而造成严重事故。因此，在管路系统的设计阶段首先要全面考虑管路系统的特性，而验证设计合理性的手段就就是模拟真实的工作环境，并开展环境试验。试验结果将直接暴露设计缺陷，将更有效的指导设计，因此管路环境模拟系统的实施具有很大的理论价值和工程实际意义。
[0004]本实用新型提供一种用于管路结构环境模拟的制冷及增压系统，用循环氦气对试验件进行冷却和增压，制冷可以满足液氮温度以上的低温区，以及液氮温度以下的深低温区，压力可调节。针对深低温区，本实用新型充分利用液氦出口及测试对象出口的冷量，使用回温技术降低液氦使用量，并提高制冷效率。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的是提供一种用于管路结构环境模拟的制冷及增压系统，用循环氦气对试验件进行冷却和增压，制冷可以满足液氮温度以上的低温区，以及液氮温度以下的深低温区，压力可调节。另外，本实用新型提供的一种用于管路结构环境模拟的制冷及增压系统还可用于腔体、贮槽、舱室等结构的工作环境模拟。
[0006]本实用新型是一种用于管路结构环境模拟的制冷及增压系统，其中，包括:高压氦气入口、一级回热换热器、二级回热换热器、液氮换热器、液氦换热器；其中，高压氦气入口输入常温高压氦气，依次经过一级回热换热器、液氮换热器、二级回热换热器、液氦换热器之后输出至测试对象；测试对象回气依次经过二级回热换热器、一级回热换热器之后再次进行循环；液氮经过液氮换热器后回收，液氦依次经过液氦换热器、二级回热换热器、一级回热换热器之后进行回收；
[0007]其中，一级回热换热器利用液氦及测试对象回气的冷量将常温循环氦气初步预冷，二级回热换热器利用液氦出气及测试对象回气冷量进一步冷却循环氦气；液氮换热器用于循环氦气及液氮的换热，液氦换热器用于循环氦气及液氦的换热。
[0008]如上所述的一种用于管路结构环境模拟的制冷及增压系统，其中，还包括:氦气循环泵；缓冲罐截止阀；缓冲罐；旁通阀；常温进气阀；常温回气阀；主路流量计；旁通流量计；氦气排气阀；
[0009]低温进气阀；低温回气阀；入口温度；入口压力；出口温度；排气阀；高压氦气入口 ；高压氦气阀；液氮阀；液氮入口 ；液氮出口 ；液氦阀；液氦入口 ；液氦出口 ；氦气回收装置；
[0010]并且，一级回热换热器包括:一级回热换热器液氦入口 ；一级回热换热器液氦出口 ；一级回热换热器常温氦气入口 ；一级回热换热器常温氦气出口 ；一级回热换热器循环氦气回气入口 ；一级回热换热器循环氦气回气出口 ；
[0011]液氮换热器包括:液氮换热器氦气入口 ；液氮换热器氦气出口 ；液氮换热器液氮入口 ；液氮换热器液氮出口；
[0012]液氦换热器包括:液氦换热器液氦入口 ；液氦换热器液氦出口 ；液氦换热器氦气入口 ；液氦换热器氦气出口；
[0013]二级回热换热器包括:二级回热换热器液氦入口 ；二级回热换热器液氦出口 ；二级回热换热器氦气入口 ；二级回热换热器氦气出口 ；二级回热换热器循环氦气回气入口 ；二级回热换热器循环氦气回气出口；
[0014]其中，氦气循环泵是动力源；循环氦气经液氮换热器及液氦换热器将液氮及液氦产生的冷量带至测试对象；氦气循环泵用于驱动氦气在管路及测试对象内循环，并交换液氮及液氦的冷量冷却测试对象；
[0015]缓冲罐稳定氦气循环泵产生的流量及压力的脉动；缓冲罐的上端设置了高压氦气阀及高压氦气入口，用于高压氦气的输入；缓冲罐的下端设置了缓冲罐截止阀；
[0016]所述的一级回热换热器、液氮换热器、液氦换热器、二级回热换热器集成在杜瓦内；
[0017]氦气循环泵出口与缓冲罐截止阀、常温进气阀、旁通流量计连通，缓冲罐截止阀的另一端与缓冲罐连通，高压氦气阀连接了缓冲罐及高压氦气入口 ；
