160W_20K氦气循环低温系统

�� 低温 工程 �� !∀ #∃% 氦气 循 环低 温系 统 丁怀 况丁 先庚 姜 春滕 健 施 锦 陈登科 李 炜 章学华 严善 仓�中国电子科 技集团公 司第十六 研究所,安 徽万瑞冷 电科技有 限公司合 肥�� ! �∀ 摘 要�介绍 了安徽万 瑞冷电 科技有限 公司研制 成功的一 套�� !∀# ∃ 氮气循环 低温系统 。该系 统 采用�� 氛气循 环冷却方 式,制冷 设备与应 用端设备 采用分 置式,通 过两根十 米长绝热 软管连接 �系统 中�台�� 制冷机提 供冷量, 两台氦 气泵提供 氛气循环 动力�设 计指标 为应用端进 气温度 ��一�� ,应用端 出气温度�� 一�� , 制冷量�� !�实 验结果为 �在应用 端热负载 ��� !∀ 的情况下 ,应用端 进气温 度����� , 应用端出 气温度 ����� !关键 词�制 冷机氦 气泵低 温系统 �引 言 �� 大冷量制 冷系统广 泛应用 于航天、 核物理、 真空、超 导诸领 域。商用的 �� 制 冷机主要 有�� ! ∀#循环制冷 机、�� !。一�� !∀# ∃循环制 冷机、�� !∀#一� � !∀#∃循 环制冷 机�简称 ��制冷 机�、� � !∀ #∃循 环制冷机几 种。其中 大冷量制 冷系统往 往选择 �� !∀#循 环和�山 七。一�� !∀ #∃循环。 �� !∀#一� � !以�� 和�� !∀ # ∃ 循环制冷 机更多 地用于小 冷量场合 。根据 用户需 求,研制 了一套� � !∀# ∃氦气循 环低温系 统。采 用低温氦 气循环冷 却方式。 综合考 虑 系统可靠 性、维修 性、造价 等因素 ,采取几 台��制 冷机并联 的方式 实现应用 端�� ! ∀# ∃的 制冷要求 。��制冷 机和提供 氦气循环 动力的 氦气泵集 成安装在 一个冷箱 内。应 用端与低 温系统相 距十米 ,通过两 根 绝热金属 软管连 接,可以 方便的安 装和拆卸 。�� !∀ #�!∃抓 气循环低 温系统的 主要技术 要求 �� 冷却方式 ��� 氦 气循环��� 应用端所 需制冷功 率��� !∀# ∃% �� 应用端换 热器进气 温度�� !∀#一� � ��� 应用端换 热器出气 温度�� !二��一 �� 。 �采取 的系统流 程 ���流程 原理图如图 �所示 ,��为应 用端的热 负载,� �为氦气 泵产生的 热量,� �为冷箱漏 热,以 及真空管 道、接头 、 引线等产 生的漏 热量��被 低温系统 产生的 冷量�抵 消。保证 应用端 换热器进气 温度� � !∀子一 �� ,应 用端换热器 出气温 度�� !二 ��一�� 。 系统中� �制冷机 提供冷 量、氦气 泵提供循 环动力, 作为冷媒 的冷氦 气在封闭的 系统内 循环,两 根真空绝 热软管连 接低温系 统冷箱 和应用端 。 作者简 介�丁怀况 ,男,�� 岁,高级 工程师� �� 低温 工程 工作条 件下。也 可以对氦 气泵转速 进行调 解,使之 满足系统 对体积 流量和压 头阻力的 要求。�� 系 统阻力的 计算系 统阻力主 要包含三 部分�� � 冷头 换热器阻 力龄�� � ! ∀米 长真空保 温氦气 软管阻力 砂�� !∀ 用户端 换热器阻 力△��。、一 ‘一�一 ,,�,、 �了 �� �沿 程流动阻 力公式� △�� 方二万一 �� ! 其 中,沿程 流动阻力 公式各字 母意义 及沿程阻 力系数� 与雷诺数 ��关系 表见表 �、表�。 表� 沿程流动 阻力公式 各字母意 义� � ! 山� � !耐� ,� 回�耐�� 川�� !∀�� 沿程损失系数 管长 管内径 重力加速 度 流速 密 度 表 �沿程 阻力系数 �与雷诺 数��关 系表凡 � � �� !