论文部分内容阅读
随着沸点最低的氦气被成功液化，低温技术的发展极大地推动了低温超导技术的发展。物质在极低温下具有超导性质，这就意味着只要在开始通入电流，就可以在导体里面产生永久电场和磁场，这一伟大发现促使了如正负电子对撞机、超导托卡马克以及新兴科技成果磁悬浮列车、电磁推进器等大科学装置的产生。然而，维持材料超导特性所需的低温环境需要液氦系统提供，这大大增加了系统的运行和维护成本。因此，设计一套高效节能的低温氦制冷/液化系统就成为关键的研究课题。 液氦温度级的制冷机或氦液化器的流程结构主要是基于J-T节流循环来实现的。采用液氮和液氢预冷然后节流的方式也可以获得液氦，但是由于膨胀机可以产生更大的冷量，因此目前氦低温系统主要采用的是带膨胀机的系统。按照温度级带膨胀机的氦低温系统可以被划分为三个部分:1）预冷级，这一级一般采用液氮预冷;2）制冷级，这里可以包括2个或更多的布雷顿制冷循环，也是系统主要的产冷位置;3）节流级，节流级会有较小的制冷效应，高压工质在节流部件中膨胀进入两相区，从而产生液氦。实现氦液化的系统主要包括以下主要工作部件:1）压缩机，常温常压的气体氦在压缩机中被压缩，经过水冷后变成高压常温的气体;2）膨胀机，这是低温系统中的核心部件，也是系统的冷量来源，气体在膨胀机里面膨胀将内能转化成轴功输出后变成低温低压的气体，然后作为冷流返回压缩机;3）换热器，传递冷量的部件，换热器的高效性在低温下显得尤为重要;4）节流部件，末级的节流部件一般选用阀门，因为其体积小，安装维护方便。除此之外，系统还包括除油过滤，管道管线，控制系统以及储罐、缓冲罐等。 本文研究分析了氦低温系统中的主要部件对系统性能的影响，针对系统中主要的热力学参数，采用遗传算法进行优化分析，该研究结果对于提高氦低温系统的经济效益，节约能源具有重大意义。 (1)以Collins循环为基础，首先针对系统主要部件透平膨胀机的流量进行研究，发现在系统中所有换热器的换热效率相同，膨胀机的等熵效率相同的前提下，膨胀机总流量为系统流量的80％，并且各级膨胀机之间平均分布时，系统可获得最大的液化率。针对此结论，提出了用基于火积耗散的热阻的概念来解释膨胀机流量对换热器有效度的影响除了流量，此外，还建立了换热器有效度、热容比与换热热阻这三者之间的关系。 (2)膨胀机的入口温度也是影响系统性能的关键参数之一，通过计算发现，针对每一个带有布雷顿预冷级的氦液化循环系统来说，都存在一个最佳的膨胀机入口温度使得系统获得最大的液化率。本文引进了“卡诺步长”的理论，解释了各冷却级的最优温度分布的原理，并且得到了当温度呈“卡诺步长”分布时，最佳的膨胀机流量分配是各级膨胀机的流量相同。 (3)采用遗传算法(GA)针对中国科学院理化技术研究所自主设计制造的40L/h氦液化器以及250W@4.5K氦制冷机的透平流量以及入口温度进行优化改进，发现GA的优化参数使得系统的液化率/制冷量提高的同时使得系统换热器面积下降了。 (4)分析了2500W@4.5K氦制冷机中前三级膨胀机流量对系统比功耗和比UA值的影响规律，发现存在最优的膨胀机流量值使得系统制冷量最大的同时，系统比功耗和比UA值最小。本文采用了遗传算法针对这三级膨胀机流量进行同时优化，得到了使得目标函数最小的优化值。最后通过系统温差验证证明了优化结果的合理性; (5)除此之外，本文还针对不同的氦液化循环的流程结构进行了分析比较，发现了性能最优的流程结构是基于Collins循环改进的带中压循环的流程。 (6)由于大型氦低温系统结构复杂，建造成本高，故难以针对优化计算结果开展具体的实验验证。本文建立了实际系统的动态仿真模型，在此基础上进行一些热力参数的研究分析和验证。根据稳态优化计算的结果，建立与之对应的动态仿真模型，分析动态仿真稳定后系统的性能变化，旨在验证稳态优化计算的结果。 (7)建立制冷系统的动态仿真模型，在验证模型正确性的基础上，让该系统工作于液化模式下，通过观测系统降温稳定后的参数，分析该系统工作在液化模式下的误差或者与预期指标的差距，可以为实际系统的设计给出指导意见。