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100W/4.5K氦制冷机系统流程及主要设备的设计和优化分析

作　者: 上官云霞
导　师: 王莉
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 制冷与低温工程
关键词: 氦制冷机系统 制冷模式 混合模式 数值模拟 制冷效率
分类号: TB651
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要


随着科学技术和国民经济的发展,大型氦低温制冷机越来越得到广泛的应用。除了主要应用于高能粒子物理研究领域,包括超导加速器、高能粒子对撞机、超导探测器外,还应用于核科学技术领域的超导核聚变装置以及在航空航天及空间探测开发、国防军事装备、信息技术、低温医学、高真空技术等方面也得到了广泛的应用。本文所研究的100W/4.5K氦制冷机,是在4.5K温度下,可以提供100W冷量的氦制冷机。本文主要对100W/4.5K氦制冷机系统热力循环方案及冷箱内低温部件的设计开展了一系列研究,研究结果为该制冷机的工程设计提供了理论依据。首先,对国内外氦制冷机系统以及系统内主要低温设备的发展和研究现状进行了介绍和分析;结合本文设计的氦制冷机的冷量要求,提出了三种可供选择的制冷循环的热力学方案。此三种方案的区别主要体现在透平膨胀机的连接方式和所采用的节流方式上;对三种方案进行数值模拟计算,并对比循环系统的功耗,选取最佳的流程方案。其次,对所选热力循环方案进行了热力学分析,得出影响制冷机效率的几个关键的状态点参数分别为系统总质量流量M、压缩机出口压力P2、两级膨胀机的进、出口温度T5、T6和T18、T13以及节流级换热器热流入口参数P9、T9,逐个对其进行分析,最终得出最佳热力状态参数。对整个流程在制冷和混合两种运行模式下,进行数值模拟计算,得到流程两种运行模式下的优化结果,优化后的有效能效率分别为12.3%、20.8%,并对系统低温部件进行了有效能损失分析。最后,根据流程优化结果,对低温系统内的核心部件螺杆压缩机、透平膨胀机进行选型,并对低温换热器进行热力及结构设计,并分析了流体不均匀分配对换热器效率的影响,同时对低温换热器进行了热力学分析,对无因次熵产率Ne与传热单元数Ntu和热容量比R的关系进行了公式推导及结果分析,得到Ne随Ntu的增大而单调减小,随R的增加先增大后减小,且当Ntu≥6时,存在一个使Ne最小的最佳热容量比Ropt。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-27
  1.1 课题背景  8-9
  1.2 国内外大型氦制冷机系统的研究和应用现状  9-20
    1.2.1 国外大型氦制冷机系统的研究现状  9-18
    1.2.2 国内大型氦制冷机系统的研究现状  18-20
  1.3 国内外大型氦制冷机主要设备的研究和应用现状  20-25
    1.3.1 螺杆压缩机  20-21
    1.3.2 氦透平膨胀机  21-23
    1.3.3 低温换热器  23-25
  1.4 本文主要研究内容  25-27
第2章 氦制冷机系统热力循环方案的分析及选择  27-35
  2.1 氦制冷机系统热力循环方案  27-30
    2.1.1 三种循环方案的确定  27-29
    2.1.2 氦制冷循环的性能指标  29-30
  2.2 有效能效率计算  30-31
  2.3 三种方案对比  31-34
    2.3.1 三种方案的有效能对比  31-33
    2.3.2 三种方案的循环耗功对比  33-34
  2.4 本章小结  34-35
第3章 氦制冷机循环方案的分析及优化  35-54
  3.1 氦制冷机循环方案热力学分析  35-38
    3.1.1 氦制冷循环的热力学分析模型  35-36
    3.1.2 氦制冷循环的计算分析过程  36-38
  3.2 氦制冷机系统优化分析  38-45
    3.2.1 最佳的压机出口压力  38-39
    3.2.2 系统总质量流量  39-40
    3.2.3 氦制冷机节流级的最佳工作点  40-44
    3.2.4 膨胀机最佳进、出口温度  44-45
  3.3 氦制冷机系统优化后分析  45-52
    3.3.1 氦制冷机系统优化结果汇总  45-47
    3.3.2 系统温熵图  47-49
    3.3.3 换热器的温差分析  49-51
    3.3.4 氦制冷循环的有效能损失  51-52
  3.4 本章小结  52-54
第4章 氦制冷系统的主要设备选型及设计计算  54-74
  4.1 螺杆压缩机选型  54-55
  4.2 低温氦透平膨胀机选型  55-56
  4.3 低温换热器设计及热力分析  56-73
    4.3.1 板翅式换热器  56-59
    4.3.2 影响板翅式换热器效率的因素  59-64
    4.3.3 绕管式换热器  64-65
    4.3.4 换热器设计结果汇总  65-69
    4.3.5 低温换热器热力学分析  69-73
  4.4 本章小结  73-74
结论  74-76
参考文献  76-81
致谢  81

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 制冷工程 > 制冷机械和设备 > 制冷机
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