∀#凡��� �一��, ����‘心�� 一 ��一��� ���� � !����� 衅 �� �山 �。� 二““� ,�。。、 ‘。�二丫 山‘,山 一�‘�‘�‘ ,‘一��凡�于 子,林是动 力粘度系数 �� !创���, 并且压力不 大时,压力 对粘度系数的 影响较小。塔 ‘一� �一”���一 � 一’一一�� ���� 一’������ � �� �� 冷头换热 器阻力廿 �的计 算 � � 求流 速。�� !其 中�为氦 气流量, 时��,� 为氦气 通道的恒 截面积, 厅。取 冷头换热 器为甲� � 紫铜 管,则通 道直径� � ! ∀# ,长度 �� 米。 氦 气总流量 为�。� 一��时几 ��,�� 一。礴扩��。、, ����二�� �,��� �单 根换热器 氦气流量 ��于� 。���� � !一”时�� 。 � 一�� ���� ���� �� 尤二二一� ���� 二 二二二二‘‘� ���� !∀# 一〕�可� � �则 。二�� !∀#∃%而�� � � 求� �� !���� ��������� ��雷 诺数�凡 �下寥 一戈嘉 萨言百 ‘������ � ,��, 所以�� ��‘�‘心 �,��·� ‘�。 � � 求沿 程水头压 力损失 了�� �△�, ���专气 式尸�� !∀#∃% �‘� � ‘�, “‘、‘�产�� �� ��米长真 空保温氦 气软管 阻力龄 �的计算计 算方法同 上,变化 之处� 氮 气流量� � ��� !∀#时�� ,通道直 径�� � �� !,管 长�� !∀。求得 � � � �氏 温 工 程 则 � � � � � � �� � � � 一� � � �� � �� 一 , � ��� �一� � � � � � � � � � � ��� 综上所述 , 冷箱总漏热 �� � � 固� � 辐� � 气� �� �� 。 �� �� � 真空连接管道的热损耗 �� 二根真空连接管道总长 �� 米 , 采用真空多层绝热 。 绝热材料 � 镀铝涤纶薄膜 �� 娜 , 玻璃纤维布 �� 阿 ,多层材料厚 ��� , 层数 �� , 夹层直空 �� 一 ��� 。 漏热估算 � � � � ��� �� � � 为内外壁通过真空多层材料的漏热 , � , � �� � �� �一� �� 乃 � � � 为内外壁间通过支撑的漏热 � � 为 多层材料表观导热系数 , � � � � �� 一�� �� ·� � � �� � ���一� �� ��� ���邝 �� � � , 、 � � 冷热壁温度 ���� � ��� � � � 为绝热层厚度 � � , � ��� 。 内外管之间每隔 � 米加一个支撑 �玻璃钢支撑 � , � �� 功毛叼� � �� 。 则 � �� � � �� � � � � � � 。 �� �� � 接头及其它因素引起的热损耗 � � � �� ��� �估算 � , 计算结果如表 � 。 表 � �� � 氮气循环系统的热负荷计算数据 � , 系统总的热负荷 �� � � � �� � 重要部件的选取 � � � 制冷机的选取 制冷机的选择需满足如下原则 � ��� 满足系统对制冷功率的要求 � �� � 安全 , 易用 , 安装 、 操作方便 , 维护简单 � �� � 长寿命设计 , �� � � ��� ��� 。 根据系统的热负荷计算 , 考虑换热损失 , 取制冷机的制冷量 � �� 。 从所掌握的资源以及考虑系统的 稳定可靠 , 选择 � � 制冷机 , � 台并联 。 表 � � � 制冷机的技术指标 �� ��� ��� �� � ���� � � � � � ! ∀# ∃ % && ∋() ∗ +( , − +& . ! � 切tim ate low tem Pe口tu re W eigh t 3 5 m 」刀u le s 4 2 lb s ( 1 9 kg ) 5. 