热交换法中氦气循环利用的装置和方法研究

可用于LED衬底的材料主要有硅、碳化硅、蓝宝石、氮化镓等。由于硅单晶和氮化镓晶格匹配太差无法商业化应用;碳化硅单晶成本价格较高,目前市价约是蓝宝石晶体的5倍以上;氮化镓单晶制备更困难,虽然同质外延质量最好,但价格是蓝宝石晶体的数百倍。综上所述,预计未来30年内,蓝宝石单晶还是LED衬底材料的理想选择。目前,蓝宝石的生长方法主要有提拉法(Cz)、导模法(EFG)、泡生法(Ky)、热交换法(HEM)等。本文介绍了各种蓝宝石长晶方法,并对其优缺点进行了分析。通过分析热交换法在生长大尺寸无缺陷晶体具有明显优势,结合热交换法原理开发了氦气管道,为降低热交换法生长蓝宝石成本提供了一种可行装置和方法。

基于液氮预冷的20 K低温氦气循环系统设计

在低温氦气循环系统设计中,为循环提供动力的方式一般包括常温压缩机和低温离心风机两种。低温离心风机提供循环动力时,工况难以预测;常温压缩机提供循环动力时,换热损失较大。设计了基于液氮预冷的低温氦气循环系统,并对回热器、冷头换热器进行了详细的设计,测试了加热负载及循环质量流量对系统稳定运行时性能的影响。试验结果表明:在消耗电功率19.7 kW时,能提供质量流量为0.84 g/s,冷量为50 W@19.3 K的低温循环氦气,具有一定的工程实用性,对低温氦气循环系统的设计具有一定的参考意义。

国内首台工业氦气循环利用系统研制成功

近日，中国电科十六所万瑞冷电科技有限公司研制成功国内首台工业氦气循环利用系统，该系统采用新型复合提纯、智能化控制等关键技术，可将纯度≥10％的低纯氦气提纯至99．5％以上，系统纯化回收率≥60％。该系统的成功研制标志着十六所氦气回收纯化应用技术由军用领域成功迈人工业民用领域。氦气是一种稀缺的战略资源，尤其在我国，相关产品几乎全部依赖进口。但氦气用途非常广泛，是军事侦察用飞艇及工业光纤、半导体、空调、焊接等高端制造领域的重要资源。

高温气冷堆一回路氦气循环风机电机绝缘结构

一回路氦气循环风机是为清华大学10 MW高温气冷核反应实验堆生产,安装在核反应堆的压力壳电机腔内的配套电动机。压力壳内充3.0 MPa压力的一回路氦气,电机腔内充0.1 MPa压力的氦气,绕组在该压力的氦气环境条件下长期运行,应能承受6×106r a d的放射剂量。绕组绝缘结构的可靠性是保证电机在严酷环境条件正常运行的必要条件,为此介绍了该电机绝缘结构的试验和研制。

20K氦气循环低温系统的研制

针对大冷量氦气循环低温系统的研制进行了论述,该系统由氦气循环、低温换热和监测控制三个单元组成。氦气循环单元为氦气提供循环动力,以及压力和流量的调节,氦气循环单元中的氦气压缩机由螺杆制冷压缩机进行改造,同时对螺杆压缩机的冷却、后处理进行了优化。低温换热单元为循环氦气提供冷源,该单元使用的冷源介质为液氮和液氦,先使用液氮对系统进行预冷,然后采取液氦进行降温。监测控制单元对系统中的温度、压力和流量测量点进行监测,上位机软件自动绘制温度和压力曲线,并对数据进行存储。

一种氦气循环冷却系统的研究

主要针对一种氦气循环冷却系统的研究进行了论述,此系统主要包括氦气循环、制冷循环、换热单元及控制单元四部分所组成。控制单元通过对换热单元的温度控制以达到对氦气循环的温度控制,氦气循环对终端进行冷却,使终端工作在所要求的温区。同时控制单元可以采集终端的进出口温度,再加上定流量的氦气循环可以计算终端的发热量。

