一种回热式气体闭式循环制冷加热调温系统技术方案

本发明专利技术涉及一种回热式气体闭式循环制冷加热调温系统，该系统包括循环风机、气体排空口、三通道回热器、水冷换热器、液氮流量控制阀、液氮储槽、液氮换热器、加热器、加热截止阀、制冷截止阀、通用截止阀、汽化器、热沉、传感器及管路。系统采用氮气或空气等气体作为循环工质，通过循环风机使气体在密闭循环系统管道中进行循环，循环气体对热沉等被控温部件进行冷却或加热，循环气体在高温循环时采用加热器对气体进行加热控温，在低温循环时采用液氮对气体进行冷却控温；采用回热原理，利用三通道回热器对流出热沉等被控温部件的气体的冷量或热量进行回收；既使热沉等被控温部件从-173℃～+200℃宽范围调温，又能降低流程能耗和运行成本。

【技术实现步骤摘要】
一种回热式气体闭式循环制冷加热调温系统
本专利技术涉及一种回热式气体闭式循环制冷加热调温系统，该系统可用于空间环境模拟试验设备温度环境实现的控温系统，对环境模拟设备热沉从-173℃～200℃进行精确控温；也可用于制冷、化工等需要加热和制冷的领域。
技术介绍
空间环境模拟试验设备是模拟外太空空间真空和高低温环境的设备，其高低温环境由具有一定温度的热沉通过辐射热交换实现。为了获得高低温环境，就必须将热沉控制在所需的特定温度，这就需要通过各种控温流程的工作对热沉温度进行控制。根据热沉及空间环境模拟试验设备要求的温度区间不同，目前采用的各种控温系统包括液氮循环控温、蒸汽压缩循环制冷控温、气体调温等。液氮循环控温只能在100K附近对热沉实现控温，蒸汽压缩循环制冷控温能够实现-70℃至120℃范围对热沉的控温。但在许多情况下，空间环境模拟试验温度需要从-173℃～+150℃十分宽的范围内变化，液氮、压缩制冷流程均很难满足这种需求，而氮气、空气等气体作为循环工质，在-173℃～+150℃范围内可以稳定可靠工作，这就是气体调温。但现有的气体调温系统为开式循环，气体从热沉出口直排到大气，冷量消耗和加热电耗都很大，很不经济且还存在升降温速率小等缺点。
技术实现思路
针对现有调温系统的缺点，本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种空间环境模拟试验设备热沉调温系统，该系统可用于对环境模拟设备热沉从-173℃～200℃进行宽范围精确控温；系统也可用于制冷、化工等需要加热和制冷的领域。系统采用氮气或空气等气体作为循环工质，通过循环风机使气体在密闭循环系统管道中进行循环，循环气体对热沉等被控温部件进行冷却或加热，使热沉等被控温部件从-173℃～+200℃宽范围调温；循环气体在高温循环时采用加热器对气体进行加热控温，在低温循环时采用液氮对气体进行冷却控温；系统采用了回热原理，利用三通道回热器(一种换热器)对流出热沉等被控温部件的气体的冷量或热量进行回收，降低流程能耗和运行成本；同时，回热器的使用，使得进入循环风机的气体处于常温状态，循环风机在常温下工作，改善了风机的使用环境，提高了风机的运行可靠性；密闭循环气体在大于1kg/cm2(绝对压力)的压力状态运行，使得循环气体的密度和雷诺数(Re)增大，从而增大了换热系数，提高了热沉等被控温部件的升降温速率，更好地满足空间环境模拟试验的需求。系统的工作过程为：(1)加热循环过程流出热沉或其他被控温结构的低压返流高温气体在三通道回热器中与从循环风机来的常温气体换热，返流气降至常温后进入循环风机增压，循环风机输出的增压气体经过水冷换热器，压缩热被冷却水带走，降低温度后进入三通道回热器，与热沉出来的高温气体进行热交换，回收低压返流气体热量，增压气体温度又升至与流出热沉时接近的温度，通过加热截止阀进入加热器，加热至所需温度后进入热沉，对热沉进行加热，完成循环。如此不断循环，通过控制进入热沉气体的温度，满足对热沉温度控制要求。本循环利用回热原理充分回收返流气的热量，以降低加热功率；且返流气通过换热器回热后，温度从热沉出口的高温降到常温，以满足压气机对进气温度的要求。流程启动前，开启汽化器通过对循环管路进行充气，使管道内气体压力达到所需值：绝对压力大于1kg/cm2，小于8kg/cm2。另外，在流程工作过程中，管路可能会存在气体微漏致使循环压力下降，此时汽化器可对循环管路补气。(2)制冷循环过程流出热沉或其他被控温结构的低压返流低温气体在三通道回热器中与从循环风机来的常温增压气体换热，返流气升至常温后进入循环风机增压，循环风机输出的增压气体经过水冷换热器，压缩热被冷却水带走，降低温度后进入三通道回热器，与热沉出来的低温气体以及液氮换热器流出的低温气体进行热交换，回收低压返流气体冷量，增压气体温度又降至与流出热沉时接近的温度，通过制冷截止阀进入液氮换热器，利用液氮的潜热和显热对气体降温，通过控制进入液氮换热器的液氮流量控制被冷却气体的温度，被冷却至所需温度后进入热沉，对热沉进行冷却至所需温度，完成循环。