一种基于固氮冷却介质制备的低温装置
阅读说明：本技术 一种基于固氮冷却介质制备的低温装置 (Low temperature device based on preparation of nitrogen fixation cooling medium ) 是由 张涵 唐健 白亮 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于固氮冷却介质制备的低温装置,包括不锈钢外筒、防辐射屏、不锈钢筒体、非金属筒体、低温制冷组件和复合法兰盖板；不锈钢外筒和复合法兰盖板形成真空绝热室,真空绝热室设有筒状的防辐射屏,防辐射屏内设有筒状的氮气保护室,氮气保护室内设置有筒状的液氮室；液氮室的筒壁设有用于液氮室和氮气保护室连通的小孔；低温制冷组件的冷量传导至氮气保护室,再传导至液氮室后将液氮冷却至固氮；利用固氮的冷却特性,对大气进行有效降温处理。鉴于本发明的易实施特点,可以推广用于包括大气降温在内的多种低温工程应用中。(The invention discloses a low-temperature device prepared based on a nitrogen fixation cooling medium, which comprises a stainless steel outer cylinder, a radiation protection screen, a stainless steel cylinder, a non-metal cylinder, a low-temperature refrigeration assembly and a composite flange cover plate, wherein the stainless steel outer cylinder is connected with the radiation protection screen; the stainless steel outer cylinder and the composite flange cover plate form a vacuum heat insulation chamber, the vacuum heat insulation chamber is provided with a cylindrical radiation protection screen, a cylindrical nitrogen protection chamber is arranged in the radiation protection screen, and a cylindrical liquid nitrogen chamber is arranged in the nitrogen protection chamber; the wall of the liquid nitrogen chamber is provided with a small hole for communicating the liquid nitrogen chamber with the nitrogen protection chamber; the cold energy of the low-temperature refrigeration assembly is transmitted to the nitrogen protection chamber and then transmitted to the liquid nitrogen chamber, and then the liquid nitrogen is cooled to be fixed in nitrogen; and the cooling characteristic of the fixed nitrogen is utilized to effectively cool the atmosphere. In view of the easy implementation characteristics of the invention, the invention can be popularized and used in various low-temperature engineering applications including atmospheric cooling.)
