系留气球氦气纯化影响因素分析

系留气球氦气纯化影响因素分析

张文华

中国特种飞行器研究所 荆门 448035

摘 要：系留气球依靠氦气产生的浮力升空，氦气纯度降低会影响系留气球使用性能，此外，氦气属于稀有气体，价格较高，系留气球使用的氦气必须纯化。本文对系留气球氦气纯化过程进行研究分析，了解纯化效率的影响因素，对系留气球氦气纯化过程进行指导。

关键词：系留气球；氦气；纯化过程

1. 引言

系留气球一般是指比重轻于空气的、依靠大气浮力升空、利用缆绳系留定点留空的浮空器。像飞机和卫星等空中平台一样，系留气球可以搭载通讯、监测等各种传感器设备，实现侦察监视、目标搜索跟踪、通信中继、灾情预警等功能。具有使用成本低、定点滞空时间长、载荷能力大、噪声低、能量消耗小、安全性好、效费比高等独特优势。系留气球一般采用低温冷凝方式进行囊体内氦气纯化，为提高氦气纯化效率，降低纯化损耗，指导氦气纯化过程的实施，本文对系留气球氦气纯化过程进行研究。

2. 系留气球氦气纯化过程研究

   1. 氦气低温冷凝纯化

低温冷凝、吸附纯化是将污氦气压缩后在低温（78K）下先进行冷凝，分离出其中的杂质冷凝液（N₂、CO₂、H₂O等），该步骤称为氦冷凝纯化，冷凝纯化后的污氦气然后再通过低温吸附剂吸附纯化除去其中的剩余杂质，得到高纯度氦气。纯化流程为污氦气在增压后，在油水分离器内除去油污和压缩后产生的水份，再进入干燥器进一步除去杂质气体中的水份，最后进入氦气纯化器。在氦气纯化器中，高压污氦首先在冷凝换热器中将污氦气中的空气冷凝成液态并分离除去（吹除），再进入低温吸附筒中，由活性炭（多孔结构）在高压低温下，吸附剩余的气体杂质后完成氦气纯化。

图1 系留气球氦气回收纯化过程

1. 2. 压力及纯化对纯化效果的影响分析

低温冷凝吸附纯化方式中，氦冷凝纯化将污氦气冷却到液氮温度点，将产生的冷凝液分离去除，从而起到冷凝纯化的作用。对氦冷凝纯化采用Aspen-Hysys软件建模进行计算，由于现回收的浮空器污氦气已先经过了干燥吸附筒净化，剩余杂质以空气为主。考虑到He-Air缺乏相应的相平衡数据，因此分析计算采用He-N₂二元混合气体简化，对于He-N₂二元混合气体的状态方程，采用Aspen-Hysys中的SRK方程。计算得出在不同的污氦纯度、不同的纯化操作压力对浮空器低温冷凝纯化的效果影响如下图所示。

图2 不同压力条件下纯化过程计算结果

通过计算分析得出了纯化压力与氦气纯度等因素在氦气纯化过程中的影响：

1）在氦气纯化过程中，对不同纯度的污氦气，随着冷凝纯化压力的升高，其纯化压力效果越来越好，即出口杂质含量逐渐减少。

2）在氦气纯化过程中，当冷凝纯化压力小于10Mpa时，污氦气入口纯度对冷凝换热器纯化效果影响很大，对70%纯度的污氦来说，纯化压力为1Mpa时，冷凝纯化后仍有10.65%的杂质含量，而纯化压力为10Mpa时，杂质含量仅剩余0.95%左右。同时，在该压力范围内，随着污氦入口纯度降低，N₂含量会迅速增大。因此，采用中压流程时对纯度较低的污氦气进行冷凝纯化时效果较差，这将导致后级低温吸附器工作负荷很重，因此中压流程并不适用于纯度较低的污氦气。

3）当冷凝纯化压力高于10Mpa时（高压流程），纯化压力的升高对氦冷凝纯化效果的增加则不明显，当污氦气增压至20Mpa时，出口杂质含量为0.57%，仅减少0.43%，另外，对于冷凝纯化压力大于10MPa，则污氦气入口纯度对于冷凝换热器纯化效果基本没有影响。

3. 结语

在系留气球氦气冷凝纯化过程中，要要求操作人员严格控制纯化过程的压力，使纯化器压力尽可能保持在10Mpa左右，能大幅提高纯化器的运行时间，减少氦气浪费，降低纯化成本。在系留气球的日常使用过程中，应尽量避免氦气纯度低于90%，否则会造成球体撤收回收或氦气在线回收纯化过程中氦气损耗率快速上升，大幅增加了产品使用成本。

参考文献

[1] 缪敏昌，系留气球最优工作高度分析研究.2014浮空器论文集，2014.

[2] 吴清，浮空器蒙皮材料氦气泄露机制的理论与实验研究，硕士论文， 2010.

[3] 万小刚，傅剑，赵林华.浮空器氦气纯化方法应用研究，低温与超导，2011.

[4] 汪澎，章学华，赵俊.工业废氦气提纯技术探讨，低温与超导，2013.

[5] 吴玲，系留气球系统氦气纯化工艺设计，低温与超导，2011.

作者简介

张文华 男，中国特种飞行器研究所，高级工程师，研究方向：飞行器保障系统设计。