HTR-PM全尺寸氦循环器的耐久性试验研究

氦气循环器是HTR-PM中将氦气冷却剂从反应堆堆芯循环到蒸汽发生器的关键组件。由于没有这种循环器的工程经验,因此制作了一个完整的模型来进行测试。样机的整个参数与实际的工厂循环器相同,设计是垂直布局,其转子由主动磁轴承支撑。整个模型,包括电机和冷却器,均密封在压力容器中。由于模型是一个大型的机电系统,并且该设计包括许多新系统,因此需要进行大量测试以确保其安全性和可靠性。在核能与新能源技术研究所(INET)中建立了氦循环器工程测试设施(ETF-HC)。

高温气冷堆氦气透平循环热工特性的初步研究

模块式高温气冷堆氦气透平直接循环发电方案是建立在带有回热器、预冷器、间冷器的闭式布雷登循环的理论基础上的 ,是集安全性、经济性为一体的先进方案 ,有着良好的发展前景。本文对高温堆氦气透平循环的热力过程进行了分析 ,揭示了各参数之间的关系。然后 ,对高温堆氦气透平循环进行了优化计算 ,得到了一个优化设计方案。另外 ,还对高温堆氦气透平循环的功率控制特性进行了简要分析。本文的研究结果显示高温堆氦气透平循环效率可达 4 7 9% ,将来随着材料科学和相关技术的发展循环效率有望进一步提高。

回热器在高温气冷堆氦气透平循环中的应用

高温气冷堆相匹配的能量转换系统——氦气透平循环(布雷登循环)发电具有发电效率高、系统简单、安全可靠、经济性好等优点，是目前高温气冷堆领域的发展方向。影响布雷登循环效率的关键参数包括堆芯的进出口温度、压气机和透平的绝热效率、回热度、压比及循环系统的压力损失率。本文详细验证了回热器在高温气冷堆氦气轮机循环中的作用，并通过计算10MW高温气冷堆布雷登循环，分析这些参数对循环效率的影响。某于目前反应堆参数．给出了一组影响布雷登循环效率的参数值。

10MW高温气冷堆氦气透平循环的泄漏特性分析

为了分析高温气冷堆氦气透平循环中的气体泄漏对循环特性和循环部件的影响,通过理论推导建立了考虑泄漏情况的闭式布雷登循环的数学模型,并对不同泄漏模型进行了分析比较。分析表明,闭式布雷登循环的泄漏主要发生在高压压气机出口到透平入口处。而且,泄漏的发生改变了循环系统的质量流量和系统压力分布,使循环效率降低。以10MW高温气冷堆闭式氦气透平循环发电系统(HTR_10GT)为例,充装量调节时,实际泄漏模型下的泄漏量高于定泄漏系数模型,因此循环效率稍低于定泄漏系数模型。与不考虑泄漏时相比较,循环效率有2%左右幅度的降低;循环的总压比下降1%左右;而且压气机的压比和透平的膨胀比分别有0.5%和1%幅度的降低。

高温气冷堆氦气透平循环流动阻力特性分析

采用更加真实的阻力模型分析了流动阻力对10MW高温气冷堆(HTR-10)氦气透平循环特性的影响规律。分析结果表明,高温气冷堆氦气透平循环的压力损失主要由局部阻力和摩擦阻力组成。10MW高温气冷堆闭式氦气透平循环(HTR-10GT)发电系统在实际充装量调节及额定工况下,氦气在部件连接管道的局部压降占82.4%,沿程阻力压降占17.6%。氦气充装量减小时,局部压损系数不变而沿程阻力系数增大,导致循环效率降低;当充装量由100%降低到30%,连接管道的局部压降份额下降约20%,系统效率下降15%左右。随着充装量的减小,做功部件的进出口压力随充装量的变化线性变化,压气机的压比略有增大,透平的膨胀比有较大幅度的非线性增大。

小型离心式压气机压缩氦气闭式循环的初步研究

介绍了小型离心式压气机闭式循环实验台的组成,并在此实验台上进行了压缩氦气和压缩空气闭式循环的实验,针对实验所得数据进行整理和理论分析,得到了压气机压缩氦气的特性线,并且利用压缩空气和压缩氦气的对比实验结果,初步分析了同一压气机压缩不同工质的相似现象。