技术领域
本发明涉及环境治理、低温工程等技术领域，具体涉及一种基于固氮冷却介质制备的低温装置。
背景技术
近年来许多文献研究结果显示秋冬季节雾霾天气的发生与大气中逆温层的存在有着密切的关系。由于秋冬季节，气温较低且无风天气较多，大气中由于工业生产和人类生活产生的悬浮颗粒污染物主要通过空气自下而上的垂直对流作用进行消散。空气垂直对流是一种主要依靠大气中随高度变化的温度梯度作用下的扩散流动现象。正常情况下，离地面越近的下层空气温度较高，上层空气温度较低，通常高度每上升100米温度下降约0.6℃。由于近地面低层热空气质量更轻，其在垂直方向上会自发地向上运动，形成空气垂直对流运动，近地面大气中的污染物随之向上流动后逐渐消散，因此能随时间实现自净化。大气中的逆温现象是指随高度变化的大气温度与正常温度梯度相反的一种现象，由于多种原因导致出现了一定厚度的逆温大气层，其上层空气温度反而高于下层空气温度，由于下层冷空气密度大于上层热空气密度，空气无法自发垂直流动。由于逆温层切断了空气自下而上的垂直对流通道，近地面较低层的空气中含有的大量由于工业生产和人类生活产生的悬浮颗粒污染物，随着时间越积越多，逐渐加剧进而形成了雾霾污染，且长时间不能消散。因此，消除逆温层是从根本上解决雾霾污染的有效途径之一。
目前，公开的技术方案全部采用液氮作为冷却介质，将其在空中喷洒以实现对大气逆温层降温，具体参见如下公开专利文献：
公开号为CN 201710965175，公开日为2018年02月06日的中国专利文献公开了一种液氮航空喷洒装置，包括液氮储存装置、液氮固定装置和液氮喷洒装置，所述液氮储存装置能够拆卸的固定设置在所述液氮固定装置上，所述液氮固定装置能够拆卸的固定设置在航空器上，所述液氮喷洒装置连通于所述液氮储存装置，其中：所述液氮储存装置用于对液氮的临时储存；所述液氮固定装置用于将所述液氮储存装置与所述航空器相连接；所述液氮喷洒装置用于将所述液氮储存装置内的液氮喷洒到空中。
诸如上述专利文献公开的液氮喷洒装置，虽能实现高空局部区域液氮喷洒降温，但这类装置均存在结构复杂、体积庞大且组成部件较多的问题，而且具体方案实施难度较大，同时方案中采用的冷却介质为液氮，冷却能力和降温效率相对较低。
现在已知的，液氮进一步降温后会形成固态氮，当温度降至63K以下时，液氮发生相变凝固形成固态氮，当温度进一步降低至35.6K以下时，固态氮会再次发生相变形成第二固相。由于温度低于35K以下的固氮，从液氮到固态氮经历了两次相变放热且温度更低，很明显的，固氮比目前常用作冷却介质的液氮或干冰等具有更高的冷却能力和降温效率。
因此，固氮作为一种温度更低、携冷量更大的低温冷却介质，可以在大气逆温层局部范围内汽化形成氮气的过程中吸收大量热量，能对局部范围内空气形成有效降温，从而扭转大气垂直方向上的温度梯度，促进大气的垂直流动，进而改善空气质量。而且，目前还暂无采用固氮作为冷却介质进行大气降温的相关技术方案。
发明内容
本发明为得到降温效果更好的冷却介质，提供了一种基于固氮冷却介质制备的低温装置，与现有技术相比，通过温度更低、携冷量更高的低温固氮作为冷却介质对局部大气（尤其是逆温层）实现降温，具有更高的冷却能力和降温效率。
本发明的技术方案如下：
一种基于固氮冷却介质制备的低温装置，包括不锈钢外筒、防辐射屏、不锈钢筒体、非金属筒体、低温制冷组件和复合法兰盖板；
所述不锈钢外筒为底部密封的筒状结构，复合法兰盖板安装于不锈钢外筒上端开口处，不锈钢外筒和复合法兰盖板形成的空间为真空绝热室；
所述防辐射屏位于真空绝热室内，防辐射屏呈带底板的筒状结构，防辐射屏的上端开口固定于复合法兰盖板的下表面，所述不锈钢筒体、非金属筒体、低温制冷组件均位于防辐射屏的内部；所述防辐射屏上开设有小孔或细缝，可以使得屏内外真空连通；
所述不锈钢筒体安装于防辐射屏内，不锈钢筒体的上端开口固定于复合法兰盖板的下表面，不锈钢筒体的下端开口密封固定有复合底板，不锈钢筒体、复合法兰盖板和复合底板之间形成的空间为氮气保护室；
