氦制冷机中板翅式换热器的传热流动及优化研究

发布时间：2020-09-16 16:06

　　 换热器作为氦制冷机的重要组成部分,承担着将氦气从常温降低到液氮、液氦甚至超流氦温区的热交换任务。为应对未来建造更大规模制冷机及将国产氦制冷机标准化、系列化的需求,要求换热器能在尽可能紧凑的空间内实现充分的换热,本文对氦制冷机中锯齿型板翅式换热器开展如下研究:1.通过CFD仿真技术对错列锯齿型翅片的流动传热性能进行数值模拟;引入容积品质因子,综合衡量翅片在紧凑空间内实现充分换热的能力,定量地分析结构因素对性能的影响;针对47JC1402和65JC1403型翅片,采用CFD研究在常温、液氮及液氢温区下氦气流经翅片的表面性能,探讨低温下翅片性能的差异性;为缩小关联式在公式拟合时的误差,基于有限的空气稳态试验数据,建立了克里金空间插值模型,用以预测一般规格的锯齿型翅片表面性能。2.针对国内氦制冷机常用的3种锯齿型和1种打孔型翅片,搭建低温氦气为工质的翅片芯体性能测试试验台,获得了低温下氦气流经翅片通道的传热及阻力特性曲线;对比以常温氦气为工质的翅片性能试验,结合仿真结果分析出不同温度工况下翅片性能的异同;分析11种翅片性能预测模型,衡量其对低温下锯齿型翅片性能的预测精度,修正并扩充换热器设计计算所用的翅片性能数据库。3.基于热力学第一定律,建立了可灵活考虑变物性、轴向导热、环境漏热的多股流间壁式换热器分布参数模型,探讨了在低温工况下换热器偏离原始设计值的程度,分析了各项附加因素对换热器性能影响的比重;为拓展商用软件Aspen MUSETM在氦低温装置中的应用,该模型结合具体低温工况获得了热泄漏分布和换热器详细的温度、压力场;对于EAST氦制冷机第一级主换热器,计算了其在实际低温工况下的各项附加损失,并得出辐射寄生热在换热器表面的热负荷分布、各层隔板的轴向导热率分布以及既定通道排列方式下的过剩热负荷分布,为换热器的优化校核、现场装配及绝热措施提供了理论指导。4.采用混合遗传算法,针对5kW@4.5K氦制冷机中第一级板翅式换热器,在满足换热要求、压降限制、制造工艺和结构强度等约束下,展开了以体积最优为目标的优化设计。结果表明,与半经验的设计方案相比,优化结果能在众多实际约束限制下大幅缩小尺寸、缩减制造成本和安装空间。综上所述,本文采用仿真结合试验的方法,重点研究了低温氦气流经锯齿型翅片的表面性能,为换热器设计开发奠定了理论基础;揭示了低温附加损失的影响机制,为换热器校核提供了参考指导;优化了换热器设计流程,有利于减小其尺寸并缩减制造费用及研发周期。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TL631.24
【部分图文】：

图１．２为欧洲大型强子对撞机ＬＨＣ的１８ｋＷ＠４．５Ｋ氦制冷机卧式冷箱。冷箱逡逑中的支撑架不仅要有支撑作用，还需防止冷量传导损失。林德和法液空为其提供逡逑了邋１３台冷箱，冷箱尺寸分别为０２ｘ７ｍ和０７ｘ７ｍ。此外，中科院理化所研制成逡逑功了我国首台１０ｋＷ＠２０Ｋ万瓦级液氢温区低温制冷设备，其也采用卧式冷箱结逡逑构。冷箱高约３ｍ，长约６ｍ，重量达到１５吨，其支撑架采用上支撑下悬吊的组逡逑合方式悬空支撑在卧式冷箱内，并安装脚轮使其能在冷箱内侧槽钢上推动，以便逡逑于对内部低温设备、管路进行维修［叫。逡逑

Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｔｈｅ邋ｃｏｌｄｂｏｘ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｕｐｅｒｆｌｕｉｄ邋ｈｅｌｉｕｍ逦Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｔｈｅ邋Ｌｉｎｄｅ邋Ｋｒｙｏｔｅｃｈｎｉｋ邋ＡＧ’ｓ逡逑ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ邋ａｔ邋Ｆｅｒｍｉ邋ｌａｂ逦ｈｅｌｉｕｍ邋ｌｉｑｕｅｆｉｅｒ邋ＬＩ邋４０逡逑氦低温制冷技术作为比较成熟的工艺，常用制冷量／液化量的氦制冷机己商用逡逑系列化。法液空和林德公司作为全球空分行业的龙头，其生产的氦制冷机均商用逡逑标准化。图１．５为Ｌｉｎｄｅ邋ＡＧ公司生产的Ｌ１４０型号标准氦液化器，其液化率在无逡逑液氮预冷时最高可达７０Ｌ／ｈ；在有液氮预冷时最高可达１４０Ｌ／ｈ。该型号的氦液化逡逑器也可用作氦制冷机，其制冷量在无液氮预冷时最高可达２９０Ｗ＠４．４Ｋ；在有液逡逑氮预冷时最高可达４００Ｗ＠４．４Ｋ。氦液化器的阀门和其他低温部件都集成安装在逡逑同一冷箱中，尺寸为１．６ｘ１．３ｘ２．６ｍ邋ａｘＦｘｉ／），整体重量１．７吨，其在全球氦液逡逑化应用领域中有着很高的市场占有率。逡逑ＥＡＳＴ项目作为我国首次自行建造大型超导磁体装置而相应发展的大型氦制逡逑冷机［１９］，其现场实物图如图１．６所示。由于其控制阀门众多，故将阀门单独放入逡逑低温阀箱中，而冷箱中依旧包含换热器、膨胀机、吸附器、过滤器及低温管道、逡逑剩余阀门等，圆柱体型的冷箱结构尺寸约为０２．５６ｘ５．５２ｍ。图１．７为中科院等逡逑离子体物理研究所承担的先导专项子课题“５００Ｗ＠４．５Ｋ氦制冷机研制”的冷箱逡逑

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本文编号：2820061