铝制板翅式换热器在大型低温制冷系统应用.pdfVIP

第四届全国粒子加速器真空、低温技术研讨会论文集 铝制板翅式换热器在大型低温制冷系统中的应用 朱伟平n·引，徐鹏…，龚领会‘1’ [1]中国科学院低温工程学重点实验室(理化技术研究所)北京100190 [2]中围科学院大学北京100049 摘要：大型低温制冷设备是前沿科技研究、航空航天、高技术应用不可替代的基础支撑装 备。近年来，随着高技术的发展，涉及低温的重大系统越来越多，对大型低温制冷设备的需 求不断增加，而铝制板翅式换热器被广泛应用其中。本文介绍了中科院理化技术研究所 lOkW@20K大型低温氦制冷系统，并对其中的铝制板翅式换热器提出了一种基于体积最小化 的优化方法。另外，针对超低泄漏率板翅式换热器成品率低的问题。提出了一种在真空钎焊 炉抽口增设低温冷阱的方法，通过验证，可以有效的将成品率提高到90％以上。 关键词：大型低温制冷累统，板翅式换热嚣，优化方法，超低泄漏率，工艺改进 一、 前言 1．1大型低温制冷系统及其在我国的发展 大型低温制冷设备是指制冷温度20K以下，制冷量达到数百瓦乃至万瓦以上的制冷设备， 在前沿科技研究、航空航天、高技术应用领域是不可替代的基础支撑装备。近年来。随着高 技术的发展，涉及低温的重大系统越来越多，对大型低温制冷设备的需求不断增加，如：美 速器CEBAF(ContinuousElectronBeamAccelerator Facility)、日本国家高能物理研 AcceleratorResearch 究所(HignEnergy Hadron cERN的电子对撞机LEP、大型强子对撞机LHC(LargeCollider)等[1]。 我国的低温系统发展开始于解放后。1959年，我国生产出第一台由液氢预冷的氦液化 器。之后中国科学院物理研究所开展了氦活塞膨胀机的研制，于1964年成功研制出长活塞 型膨胀机并应用于氦液化器，但液化量最大不超过50 L／h。1978年开始建造的瑚一4空间模 拟装置，是我国首台大型低温制冷设备，它的氦制冷机采用逆布雷顿制冷循环，其制冷量在 20K时达到了1200W。[2-4] 图1．1我国KM4系统 图1,2理化所2 kW／20K低温氦制冷机 低温部分 从二十世纪90年代起，中科院等离子体物理研究所因EhST超导托卡马克的需要，开始 建造大型氦制冷系统，其采用从俄罗斯引进了油轴承氦透平膨胀机，制冷量达到了2kW／4．5K。 2012年，中国科学院理化技术研究所采用自主研制的气体轴承透平膨胀机，成功研制出2 kW／20 K低温氦制冷机。2014年，中国科学院理化技术研究所又成功研制出10kW／20 K制 冷机，使我国大型低温设备制冷量成功迈上万瓦量级这一台阶。 1．2大型低温制冷系统中的关键技术 大型低温制冷系统是由压缩、膨胀、换热、回热、传输部件依照制冷循环的流程构成、 并依照设定逻辑自动控制运行的复杂低温制冷系统。 其突出特点是低温度条件下获得大制 冷量，而且还要实现长期、稳定、高效的运行，因而其关键技术为以下几方面： 1)气体轴承氦透平膨胀机技术。大型低温制冷设备需要的低温制冷工质流量大，因而 关键的膨胀制冷部件只能采用适合处理大流量工质的透平膨胀机械。透平膨胀机工作在环境 温度与低温制冷温度之间，面临一系列特有的问题，如，最高达每分钟几十万转的超高转速 下的稳定性问题、巨大温度梯度下的漏热问题和高效膨胀问题，最为重要的是如何在此苛刻 工况条件下实现稳定、有效的支撑超高速旋转的透平膨胀机转子的方案与技术。所以，气体 轴承氦透平膨胀机是整套设备的核心部件，决定着整套设备的成败。 2)氦压缩机及其高精滤油技术