[0018]常温进气阀连接了氦气循环泵与主路流量计，主路流量计的另一端与杜瓦内的一级回热换热器上的一级回热换热器常温氦气入口相连，一级回热换热器常温氦气出口与液氮换热器氦气入口连通，液氮换热器氦气出口与二级回热换热器氦气入口相连，二级回热换热器氦气出口与液氦换热器氦气入口相连；低温进气阀两端分别连接了液氦换热器氦气出口与入口温度及入口压力测试点；低温回气阀连接了测试对象排气口与二级回热换热器循环氦气回气入口 ；二级回热换热器循环氦气回气出口与一级回热换热器循环氦气回气入口相连，一级回热换热器循环氦气回气出口与常温回气阀及排气阀相连；循环氦气泵的回气口与旁通阀及旁通阀相连；旁通阀另一端连接了旁通流量计；
[0019]对于液氦回路,液氦阀两端连接液氦入口及液氦换热器液氦入口，液氦换热器液氦出口连接二级回热换热器液氦入口，二级回热换热器液氦出口与一级回热换热器液氦入口相连，氦气排气阀连接了一级回热换热器液氦出口及液氦出口，液氦出口设置在氦气回收装置上；
[0020]系统内的循环氦气设置了两条支路，分别使用主路流量计及旁通流量计监测氦气流量；主路内氦气用于携带液氮及液氦的冷量冷却测试对象，主路总流量可以通过调节旁通阀调节；
[0021]主路的循环氦气表述如下:由氦气循环泵产生的高压氦气经常温进气阀调整压力，并由主路流量计显示流量，从一级回热换热器常温氦气入口进入一级回热换热器，从一级回热换热器常温氦气出口排出后经液氮换热器氦气入口进入液氮换热器与液氮充分换热；循环氦气从液氮换热器氦气出口排出后经二级回热换热器氦气入口进入二级回热换热器，并由二级回热换热器氦气出口排出经液氦换热器氦气入口进入液氦换热器；从液氦换热器氦气出口排出的循环氦气在低温进气阀调整后进入测试对象，并监测入口温度及入口压力；测试对象排出的循环氦气经低温回气阀调整后经二级回热换热器循环氦气回气入口进入二级回热换热器并由二级回热换热器循环氦气回气出口排出；此后，循环氦气经一级回热换热器循环氦气回气入口进入一级回热换热器与初始的循环氦气换热；从一级回热换热器循环氦气回气出口排出后经常温回气阀回至氦气循环泵完成循环；
[0022]旁通路的氦气循环表述如下:由氦气循环泵产生的高压氦气部分经旁通阀调整后直接回至氦气循环泵，此路流量由旁通流量计监测。
[0023]本实用新型提出一种用于管路结构环境模拟的制冷及增压系统，其优点在于，系统使用液氮及液氦双级制冷，并通过高压氦气增压，系统中使用缓冲罐起到稳压作用，可模拟压力及低温的综合环境，也可以模拟高压、低温、降温、升温的实际环境。系统设置了主路及支路，可以通过旁通阀调整主路流量，实现调节测试对象温差的目的。系统设置了一级回热换热器、二级回热换热器，充分利用液氦及试件内循环氦气的回温冷量，将循环氦气初步制冷，实现减少液氦用量，并提高制冷效率的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1用于管路结构环境模拟的制冷及增压系统原理；
[0025]图2低温区环境模拟流程；
[0026]图3深低温区环境模拟流程。
[0027]I氦气循环泵；2缓冲罐截止阀；3缓冲罐；4旁通阀；4a常温进气阀；4b常温回气阀；5a主路流量计；5b旁通流量计；6氦气排气阀；7 —级回热换热器；7a —级回热换热器液氦入口 ；7b —级回热换热器液氦出口 ；7c —级回热换热器常温氦气入口 ；7d—级回热换热器常温氦气出口 ；7e—级回热换热器循环氦气回气入口 ；7f—级回热换热器循环氦气回气出口 ；8液氮换热器；8a液氮换热器氦气入口 ；8b液氮换热器氦气出口 ；8c液氮换热器液氮入口 ；8d液氮换热器液氮出口 ；9液氦换热器；9a液氦换热器液氦入口 ；9b液氦换热器液氦出口 ；9c液氦换热器氦气入口 ；9d液氦换热器氦气出口 ；10 二级回热换热器；1a 二级回热换热器液氦入口 ；10b 二级回热换热器液氦出口 ；10c 二级回热换热器氦气入口 ；10d 二级回热换热器氦气出口 ；10e 二级回热换热器循环氦气回气入口 ；10f 二级回热换热器循环氦气回气出口 ；lla低温进气阀；llb低温回气阀；12入口温度；13入口压力；14出口温度；15排气阀；16高压氦气入口 ；16a高压氦气阀；17液氮阀；18a液氮入口 ；18b液氮出口 ；19液氦阀；20a液氦入口 ；20b液氦出口 ；21氦气回收装置。