換熱器作為氦制冷機(jī)的重要組成部分,承擔(dān)著將氦氣從常溫降低到液氮、液氦甚至超流氦溫區(qū)的熱交換任務(wù)。為應(yīng)對未來建造更大規(guī)模制冷機(jī)及將國產(chǎn)氦制冷機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的需求,要求換熱器能在盡可能緊湊的空間內(nèi)實現(xiàn)充分的換熱,本文對氦制冷機(jī)中鋸齒型板翅式換熱器開展如下研究:1.通過CFD仿真技術(shù)對錯列鋸齒型翅片的流動傳熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬;引入容積品質(zhì)因子,綜合衡量翅片在緊湊空間內(nèi)實現(xiàn)充分換熱的能力,定量地分析結(jié)構(gòu)因素對性能的影響;針對47JC1402和65JC1403型翅片,采用CFD研究在常溫、液氮及液氫溫區(qū)下氦氣流經(jīng)翅片的表面性能,探討低溫下翅片性能的差異性;為縮小關(guān)聯(lián)式在公式擬合時的誤差,基于有限的空氣穩(wěn)態(tài)試驗數(shù)據(jù),建立了克里金空間插值模型,用以預(yù)測一般規(guī)格的鋸齒型翅片表面性能。2.針對國內(nèi)氦制冷機(jī)常用的3種鋸齒型和1種打孔型翅片,搭建低溫氦氣為工質(zhì)的翅片芯體性能測試試驗臺,獲得了低溫下氦氣流經(jīng)翅片通道的傳熱及阻力特性曲線;對比以常溫氦氣為工質(zhì)的翅片性能試驗,結(jié)合仿真結(jié)果分析出不同溫度工況下翅片性能的異同;分析11種翅片性能預(yù)測模型,衡量其對低溫下鋸齒型翅片性能的預(yù)測精度,修正并擴(kuò)充換熱器設(shè)計計算所用的翅片性能數(shù)據(jù)庫。3.基于熱力學(xué)第一定律,建立了可靈活考慮變物性、軸向?qū)�、環(huán)境漏熱的多股流間壁式換熱器分布參數(shù)模型,探討了在低溫工況下?lián)Q熱器偏離原始設(shè)計值的程度,分析了各項附加因素對換熱器性能影響的比重;為拓展商用軟件Aspen MUSETM在氦低溫裝置中的應(yīng)用,該模型結(jié)合具體低溫工況獲得了熱泄漏分布和換熱器詳細(xì)的溫度、壓力場;對于EAST氦制冷機(jī)第一級主換熱器,計算了其在實際低溫工況下的各項附加損失,并得出輻射寄生熱在換熱器表面的熱負(fù)荷分布、各層隔板的軸向?qū)崧史植家约凹榷ㄍǖ琅帕蟹绞较碌倪^剩熱負(fù)荷分布,為換熱器的優(yōu)化校核、現(xiàn)場裝配及絕熱措施提供了理論指導(dǎo)。4.采用混合遺傳算法,針對5kW@4.5K氦制冷機(jī)中第一級板翅式換熱器,在滿足換熱要求、壓降限制、制造工藝和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等約束下,展開了以體積最優(yōu)為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明,與半經(jīng)驗的設(shè)計方案相比,優(yōu)化結(jié)果能在眾多實際約束限制下大幅縮小尺寸、縮減制造成本和安裝空間。綜上所述,本文采用仿真結(jié)合試驗的方法,重點(diǎn)研究了低溫氦氣流經(jīng)鋸齒型翅片的表面性能,為換熱器設(shè)計開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ);揭示了低溫附加損失的影響機(jī)制,為換熱器校核提供了參考指導(dǎo);優(yōu)化了換熱器設(shè)計流程,有利于減小其尺寸并縮減制造費(fèi)用及研發(fā)周期。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TL631.24
【部分圖文】：

圖１．２為歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)ＬＨＣ的１８ｋＷ＠４．５Ｋ氦制冷機(jī)臥式冷箱。冷箱逡逑中的支撐架不僅要有支撐作用，還需防止冷量傳導(dǎo)損失。林德和法液空為其提供逡逑了邋１３臺冷箱，冷箱尺寸分別為０２ｘ７ｍ和０７ｘ７ｍ。此外，中科院理化所研制成逡逑功了我國首臺１０ｋＷ＠２０Ｋ萬瓦級液氫溫區(qū)低溫制冷設(shè)備，其也采用臥式冷箱結(jié)逡逑構(gòu)。冷箱高約３ｍ，長約６ｍ，重量達(dá)到１５噸，其支撐架采用上支撐下懸吊的組逡逑合方式懸空支撐在臥式冷箱內(nèi)，并安裝腳輪使其能在冷箱內(nèi)側(cè)槽鋼上推動，以便逡逑于對內(nèi)部低溫設(shè)備、管路進(jìn)行維修［叫。逡逑

Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｔｈｅ邋ｃｏｌｄｂｏｘ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｕｐｅｒｆｌｕｉｄ邋ｈｅｌｉｕｍ邐Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｔｈｅ邋Ｌｉｎｄｅ邋Ｋｒｙｏｔｅｃｈｎｉｋ邋ＡＧ’ｓ逡逑ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ邋ａｔ邋Ｆｅｒｍｉ邋ｌａｂ邐ｈｅｌｉｕｍ邋ｌｉｑｕｅｆｉｅｒ邋ＬＩ邋４０逡逑氦低溫制冷技術(shù)作為比較成熟的工藝，常用制冷量／液化量的氦制冷機(jī)己商用逡逑系列化。法液空和林德公司作為全球空分行業(yè)的龍頭，其生產(chǎn)的氦制冷機(jī)均商用逡逑標(biāo)準(zhǔn)化。圖１．５為Ｌｉｎｄｅ邋ＡＧ公司生產(chǎn)的Ｌ１４０型號標(biāo)準(zhǔn)氦液化器，其液化率在無逡逑液氮預(yù)冷時最高可達(dá)７０Ｌ／ｈ；在有液氮預(yù)冷時最高可達(dá)１４０Ｌ／ｈ。該型號的氦液化逡逑器也可用作氦制冷機(jī)，其制冷量在無液氮預(yù)冷時最高可達(dá)２９０Ｗ＠４．４Ｋ；在有液逡逑氮預(yù)冷時最高可達(dá)４００Ｗ＠４．４Ｋ。氦液化器的閥門和其他低溫部件都集成安裝在逡逑同一冷箱中，尺寸為１．６ｘ１．３ｘ２．６ｍ邋ａｘＦｘｉ／），整體重量１．７噸，其在全球氦液逡逑化應(yīng)用領(lǐng)域中有著很高的市場占有率。逡逑ＥＡＳＴ項目作為我國首次自行建造大型超導(dǎo)磁體裝置而相應(yīng)發(fā)展的大型氦制逡逑冷機(jī)［１９］，其現(xiàn)場實物圖如圖１．６所示。由于其控制閥門眾多，故將閥門單獨(dú)放入逡逑低溫閥箱中，而冷箱中依舊包含換熱器、膨脹機(jī)、吸附器、過濾器及低溫管道、逡逑剩余閥門等，圓柱體型的冷箱結(jié)構(gòu)尺寸約為０２．５６ｘ５．５２ｍ。圖１．７為中科院等逡逑離子體物理研究所承擔(dān)的先導(dǎo)專項子課題“５００Ｗ＠４．５Ｋ氦制冷機(jī)研制”的冷箱逡逑

Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｔｈｅ邋ｃｏｌｄｂｏｘ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｕｐｅｒｆｌｕｉｄ邋ｈｅｌｉｕｍ邐Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｔｈｅ邋Ｌｉｎｄｅ邋Ｋｒｙｏｔｅｃｈｎｉｋ邋ＡＧ’ｓ逡逑ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ邋ａｔ邋Ｆｅｒｍｉ邋ｌａｂ邐ｈｅｌｉｕｍ邋ｌｉｑｕｅｆｉｅｒ邋ＬＩ邋４０逡逑氦低溫制冷技術(shù)作為比較成熟的工藝，常用制冷量／液化量的氦制冷機(jī)己商用逡逑系列化。法液空和林德公司作為全球空分行業(yè)的龍頭，其生產(chǎn)的氦制冷機(jī)均商用逡逑標(biāo)準(zhǔn)化。圖１．５為Ｌｉｎｄｅ邋ＡＧ公司生產(chǎn)的Ｌ１４０型號標(biāo)準(zhǔn)氦液化器，其液化率在無逡逑液氮預(yù)冷時最高可達(dá)７０Ｌ／ｈ；在有液氮預(yù)冷時最高可達(dá)１４０Ｌ／ｈ。該型號的氦液化逡逑器也可用作氦制冷機(jī)，其制冷量在無液氮預(yù)冷時最高可達(dá)２９０Ｗ＠４．４Ｋ；在有液逡逑氮預(yù)冷時最高可達(dá)４００Ｗ＠４．４Ｋ。氦液化器的閥門和其他低溫部件都集成安裝在逡逑同一冷箱中，尺寸為１．６ｘ１．３ｘ２．６ｍ邋ａｘＦｘｉ／），整體重量１．７噸，其在全球氦液逡逑化應(yīng)用領(lǐng)域中有著很高的市場占有率。逡逑ＥＡＳＴ項目作為我國首次自行建造大型超導(dǎo)磁體裝置而相應(yīng)發(fā)展的大型氦制逡逑冷機(jī)［１９］，其現(xiàn)場實物圖如圖１．６所示。由于其控制閥門眾多，故將閥門單獨(dú)放入逡逑低溫閥箱中，而冷箱中依舊包含換熱器、膨脹機(jī)、吸附器、過濾器及低溫管道、逡逑剩余閥門等，圓柱體型的冷箱結(jié)構(gòu)尺寸約為０２．５６ｘ５．５２ｍ。圖１．７為中科院等逡逑離子體物理研究所承擔(dān)的先導(dǎo)專項子課題“５００Ｗ＠４．５Ｋ氦制冷機(jī)研制”的冷箱逡逑

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本文編號：2820061