所述非金属筒体安装于不锈钢筒体内部，复合法兰盖板上设置有和非金属筒体外径匹配的开口一，非金属筒体的顶部穿过开口一固定于复合法兰盖板上；所述非金属筒体的上端开口密封固定有盖板，下端开口密封固定有底部端板，非金属筒体、底部端板和盖板之间形成的空间为液氮室；所述非金属筒体的壁面设置有若干连通小孔，以使液氮室和氮气保护室相互连通；所述底部端板与复合底板相接触；
所述复合法兰盖板上还开设有用于安装低温制冷组件的开口二，低温制冷组件位于氮气保护室外部；所述低温制冷组件包括低温制冷机和复合导冷件，低温制冷机贯穿开口二固定于复合法兰盖板上，复合导冷件安装于低温制冷机底部，复合导冷件连接至复合底板下表面。
对于真空绝热室，进一步设计有：
所述防辐射屏通过螺栓连接至复合法兰盖板上，该连接为非密封连接。
所述防辐射屏的材质可选红铜材质或铝合金材质，且须为抛光表面，以降低其表面发射率，降低热辐射漏热。
所述不锈钢外筒底部设置有底座，底座与真空绝热室的底部之间焊接连接，便于低温装置整体的搬运移动。
对于氮气保护室，进一步设计有：
所述不锈钢筒体的上端开口与复合法兰盖板焊接连接，该连接为密封连接；不锈钢筒体的下端开口与复合底板之间采用密封圈密封连接，使氮气保护室与真空绝热室之间相互密封独立。
所述不锈钢筒体采用波纹管结构，以降低系统传导漏热。
所述不锈钢筒体的外侧均匀设置有多根非金属的限位拉杆，所述限位拉杆的上端与复合法兰盖板下表面连接，下端与不锈钢筒体外壁固定连接，以限制波纹管在真空室抽真空过程中，其长度不发生变化。非金属限位拉杆采用耐低温高热阻非金属材料，包括但不限于环氧树脂、玻璃纤维、聚四氟乙烯、尼龙等。
所述复合底板包括无氧铜导冷块和非金属绝热环，非金属绝热环的外径与不锈钢筒体的下端开口径匹配，非金属绝热环的内径与无氧铜导冷块的尺寸匹配，无氧铜导冷块固定于非金属绝热环内，液氮室的复合底板下表面与无氧铜导冷块上表面接触，通过无氧铜导冷块传导冷量，非金属绝热环用于增加无氧铜导冷块与不锈钢筒体之间的热阻，以降低传导漏热。
所述非金属绝热环采用耐低温高热阻非金属材料，包括但不限于环氧树脂、玻璃纤维、聚四氟乙烯、尼龙等。
对于液氮室，进一步设计有：
所述非金属筒体采用耐低温高热阻非金属材料，包括但不限于环氧树脂、玻璃纤维、聚四氟乙烯、尼龙等。
所述底部端板采用高热导率的无氧铜材料，底部端板与无氧铜导冷块之间压紧连接，压紧连接处放置有铟垫，以提高连接处导热性能。
对于低温制冷组件，进一步设计有：
所述低温制冷机采用GM型氦气制冷机，最低温度小于14K，20K时制冷量为40W；所述低温制冷机位于真空绝热室内的部分采用多层绝热材料进行包裹处理，以降低辐射漏热。
所述复合导冷件包括冷源端连接板、导冷带和负荷端连接板，冷源端连接板固定于低温制冷机底部，导冷带分别与冷源端连接板和负荷端连接板压紧连接，负荷端连接板与复合底板的下表面压紧连接，可以实现：低温制冷机冷量依次通过冷源端连接板、导冷带、负荷端连接板、复合底板、底部端板传递至液氮室内的液氮；所有导冷的压紧连接处均放置有铟垫，以提高连接处导热性能。
所述复合导冷件整体采用多层绝热材料进行包裹处理，以降低辐射漏热。
对于复合法兰盖板，进一步设计有：
所述复合法兰盖板采用不锈钢材质。
所述复合法兰盖板上还安装有温度测量组件、抽真空组件、安全组件，所述温度测量组件、抽真空组件、安全组件均安装于不锈钢外筒上端开口径内对应的复合法兰盖板上。
所述温度测量组件包括焊接于法兰盖板上的接口和真空多芯电连接插座，真空多芯电连接插座用于引出内部温度传感器测量引线，通过温度测量组件测量真空绝热室内的温度。
所述抽真空组件与真空绝热室连通，主要包括焊接于法兰盖板上的KF接口和挡板阀，挡板阀可以选用手动挡板阀或电磁挡板阀；所述挡板阀用于连接真空泵组和真空绝热室，通过真空泵组对真空绝热室抽真空建立真空环境，建立真空环境后关闭挡板阀以使真空绝热室内部保持真空状态。
所述安全组件与氮气保护室连通，主要包括焊接于法兰盖板上的KF接口和单向泄压阀、压力表；单向泄压阀一方面用于控制氮气保护室内部压力小于安全压力，另一方面用于当氮气保护室内部由于温度降低而形成真空状态时，防止外部空气泄漏进入氮气保护室结露或结霜。