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和实施例对本实用新型进行进一步描述。
[0029]如图1所示，一种用于管路结构环境模拟的制冷及增压系统，使用循环氦气对试验件进行冷却和增压，可以实现液氮温度以上的低温区及液氮温区以下液氦温区以上的深低温区，并实现压力的精确调节。
[0030]包括氦气循环泵I ;缓冲罐截止阀2 ;缓冲罐3 ;旁通阀4 ;常温进气阀4a ;常温回气阀4b ;主路流量计5a ;旁通流量计5b ;氦气排气阀6 级回热换热器7 ;—级回热换热器液氦入口 7a ;—级回热换热器液氦出口 7b ;一级回热换热器常温氦气入口 7c 级回热换热器常温氦气出口 7d ;一级回热换热器循环氦气回气入口 7e ;—级回热换热器循环氦气回气出口 7f ;液氮换热器8 ;液氮换热器氦气入口 8a ;液氮换热器氦气出口 8b ;液氮换热器液氮入口 8c ;液氮换热器液氮出口 8d ;液氦换热器9 ;液氦换热器液氦入口 9a ;液氦换热器液氦出口 9b ;液氦换热器氦气入口 9c ;液氦换热器氦气出口 9d ;二级回热换热器10 ;二级回热换热器液氦入口 1a ;二级回热换热器液氦出口 1b ;二级回热换热器氦气入口 1c ；二级回热换热器氦气出口 1d ;二级回热换热器循环氦气回气入口 1e ;二级回热换热器循环氦气回气出口 1f ;低温进气阀Ila ;低温回气阀Ilb ;入口温度12 ;入口压力13 ;出口温度14 ;排气阀15 ;高压氦气入口 16 ;高压氦气阀16a ;液氮阀17 ;液氮入口 18a ;液氮出口18b ;液氦阀19 ;液氦入口 20a ;液氦出口 20b ;氦气回收装置21。
[0031]其中，氦气循环泵I是动力源，使氦气克服流体阻力在管路内循环，并实现要求的流量。循环氦气经液氮换热器8及液氦换热器9将液氮及液氦产生的冷量带至测试对象。氦气循环泵I用于驱动氦气在管路及测试对象内循环，并交换液氮及液氦的冷量冷却测试对象。
[0032]缓冲罐3用于稳定氦气循环泵I产生的流量及压力的脉动，也对系统增压、降压过程起到缓冲作用，使压力和流量不产生突变。缓冲罐3的上端设置了高压氦气阀16a及高压氦气入口 16，用于高压氦气的输入，实现增压的目的。缓冲罐3的下端设置了缓冲罐截止阀2，当试验结束后关闭缓冲罐截止阀2，可以将缓冲罐3内的氦气存储，以备下次试验使用，主要目的是节省氦气的使用量，并缩短管路内气体置换的时间。缓冲罐3利用气体可压缩和膨胀的特性，交替的储存或释放，达到减少管路中流量和压力脉动的目的。
[0033]为降低系统漏热，所述的一级回热换热器7、液氮换热器8、液氦换热器9、二级回热换热器10集成在杜瓦内。
[0034]一级回热换热器7利用液氦及测试对象回气的冷量将常温循环氦气初步预冷，二级回热换热器10利用液氦出气及测试对象回气冷量进一步冷却循环氦气。液氮换热器用于循环氦气及液氮的换热，液氦换热器用于循环氦气及液氦的换热。
[0035]—级回热换热器7设置了一级回热换热器液氦入口 7a、一级回热换热器液氦出口7b、一级回热换热器常温氦气入口 7c、一级回热换热器常温氦气出口 7d、一级回热换热器循环氦气回气入口 7e、一级回热换热器循环氦气回气出口 7f ；