2 氦气泵的的选取 根据系统氦气流量和阻力计算 , 确定氦气泵的工作压力 P = 0. SM P a, 压头 △P = 0. 0 06 M P a (扬程 h = 28m ) , 体积流量 v = 2耐瓜 , 由于泵引起的热漏 Q、< 25 w 。 根据此技术指标 (见图 2) 选型 , 选择两只 A 型氦气泵并联使用 , 能满足流量 、 压头等的要求 , 热漏 较小 , 并且提高了设备的可靠性 。 第八届全国低温工程大会暨中国粒禾i压醚挫燮塑2007年度学术交流会论文集 r~一一 -一 , 一~ . ~ ~ 、~ ~ -一~ 一 一 图 Z A 型抓气泵技术指标 6 控制系统 系统采用工业计算机控制和现场仪表柜手动控制相结合的做法 计算机控制时 , 可以切除机柜的手动控制 ; 当只想用手动控制时 , 。 机柜控制和计算机控制并联 , 当采用 可以使计算机控制失效. 两种控制方式 在切换时 , 可以保证当前设备运行状态的一致性 程的计算机实现同步测量 、 控制 。 控制系统如图 3 所示 。 。 当采用计算机控制时 , 计算机控制系统通过网线可与远 UUU咫 电派派 光光隔离型工10 卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡 盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛角 转换棋块块 ‘‘‘‘‘‘‘‘ D 众 转换棋块块块块继继电器板板板板板板板板板板板板 低低低低低低低低低低低低 温温温温 现场控帘肠巨巨 真真真真真真真真真真真真 空空空空空空空空空空 系系系系 电深开关柜柜 统统统统统统统统统统 圈 3 控制系统示意图 7 试验结果 2005 年 5 月 24 日 , 用户代表对设备进行验收 , 上午 10 :25 开机 , 下午 13 : 25 开始模拟应用端加热负 氏 温 一 程 载 , 热负载从 80 W 开始 , 逐步加到 Zoo .4 w 。 如表 6 所示 , 实验结果满足了设计指标的要求 。 表 6 验收数据 时刻 应用端热负载Ql 阴 10:25 0 13:05 0 应用端进气温度 Ti川K 应用端出气温度肠u扩K 备注 296 .66 297.60 开机 13:25 开始 80W 加热 14:11 开始 120w 加热 sol20 14:4 1开始 160.8w 加热 200 .4 15 :3 O 开始 Zoo .4 w 加热 8 结 论 采用 8 台 G M 制冷机做冷源 , 用循环氦气为冷媒 , 低温氦气泵提供循环动力 , 设计制作了一套 160 w @2 OK 氮气循环低温系统 。 实际测试结果在应用端热负载 200. 4w 的情况下 , 应用端换热器进气温度 20. 26K , 应用端换热器出气温度 25 .26K 。 该设备具有操作简单 、 可靠性高 , 冷量调节方便的优点 。 可应用于航天 、 核物理 、 超导诸领域 。 今 考 文 献 M od elA1330 a令o go . c助示g的.or q Pe m石on an d s e rV i沈 M . ua l U sen团口n 让al h e li u m 肠口s 化工第 4 设计院.深冷手册 (上) .北京: 石油化学工业出版社 , 1 , 73 化工第 4 设计院.深冷手册 (下) .北京: 石油化学工业出版社 , 19 79 达道安.真空设计手册.北京: 国防工业出版社 , 2 以】4 机械工程手册编辑委员会. 《机械工程手册》第 14 册.北京: 机械工业出版社 , 19 82