进入液氮换热器作为冷源的液氮通过流量控制阀控制流量，液氮升温汽化后流入三通道回热器回收冷量，最后以常温常压状态气体排出三通道回热器并从气体排空口排空，使冷量得到充分利用。如此不断循环，通过控制进入热沉气体的温度，满足对热沉温度控制要求。本循环利用回热原理充分回收返流气的冷量，并且在气体循环的常温段进行气体排空以减少冷量损失，以降低液氮的消耗量。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：一种回热式气体闭式循环制冷加热调温系统，包括循环风机、排空口、三通道回热器、水冷换热器、液氮流量控制阀、液氮换热器、通用截止阀、制冷截止阀、加热截止阀、加热器、传感器、热沉或其他被控温结构、液氮储槽、汽化器及管道。液氮换热器和加热器并联方式下，其连接关系为：热沉或其他被控温结构进口通过管道与流程的出口相连，热沉出口连接三通道回热器第一通道进口，三通道回热器的第一通道出口与循环风机进口相连，循环风机出口与水冷换热器气侧进口相连，水冷换热器气侧出口与三通道回热器的第二通道进口相连；水冷换热器水侧通冷却循环水；三通道回热器的第二通道出口通过制冷截止阀和加热截止阀分别与液氮换热器第一通道进口及加热器进口相连；液氮换热器第二通道液氮进口通过液氮流量控制阀连接液氮储槽；液氮换热器第二通道氮气出口与三通道回热器的第三通道进口相连，三通道回热器的第三通道出口连接排空口；液氮换热器第一通道出口和加热器出口并联至流程出口并与热沉或其他被控温结构相连；汽化器将液氮汽化为常温氮气，通过管道连接至循环风机出口向系统管路充气；传感器安装在流程管路上，包括温度、压力、流量传感器，用于测量流程中状态参数并对流程中气体参数进行控制。一种回热式气体闭式循环制冷加热调温方法，包括如下步骤：步骤一：将液氮储槽增压至高于系统循环压力值；大于1kg/cm2(绝对压力)，小于8kg/cm2(绝对压力)；步骤二：根据热沉或其它被控温结构的控温需求，若控温目标值高于室温，则进行加热循环，执行步骤三；若控温目标值低于室温，则进行制冷循环，执行步骤四；步骤三：打开汽化器进出口阀，对系统管路充气至所需压力值；开启加热截止阀，关闭制冷截止阀；开启循环风机和水冷换热器循环冷却水，开启加热器；根据传感器测量的数据对加热功率进行调节以控制进入热沉的气体温度，从而控制热沉的温度；流出热沉的低压返流高温气体在三通道回热器中与从循环风机来的常温增压气体换热，返流气降至常温后进入循环风机，气体在循环风机中被增压，增压压比不大于2.0，增压气体经过水冷换热器，压缩热被冷却水带走，温度降低至常温后进入三通道回热器，与从热沉来的低压返流高温气体进行热交换，回收低压返流气体热量，增压气体温度又升至与流出热沉时接近的温度，完成了气体的增压和回热过程；从三通道换热器第二通道出来的气体通过加热截止阀进入加热器，在加热器中升温至所需温度后进入热沉，对热沉进行加热，之后流出热沉完成循环；加热器对气体的加热可根据传感器测量的数据对加热功率进行自动控制；在加热循环工作过程中，管路及各部件可能会存在气体微漏致使循环压力下降，此时汽化器可对循环管路进行补气；利用三通道回热器充分回收了返流气的热量，降低了加热功率；且返流气通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种回热式气体闭式循环制冷加热调温系统，其特征在于：包括循环风机、排空口、三通道回热器、水冷换热器、液氮流量控制阀、液氮换热器、通用截止阀、制冷截止阀、加热截止阀、加热器、传感器、热沉或其他被控温结构、液氮储槽、汽化器及管道；液氮换热器和加热器并联方式下，其连接关系为：热沉或其他被控温结构进口通过管道与流程的出口相连，热沉出口连接三通道回热器第一通道进口，三通道回热器的第一通道出口与循环风机进口相连，循环风机出口与水冷换热器气侧进口相连，水冷换热器气侧出口与三通道回热器的第二通道进口相连；水冷换热器水侧通冷却循环水；三通道回热器的第二通道出口通过制冷截止阀和加热截止阀分别与液氮换热器第一通道进口及加热器进口相连；液氮换热器第二通道液氮进口通过液氮流量控制阀连接液氮储槽；液氮换热器第二通道氮气出口与三通道回热器的第三通道进口相连，三通道回热器的第三通道出口连接排空口；液氮换热器第一通道出口和加热器出口并联至流程出口并与热沉或其他被控温结构相连；汽化器将液氮汽化为常温氮气，通过管道连接至循环风机出口向系统管路充气；传感器安装在流程管路上，包括温度、压力、流量传感器，用于测量流程中状态参数并对流程中气体参数进行控制。...