[0036]液氮换热器8设置了液氮换热器氦气入口 8a、液氮换热器氦气出口 8b、液氮换热器液氮入口 8c、液氮换热器液氮出口 8d ；
[0037]液氦换热器9设置了液氦换热器液氦入口 9a、液氦换热器液氦出口 9b、液氦换热器氦气入口 9c、液氦换热器氦气出口 9d;
[0038]二级回热换热器10设置了二级回热换热器液氦入口 10a、二级回热换热器液氦出口 10b、二级回热换热器氦气入口 10c、二级回热换热器氦气出口 10d、二级回热换热器循环氦气回气入口 10e、二级回热换热器循环氦气回气出口 1f。
[0039]氦气循环泵I出口与缓冲罐截止阀2、常温进气阀4a、旁通流量计5b连通，缓冲罐截止阀2的另一端与缓冲罐3连通，高压氦气阀16a连接了缓冲罐3及高压氦气入口 16。
[0040]常温进气阀4a连接了氦气循环泵I与主路流量计5a，主路流量计5a的另一端与杜瓦内的一级回热换热器7上的一级回热换热器常温氦气入口 7c相连，一级回热换热器常温氦气出口 7d与液氮换热器氦气入口 8a连通，液氮换热器氦气出口 8b与二级回热换热器氦气入口 1c相连，二级回热换热器氦气出口 1d与液氦换热器氦气入口 9c相连。低温进气阀Ila两端分别连接了液氦换热器氦气出口 9d与入口温度12及入口压力13测试点。低温回气阀Ilb连接了测试对象排气口与二级回热换热器循环氦气回气入口 10e。二级回热换热器循环氦气回气出口 1f与一级回热换热器循环氦气回气入口 7e相连，一级回热换热器循环氦气回气出口 7f与常温回气阀4b及排气阀15相连。循环氦气泵I的回气口与旁通阀4及旁通阀4相连。旁通阀4另一端连接了旁通流量计5b。
[0041]对于液氦回路,液氦阀19两端连接液氦入口 20a及液氦换热器液氦入口 9a，液氦换热器液氦出口 9b连接二级回热换热器液氦入口 10a，二级回热换热器液氦出口 1b与一级回热换热器液氦入口 7a相连，氦气排气阀6连接了一级回热换热器液氦出口 7b及液氦出口 20b，液氦出口 20b设置在氦气回收装置21上。
[0042]系统内的循环氦气设置了两条支路，分别使用主路流量计5a及旁通流量计5b监测氦气流量。主路内氦气用于携带液氮及液氦的冷量冷却测试对象，主路总流量可以通过调节旁通阀4调节。
[0043]主路的循环氦气表述如下:由氦气循环泵I产生的高压氦气经常温进气阀4a调整压力，并由主路流量计5a显示流量，从一级回热换热器常温氦气入口 7c进入一级回热换热器7，从一级回热换热器常温氦气出口 7d排出后经液氮换热器氦气入口 8a进入液氮换热器8与液氮充分换热。循环氦气从液氮换热器氦气出口 8b排出后经二级回热换热器氦气入口1c进入二级回热换热器10，并由二级回热换热器氦气出口 1d排出经液氦换热器氦气入口 9c进入液氦换热器9。从液氦换热器氦气出口 9d排出的循环氦气在低温进气阀Ila调整后进入测试对象，并监测入口温度12及入口压力13。测试对象排出的循环氦气经低温回气阀Ilb调整后经二级回热换热器循环氦气回气入口 1e进入二级回热换热器10并由二级回热换热器循环氦气回气出口 1f排出。此后,循环氦气经一级回热换热器循环氦气回气入口 7e进入一级回热换热器7与初始的循环氦气换热。从一级回热换热器循环氦气回气出口 7f排出后经常温回气阀4b回至氦气循环泵I完成循环。
[0044]旁通路的氦气循环表述如下:由氦气循环泵I产生的高压氦气部分经旁通阀4调整后直接回至氦气循环泵1，此路流量由旁通流量计5b监测。
[0045]液氮注入实施方案如下:液氮由液氮入口 18a进入，并经液氮阀17调整流量，通过液氮换热器液氮入口 8c进入液氮换热器8，在液氮换热器8内，液氮与循环氦气充分换热。液氮吸热气化，经液氮换热器液氮出口 8d并通过液氮出口 18b排出。
