膨胀机对修正克劳特氦液化循环的影响及其热力学分析

史 敏 欧阳峥嵘 李俊杰

(1 中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心 合肥 230031)

(2 中国科学技术大学 合肥 230026)

1 引 言

随着科学技术的进步,世界范围内建成了许多科学装置如托卡马克聚变堆、混合磁体、核磁共振谱仪。基于两级膨胀机串联的修正克劳特循环氦液化系统广泛应用于这些大型科学装置中,主要为其提供液氦温度的冷量。膨胀机是氦液化系统中最关键的部件之一,其常被用来预冷氦气至最大转化温度40 K 以下,低于这个温度氦气经过等焓节流过程才能产生制冷效应。另外,氦液化系统80 K以下的冷量主要由膨胀机提供。所以非常有必要进行膨胀机性能、运行参数对氦液化系统性能影响的研究。

前人展开了不少膨胀机参数对氦液化系统性能影响的相关研究。阮耀钟推导了计算克劳特和柯林斯氦液化系统膨胀机进气温度的公式,并根据该公式计算出了膨胀机最佳进气温度以及最佳进气温度与膨胀机效率、液化率的关系[1-2]。A.Khalil 和G.E.McIntosh 计算出了柯林斯循环的膨胀机最佳进气温度[3]。Hilal 对氦制冷和液化循环中膨胀机的布置方式和进气温度进行优化[4]。M.D.Atrey 对柯林斯氦液化循环进行热力学分析,得到了液化率最大时膨胀机的分流量[5]。R.J.Thomas 对柯林斯循环膨胀机的参数影响进行了非常详细的研究,分析了膨胀机分流量、效率对氦液化率、换热器热负荷、换热器进口温度的影响,得到了液化率最大时膨胀机的分流量[6]。

以往研究主要是针对柯林斯循环—包含两个并联的布雷顿循环的液化系统,缺少关于两级膨胀机串联的修正克劳特循环的研究。……