【技术特征摘要】
1.一种回热式气体闭式循环制冷加热调温系统，其特征在于：包括循环风机、排空口、三通道回热器、水冷换热器、液氮流量控制阀、液氮换热器、通用截止阀、制冷截止阀、加热截止阀、加热器、传感器、热沉或其他被控温结构、液氮储槽、汽化器及管道；液氮换热器和加热器并联方式下，其连接关系为：热沉或其他被控温结构进口通过管道与流程的出口相连，热沉或其他被控温结构出口连接三通道回热器第一通道进口，三通道回热器的第一通道出口与循环风机进口相连，循环风机出口与水冷换热器气侧进口相连，水冷换热器气侧出口与三通道回热器的第二通道进口相连；水冷换热器水侧通冷却循环水；三通道回热器的第二通道出口通过制冷截止阀和加热截止阀分别与液氮换热器第一通道进口及加热器进口相连；液氮换热器第二通道液氮进口通过液氮流量控制阀连接液氮储槽；液氮换热器第二通道氮气出口与三通道回热器的第三通道进口相连，三通道回热器的第三通道出口连接排空口；液氮换热器第一通道出口和加热器出口并联至流程出口并与热沉或其他被控温结构相连；汽化器将液氮汽化为常温氮气，通过管道连接至循环风机出口向系统管路充气；传感器安装在流程管路上，包括温度、压力、流量传感器，用于测量流程中状态参数并对流程中气体参数进行控制。2.如权利要求1所述的一种回热式气体闭式循环制冷加热调温系统，其特征在于：加热器与液氮换热器连接关系改为串联时，将加热截止阀和制冷截止阀合并为一个通用截止阀，即：热沉或其他被控温结构出口连接三通道回热器第一通道进口，三通道回热器的第一通道出口与循环风机进口相连，循环风机出口与水冷换热器气侧进口相连，水冷换热器气侧出口与三通道回热器的第二通道进口相连，水冷换热器水侧通冷却循环水；三通道回热器的第二通道出口通过通用截止阀与液氮换热器气体进口串连，液氮换热器出口和加热器入口串联，加热器出口与热沉或其他被控温结构进口管路相连接，热沉或其他被控温结构进口管路上设传感器，汽化器一侧连接液氮储槽，一侧通过管道连接至循环风机出口；串联的液氮换热器和加热器的前后顺序可调换。3.一种回热式气体闭式循环制冷加热调温方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：将液氮储槽增压至高于系统循环压力值：绝对压力大于1kg/cm2且小于8kg/cm2；步骤二：根据热沉或其它被控温结构的控温需求，若控温目标值高于室温，则进行加热循环，执行步骤三；若控温目标值低于室温，则进行制冷循环，执行步骤四；步骤三：打开汽化器进出口阀，对系统管路充气至所需压力值；开启加热截止阀，关闭制冷截止阀；开启循环风机和水冷换热器循环冷却水，开启加热器；根据传感器测量的数据对加热功率进行调节以控制进入热沉或其他被控温结构的气体温度，从而控制热沉或其他被控温结构的温度；流出热沉或其他被控温结构的低压返流高温气体在...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建斌，魏迎春，闫格，柏树，王龙龙，
申请(专利权)人：兰州华宇航天技术应用有限责任公司，兰州空间技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃;62