[0046]液氦注入实施方案如下:液氦由液氦入口 20a进入管路，经液氦阀19调节流量，由液氦换热器液氦入口 9a进入液氦换热器9。在液氦换热器9内，液氦与循环氦气充分热交换。循环氦气由液氦换热器液氦出口 ％排出，后经二级回热换热器液氦入口 1a进入二级回热换热器10，在二级回热换热器10内，循环氦气的回气均与液氦的排出气体均与循环氦气的进气热交换。循环氦气由二级回热换热器液氦出口 1b排出后经一级回热换热器液氦入口 7a进入一级回热换热器7，由一级回热换热器液氦出口 7b排出后经氦气排气阀6调整，并由液氦出口 20b进入氦气回收装置21。液氦的流量可以由液氦阀19及氦气排气阀6调整。
[0047]测试对象内部的压力，也即循环氦气的压力可以由高压氦气及排气阀共同调整，当循环氦气压力较低时，高压氦气经高压氦气入口进入，并经高压氦气阀调节压力后进入缓冲罐，稳压后经缓冲罐截止阀进入循环氦气管路。当循环氦气压力较高时，打开排气阀排气，并监测测试对象的入口压力，到达目标值后，关闭排气阀。因为缓冲罐的稳压作用，整个调整过程，压力及流量改变较为平稳。
[0048]测试对象内部的温度，分为液氮温度以上的低温区，以及液氮温度以下液氦温度以上的深低温区。当需要模拟的温度环境为低温区环境，则关闭液氦阀停止液氦供应，仅需液氮提供冷量。当需要模拟的温度环境为深低温区环境，则需要液氦供应。
[0049]进行模拟的过程首先总结如下:
[0050](I)管路内气体置换:试验准备阶段结束后通过高压氦气入口增压直至增至置换压力，稳压一段时间后通过排气阀排气，排气结束后检测真空度是否达到要求，如果未达到则再次充压并排气重复上述过程直至达到真空度要求。
[0051](2)系统增压:通过氦气入口增压直至增至试验要求的目标压力，并通过入口压力监测，若为达到试验要求的目标压力则继续充压，若超过目标压力则通过排气阀排气减压。
[0052](3)系统降温:通过液氮入口加入液氮，启动循环氦气泵，循环氦气在液氮换热器内与液氮热交换，循环氦气将冷量带入测试对象。
[0053]当试验为深低温区模拟时，在上述温度降至液氮温区后，液氦通过液氦入口进入管路，循环氦气与液氦在液氦换热器换热，循环氦气将液氦的冷量带入测试对象。当试验为低温区模拟时，则不需要上述液氦供应的操作。
[0054]因为过程中循环氦气受冷体积减小，压力降低，当入口压力检测到压力降低时，通过高压氦气入口增压直至入口温度及入口压力均达到试验要求。
[0055](4)出入口温差调整:通过入口压力及出口压力监测测试对象的出入口温差，当温度差较大时，调整旁通阀并监测主路流量计，随着主路流量的增加测试对象的出入口温差减小，直至到达试验要求。
[0056](5)试验达到要求时间后，关闭缓冲罐截止阀，停止氦气循环泵，通过排气阀排气降压，测试对象自然回温，试验结束。
[0057]本实用新型提出一种用于管路结构环境模拟的制冷及增压系统，其优点在于，系统使用液氮及液氦双级制冷，并通过高压氦气增压，系统中使用缓冲罐起到稳压作用，可模拟压力及低温的综合环境，也可以模拟高压、低温、降温、升温的实际环境。系统设置了主路及支路，可以通过旁通阀调整主路流量，实现调节测试对象温差的目的。系统设置了一级回热换热器、二级回热换热器，充分利用液氦及试件内循环氦气的回温冷量，将循环氦气初步制冷，实现减少液氦用量，并提高制冷效率的目的。
[0058]具体过程说明如下:
[0059]低温区环境模拟流程参照图2:
[0060](I)试验准备阶段，连接测试对象、高压氦气入口 16处的外置气源、液氮入口 18a处的液氮源、液氦入口 20a的液氦，确认主路流量计5a、旁通流量计5b、入口温度12传感器、入口压力13传感器、出口温度14传感器正常工作。