针对上述结构：所述真空绝热室主要用于降低装置系统漏热，一方面通过抽真空方式降低真空绝热室气压，以减小气体热对流漏热；另一方面，真空绝热室通过防辐射屏，还可以降低系统辐射系数，以减小热辐射漏热。所述防辐射屏为非密封结构，以便真空绝热室内部处于同一真空度条件下。所述氮气保护室主作为建立液氮（或降温后形成的固氮）和真空绝热室之间的缓冲区域。所述液氮室主要用于存放所加注的液氮及降温后形成的固氮。所述复合法兰盖板用于封闭真空绝热室及用于安装温度测量接口、抽真空组件、安全组件和低温制冷机等。
本发明制备固氮冷却介质的流程为：首先，使用真空泵组对真空绝热室建立真空；同时，对氮气保护室进行氮气冲洗，方法为先对其抽真空至负压0.5kPa以下，再对其充入氮气至正压1/3psig，再次抽真空并充入氮气，并保持氮气保护室为正压状态；其次，当真空绝热室真空度降至10E-4Pa后，启动低温制冷机进行预冷却；然后，当安装于复合导冷组件的传感器显示温度降至77K以后，加入液氮至液氮室，同时保持低温制冷机开启状态，持续冷却直到温度降至35K以下，液氮凝固形成固态。
本发明的有益效果如下：
本发明可以通过低温制冷机进行直接冷却，致使液体氮冷却至固氮，从而形成的低温装置可以制备固氮冷却介质进行大气降温，提高空气质量；本发明结构简单，易实施，适合推广用于多种低温工程和降温应用中。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为基于图1的具体结构示意图。
图3为本发明的俯视结构示意图。
图4 为本发明的试验降温曲线图。
其中，附图标记为：1真空绝热室，101不锈钢外筒，102防辐射屏，2氮气保护室，201不锈钢筒体，202复合底板，3液氮室，301非金属筒体，302底部端板，303盖板，4低温制冷组件，401低温制冷机，402复合导冷件，403冷源端连接板，404导冷带，405负荷端连接板，5复合法兰盖板，501温度测量组件，502抽真空组件，503安全组件，6底座。
具体实施方式
实施例1
如图1-2所示，一种基于固氮冷却介质制备的低温装置，包括不锈钢外筒101、防辐射屏102、不锈钢筒体201、非金属筒体301、低温制冷组件4和复合法兰盖板5。
所述不锈钢外筒101为底部密封的筒状结构，复合法兰盖板5安装于不锈钢外筒101上端开口处，不锈钢外筒101和复合法兰盖板5形成的空间为真空绝热室1。
所述防辐射屏102位于真空绝热室1内，防辐射屏102呈带底板的筒状结构，防辐射屏102的上端开口固定于复合法兰盖板5的下表面，所述不锈钢筒体201、非金属筒体301、低温制冷组件4均位于防辐射屏102的内部；所述防辐射屏102上开设有小孔或细缝，可以使得屏内外真空连通。
所述不锈钢筒体201安装于防辐射屏102内，不锈钢筒体201的上端开口固定于复合法兰盖板5的下表面，不锈钢筒体201的下端开口密封固定有复合底板202，不锈钢筒体201、复合法兰盖板5和复合底板202之间形成的空间为氮气保护室2。
所述非金属筒体301安装于不锈钢筒体201内部，复合法兰盖板5上设置有和非金属筒体301外径匹配的开口一，非金属筒体301的顶部穿过开口一固定于复合法兰盖板5上；所述非金属筒体301的上端开口密封固定有盖板303，下端开口密封固定有底部端板302，非金属筒体301、底部端板302和盖板303之间形成的空间为液氮室3；所述非金属筒体301的壁面设置有若干连通小孔，以使液氮室3和氮气保护室2相互连通；所述底部端板302与复合底板202接触。
所述复合法兰盖板5上还开设有用于安装低温制冷组件4的开口二，低温制冷组件4位于氮气保护室2外部；所述低温制冷组件4包括低温制冷机401和复合导冷件402，低温制冷机401贯穿开口二固定于复合法兰盖板5上，复合导冷件402安装于低温制冷机401底部，复合导冷件402连接至复合底板202下表面。
实施例2
如图1-2所示，基于上述低温装置结构，对于真空绝热室1，进一步设计有：
所述防辐射屏102通过螺栓连接至复合法兰盖板5上，该连接为非密封连接。
所述防辐射屏102的材质可选红铜材质或铝合金材质，且须为抛光表面，以降低其表面发射率，降低热辐射漏热。
所述真空绝热室1的所有焊接处和密封圈连接处须满足一定的真空泄漏率的要求，投入使用前须进行真空检漏测试。
所述不锈钢外筒101底部还可以设置有底座6，底座6与真空绝热室1的底部之间焊接连接，便于低温装置整体的搬运移动。
实施例3