[0061](2)通过高压氦气入口 16注入高压氦气，并通过高压氦气阀16a调整后进入缓冲罐3，由缓冲罐截止阀2进入循环管路，实现置换过程的增压。该过程中通过入口压力13监测压力，当压力超过目标压力时，开启排气阀15排气。压力增至置换压力后，关闭高压氦气阀16a，稳定压力一段时间，无压力变化后，开启排气阀15排气。泄压后检测真空度，如未达到真空度要求，则重新增压并排气，直至达到真空度要求。
[0062](3)通过高压氦气入口 16注入高压氦气，实现制冷过程的增压。通过入口压力13监测压力，当压力超过目标压力时，开启排气阀15排气。液氮由液氮入口 18a进入，并经液氮阀17调整流量，通过液氮换热器液氮入口 Sc进入液氮换热器8，气化后由液氮换热器液氮出口 8d并经液氮出口 18b排出。
[0063](4)启动氦气循环泵1，循环氦气在液氮换热器8内与液氮充分换热，并携带冷量冷却液氦换热器9、测试对象、二级回热换热器10及一级回热换热器7。由于温度降低，循环氦气的压力将有所降低，根据入口压力13监测，当压力降低时，通过高压氦气入口 16注入高压氦气稳定压力。根据入口温度12监测温度直至温度降至目标值。当入口温度12高于目标温度时，加大液氮阀17的开度，增加液氮流量；当入口温度12低于目标温度时，减小液氮阀17的开度，降低液氮流量。
[0064]根据测试对象的出入口温差要求，通过入口温度12及出口温度14测试温差。当测试温差大于目标温差时，减小旁通阀4的开度，增加主路流量(可通过主路流量计5a监测)，直至测试温差达到目标温差。当测试温差小于目标温差时，增大旁通阀4的开度，减小主路流量(可通过主路流量计5a监测)，增加支路流量(可通过旁通流量计5b监测)，直至测试温差达到目标温差。根据试验要求，维持温度、压力、温差的要求，完成试验时间，直至试验结束。
[0065](5)试验结束后，开启排气阀15排气减压，测试对象自然回温，通过入口温度12监测，直至测试对象升至自然温度。
[0066]深低温区环境模拟流程参照图3:
[0067](I)试验准备阶段，连接测试对象、高压氦气入口 16处的外置气源、液氮入口 18a处的液氮源、液氦入口 20a的液氦，确认主路流量计5a、旁通流量计5b、入口温度12传感器、入口压力13传感器、出口温度14传感器正常工作。
[0068](2)通过高压氦气入口 16注入高压氦气，并通过高压氦气阀16a调整后进入缓冲罐3，由缓冲罐截止阀2进入循环管路，实现置换过程的增压。该过程中通过入口压力13监测压力，当压力超过目标压力时，开启排气阀15排气。压力增至置换压力后，关闭高压氦气阀16a，稳定压力一段时间，无压力变化后，开启排气阀15排气。泄压后检测真空度，如未达到真空度要求，则重新增压并排气，直至达到真空度要求。
[0069](3)通过高压氦气入口 16注入高压氦气，实现制冷过程的增压。通过入口压力13监测压力，当压力超过目标压力时，开启排气阀15排气。液氮由液氮入口 18a进入，并经液氮阀17调整流量，通过液氮换热器液氮入口 Sc进入液氮换热器8，气化后由液氮换热器液氮出口 8d并经液氮出口 18b排出。
[0070](4)启动氦气循环泵1，循环氦气在液氮换热器8内与液氮充分换热，并携带冷量冷却液氦换热器9、测试对象、二级回热换热器10及一级回热换热器7。由于温度降低，循环氦气的压力将有所降低，根据入口压力13监测，当压力降低时，通过高压氦气入口 16注入高压氦气稳定压力。根据入口温度12监测温度直至测试对象的温度降至液氮温区。当入口温度12高于液氮温区时，加大液氮阀17的开度，增加液氮流量；当入口温度12低于液氮温区时，减小液氮阀17的开度，降低液氮流量。
[0071](5)通过液氦入口 20a向管路内注入液氦，经液氦阀19调节流量，由液氦换热器液氦入口 9a进入液氦换热器9。在液氦换热器9内，液氦吸收循环氦气的热量,升温气化,循环氦气将液氦的冷量带至测试对象。
[0072]根据入口温度12监测测试对象温度直至温度降至目标值。当入口温度12高于目标温度时，加大液氦阀19的开度，增加液氦流量；当入口温度12低于目标温度时，减小液氦阀19的开度，降低液氦流量。
[0073]根据测试对象的出入口温差要求，通过入口温度12及出口温度14测试温差。当测试温差大于目标温差时，减小旁通阀4的开度，增加主路流量(可通过主路流量计5a监测)，直至测试温差达到目标温差。当测试温差小于目标温差时，增大旁通阀4的开度，减小主路流量(可通过主路流量计5a监测)，增加支路流量(可通过旁通流量计5b监测)，直至测试温差达到目标温差。根据试验要求，维持温度、压力、温差的要求，完成试验时间，直至试验结束。
[0074](6)试验结束后，开启排气阀15排气减压，测试对象自然回温，关闭液氦阀19停止液氦供应。通过入口温度12监测，直至测试对象升至自然温度。
[0075]上面对本实用新型的实施例作了详细说明，上述实施方式仅为本实用新型的最优实施例，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。
【权利要求】
1.一种用于管路结构环境模拟的制冷及增压系统，其特征在于，包括:高压氦气入口(16)、一级回热换热器(7)、二级回热换热器(10)、液氮换热器(8)、液氦换热器(9);其中，高压氦气入口(16)输入常温高压氦气，依次经过一级回热换热器(7)、液氮换热器(8)、二级回热换热器(10)、液氦换热器(9)之后输出至测试对象；测试对象回气依次经过二级回热换热器(10)、一级回热换热器(7)之后再次进行循环；液氮经过液氮换热器(8)后回收，液氦依次经过液氦换热器(9)、二级回热换热器(10)、一级回热换热器(7)之后进行回收； 其中，一级回热换热器(7)利用液氦及测试对象回气的冷量将常温循环氦气初步预冷，二级回热换热器(10)利用液氦出气及测试对象回气冷量进一步冷却循环氦气；液氮换热器(8)用于循环氦气及液氮的换热，液氦换热器(9)用于循环氦气及液氦的换热。
2.如权利要求1所述的一种用于管路结构环境模拟的制冷及增压系统，其特征在于，还包括:氦气循环泵⑴；缓冲罐截止阀⑵；缓冲罐⑶滂通阀⑷；常温进气阀(4a);常温回气阀(4b);主路流量计(5a);旁通流量计(5b);氦气排气阀(6)； 低温进气阀(Ila);低温回气阀(Ilb);入口温度(12);入口压力(13);出口温度(14)；排气阀(15);高压氦气入口 (16);高压氦气阀(16a);液氮阀(17);液氮入口 (18a);液氮出口 (18b);液氦阀(19);液氦入口 (20a);液氦出口 (20b);氦气回收装置(21)； 并且，一级回热换热器(7)包括:一级回热换热器液氦入口(7a);—级回热换热器液氦出口(7b)级回热换热器常温氦气入口(7c)级回热换热器常温氦气出口(7d);—级回热换热器循环氦气回气入口(7e);—级回热换热器循环氦气回气出口(7f)； 液氮换热器(8)包括:液氮换热器氦气入口(8a);液氮换热器氦气出口(8b);液氮换热器液氮入口(8c);液氮换热器液氮出口(8d)； 液氦换热器(9)包括:液氦换热器液氦入口(9a);液氦换热器液氦出口(9b);液氦换热器氦气入口(9c);液氦换热器氦气出口(9d)； 二级回热换热器(10)包括:二级回热换热器液氦入口(1a) ;二级回热换热器液氦出口(1b) ;二级回热换热器氦气入口(1c) ;二级回热换热器氦气出口(1d) ;二级回热换热器循环氦气回气入口(1e) ;二级回热换热器循环氦气回气出口(1f)； 其中，氦气循环泵(I)是动力源；循环氦气经液氮换热器(8)及液氦换热器(9)将液氮及液氦产生的冷量带至测试对象；氦气循环泵(I)用于驱动氦气在管路及测试对象内循环，并交换液氮及液氦的冷量冷却测试对象； 