如图1-2所示，基于上述低温装置结构，对于氮气保护室2，进一步设计有：
所述不锈钢筒体201的上端开口与复合法兰盖板5焊接连接，该连接为密封连接；不锈钢筒体201的下端开口与复合底板202之间采用密封圈密封连接，使氮气保护室2与真空绝热室1之间相互密封独立。
所述不锈钢筒体201采用波纹管结构，以降低系统传导漏热。
所述不锈钢筒体201的外侧均匀设置有多根非金属的限位拉杆，所述限位拉杆的上端与复合法兰盖板5下表面连接，下端与不锈钢筒体201外壁固定连接。本实施例中，设计了四根限位拉杆，从四个方向有效限制波纹管在真空室抽真空过程中，其长度不发生变化。
所述复合底板202包括无氧铜导冷块和非金属绝热环，非金属绝热环的外径与不锈钢筒体201的下端开口径匹配，非金属绝热环的内径与无氧铜导冷块的尺寸匹配，无氧铜导冷块固定于非金属绝热环内，液氮室3的复合底板202下表面与无氧铜导冷块上表面接触，通过无氧铜导冷块传导冷量，非金属绝热环用于增加无氧铜导冷块与不锈钢筒体201之间的热阻，以降低传导漏热。
所述非金属绝热环采用耐低温高热阻非金属材料，包括但不限于环氧树脂、玻璃纤维、聚四氟乙烯、尼龙等。
实施例4
如图1-2所示，基于上述低温装置结构，对于液氮室3，进一步设计有：
所述非金属筒体301采用耐低温高热阻非金属材料，包括但不限于环氧树脂、玻璃纤维、聚四氟乙烯、尼龙等。
所述底部端板302采用高热导率的无氧铜材料，底部端板302与无氧铜导冷块之间压紧连接，压紧连接处放置有铟垫，以提高连接处导热性能。
实施例5
如图1-2所示，基于上述低温装置结构，对于低温制冷组件4，进一步设计有：
所述低温制冷机401采用GM型氦气制冷机，最低温度小于14K，20K时制冷量为40W；所述低温制冷机401位于真空绝热室1内的部分采用多层绝热材料进行包裹处理，以降低辐射漏热。
所述复合导冷件402包括冷源端连接板403、导冷带404和负荷端连接板405，冷源端连接板403固定于低温制冷机401底部，导冷带404分别与冷源端连接板403和负荷端连接板405压紧连接，负荷端连接板405与复合底板202的下表面压紧连接，可以实现：低温制冷机401冷量依次通过冷源端连接板403、导冷带404、负荷端连接板405、复合底板202、底部端板302传递至液氮室3内的液氮；所有导冷的压紧连接处均放置有铟垫，以提高连接处导热性能。
所述复合导冷件402整体采用多层绝热材料进行包裹处理，以降低辐射漏热。
实施例6
如图3所示，基于上述低温装置结构，对于复合法兰盖板5，进一步设计有：
所述复合法兰盖板5采用不锈钢材质。
所述复合法兰盖板5上还安装有温度测量组件501、抽真空组件502、安全组件503，所述温度测量组件501、抽真空组件502、安全组件503均安装于不锈钢外筒101上端开口径内对应的复合法兰盖板5上。
所述温度测量组件501包括焊接于法兰盖板303上的接口和真空多芯电连接插座，真空多芯电连接插座用于引出内部温度传感器测量引线，通过温度测量组件501测量真空绝热室1内的温度。
所述抽真空组件502与真空绝热室1连通，主要包括焊接于法兰盖板303上的KF接口和挡板阀，挡板阀可以选用手动挡板阀或电磁挡板阀；所述挡板阀用于连接真空泵组和真空绝热室1，通过真空泵组对真空绝热室1抽真空建立真空环境，建立真空环境后关闭挡板阀以使真空绝热室1内部保持真空状态。
所述安全组件503与氮气保护室2连通，主要包括焊接于法兰盖板303上的KF接口和单向泄压阀、压力表；单向泄压阀一方面用于控制氮气保护室2内部压力小于安全压力，另一方面用于当氮气保护室2内部由于温度降低而形成真空状态时，防止外部空气泄漏进入氮气保护室2结露或结霜。
基于实施例1-6的低温装置结构，进行的试验降温曲线如图4所示。本发明制备固氮冷却介质的流程为：首先，使用真空泵组对真空绝热室1建立真空；同时，对氮气保护室2进行氮气冲洗，方法为先对其抽真空至负压0.5kPa以下，再对其充入氮气至正压1/3psig，再次抽真空并充入氮气，并保持氮气保护室2为正压状态；其次，当真空绝热室1真空度降至10E-4Pa后，启动低温制冷机401进行预冷却；然后，当安装于复合导冷组件的传感器显示温度降至77K以后，加入液氮至液氮室3，同时保持低温制冷机401开启状态，持续冷却直到温度降至35K以下，液氮凝固形成固态。