缓冲罐(3)稳定氦气循环泵(I)产生的流量及压力的脉动；缓冲罐(3)的上端设置了高压氦气阀(16a)及高压氦气入口(16)，用于高压氦气的输入；缓冲罐(3)的下端设置了缓冲罐截止阀⑵； 所述的一级回热换热器(7)、液氮换热器(8)、液氦换热器(9)、二级回热换热器(10)集成在杜瓦内； 氦气循环泵(I)出口与缓冲罐截止阀(2)、常温进气阀(4a)、旁通流量计(5b)连通，缓冲罐截止阀(2)的另一端与缓冲罐(3)连通，高压氦气阀(16a)连接了缓冲罐(3)及高压氦气入口 (16)； 常温进气阀(4a)连接了氦气循环泵(I)与主路流量计(5a)，主路流量计(5a)的另一端与杜瓦内的一级回热换热器(7)上的一级回热换热器常温氦气入口(7c)相连，一级回热换热器常温氦气出口(7d)与液氮换热器氦气入口(8a)连通,液氮换热器氦气出口(8b)与二级回热换热器氦气入口(1c)相连,二级回热换热器氦气出口(1d)与液氦换热器氦气入口(9c)相连；低温进气阀(Ila)两端分别连接了液氦换热器氦气出口(9d)与入口温度(12)及入口压力(13)测试点；低温回气阀(Ilb)连接了测试对象排气口与二级回热换热器循环氦气回气入口(1e) ;二级回热换热器循环氦气回气出口(1f)与一级回热换热器循环氦气回气入口(7e)相连，一级回热换热器循环氦气回气出口(7f)与常温回气阀(4b)及排气阀(15)相连；循环氦气泵⑴的回气口与旁通阀⑷及旁通阀⑷相连；旁通阀(4)另一端连接了旁通流量计(5b)； 对于液氦回路，液氦阀(19)两端连接液氦入口(20a)及液氦换热器液氦入口(9a)，液氦换热器液氦出口(9b)连接二级回热换热器液氦入口(1a)，二级回热换热器液氦出口(1b)与一级回热换热器液氦入口(7a)相连,氦气排气阀(6)连接了一级回热换热器液氦出口(7b)及液氦出口(20b)，液氦出口(20b)设置在氦气回收装置(21)上； 系统内的循环氦气设置了两条支路，分别使用主路流量计(5a)及旁通流量计(5b)监测氦气流量；主路内氦气用于携带液氮及液氦的冷量冷却测试对象，主路总流量可以通过调节旁通阀⑷调节； 主路的循环氦气表述如下:由氦气循环泵(I)产生的高压氦气经常温进气阀(4a)调整压力，并由主路流量计(5a)显示流量，从一级回热换热器常温氦气入口(7c)进入一级回热换热器(7),从一级回热换热器常温氦气出口(7d)排出后经液氮换热器氦气入口(8a)进入液氮换热器(8)与液氮充分换热；循环氦气从液氮换热器氦气出口(8b)排出后经二级回热换热器氦气入口(1c)进入二级回热换热器(10)，并由二级回热换热器氦气出口(1d)排出经液氦换热器氦气入口(9c)进入液氦换热器(9);从液氦换热器氦气出口(9d)排出的循环氦气在低温进气阀(Ila)调整后进入测试对象，并监测入口温度(12)及入口压力(13);测试对象排出的循环氦气经低温回气阀(Ilb)调整后经二级回热换热器循环氦气回气入口(1e)进入二级回热换热器(10)并由二级回热换热器循环氦气回气出口(1f)排出；此后，循环氦气经一级回热换热器循环氦气回气入口(7e)进入一级回热换热器(7)与初始的循环氦气换热；从一级回热换热器循环氦气回气出口(7f)排出后经常温回气阀(4b)回至氦气循环泵(I)完成循环； 旁通路的氦气循环表述如下:由氦气循环泵(I)产生的高压氦气部分经旁通阀(4)调整后直接回至氦气循环泵(I)，此路流量由旁通流量计(5b)监测。
【文档编号】G01M99/00GK204008175SQ201420439686
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】严鲁涛, 李红, 苏玉磊, 周家屹, 卞荣耀, 刘玥 申请人:天津航天瑞莱科技有限公司, 北京航天斯达新技术装备公司, 北京强度环境研究所, 中国运载火箭技术研究院