氦气透平轴向磁力轴承承载力-转速的内在关系

本文研究了轴向磁力轴承承载力与转速、材料强度之间的内在关系。轴向磁力轴承采用控制电流所产生的电磁力,使转子维持在悬浮工作位置不变,因此其工作原理决定了它的承载力与推力盘面积成正比。通过对推力盘的强度分析,找出了最大切应力和径向应力的位置。分析发现,推力盘的面积受轮缘处最大切应力的限制,与材料许用应力成正比、与转速成反比。本文给出的推力盘最大承载力与材料强度和最高转速的内在关系可用于指导氦气透平压气机轴向磁力轴承的设计。

高温气冷堆简化型联合循环特性研究

高温气冷堆具有900~1 000℃的出口温度而使其具备采用联合循环发电的潜力。在典型高温气冷堆氦气-蒸汽联合循环中,氦气回路多采用预冷器等设备以降低压气机入口温度和压缩功,但这也使反应堆的入口温度过低而影响联合循环效率的进一步提高。为提高循环效率,对联合循环中的预冷器对循环效率的影响进行了热力学分析,提出了联合循环中是否需设置预冷器的判据,并根据这一判据提出了一种简化型联合循环,即无预冷器的联合循环。简化型联合循环的优化结果表明,在950℃的反应堆出口温度下,其循环效率可达52.2%,较典型联合循环的效率提高了1.4%,较回热循环的效率提高了1.7%。与回热循环相比,在反应堆出口温度较高而其入口温度要求较低的工况下,简化型联合循环更具有优势。

低温供热堆推荐动力循环

分析了低温供热堆热电联供所提供的热源和冷源的特点，根据５ＭＷ、２００ＭＷ、５００ＭＷ低温供热堆的设计工况，针对氨水朗肯循环、水蒸汽朗肯循环、水蒸汽扩容循环、卡林那循环和氦气循环等动力循环方式，进行了详细计算、分析、比较。结果表明，氨水朗肯循环具有相对较高的发电效率，是一种很有潜力的低温动力循环；水蒸汽朗肯循环对于堆芯进、出口温度差较小的堆型具有明显的优势；而水蒸汽扩容循环却是堆芯进、出口温度差较大堆型的首选循环。

高温气冷堆在我国的发展综述

高温气冷堆采用全陶瓷型包覆颗粒燃料元件,以石墨为慢化剂和堆芯结构材料,以氦气为冷却剂。高温气冷堆主要特点是具有固有安全性,经济性好,发电效率高,工艺热应用广泛,如可核能制氢等。国际核能界通过几种先进堆型的综合评估,认为高温气冷堆很有潜力成为第四代核能系统的优先发展堆型之一。本文简要介绍了高温气冷堆的主要技术特性,综述了高温气冷堆在我国的发展情况。在国家的大力支持和有关部门的有力领导下,我国高温气冷堆的产业化进程将不断向前推进。

SABRE发动机吸气模式下氦气闭式循环特性分析

对SABRE发动机吸气模式下氦气闭式热力循环系统进行了分析,得知该循环采用布莱顿循环。根据来流马赫数的变化,计算出了SABRE发动机在吸气模式下氦气闭式循环中各部件的运行参数,确定了影响该循环的主要参数。结果表明:氦气闭式循环在SABRE发动机吸气模式下,通过换热器实现了高温热源与低温源之间的热量传递,该循环输出了大部分功用来带动空气压气机。在低温热源温度确定的情况下,提高换热器HX4的性能和提高氦气涡轮T1前的温度,可以增加空气路有效功的输出。

基于超高温气冷堆的氢电联产系统设计分析

超高温气冷堆耦合碘硫循环制氢是一种极具发展前景的核能制氢技术。本文提出了一种基于超高温气冷堆的新型氢电联产系统,采用碘硫循环和氦气透平循环来制氢和发电,建立了能量分析的热力学模型,分析了氦气透平循环总压比和反应堆出口温度对系统性能的影响。然后本文以系统氢电效率最大为目标,在总压比、反应堆入口温度、系统净输出功等参数的约束条件下,对系统进行关键参数优化,并分析了反应堆出口温度对优化结果的影响。结果表明:950℃、1000℃、1050℃三种反应堆出口温度下,建议的氦气分流比控制范围分别为0.031~0.750、0.112~0.750、0.181~0.750,对应的产氢率变化范围分别为17.4~295.6 mol·s^(-1)、61.4~298.0 mol·s^(-1)和96.5~299.8 mol·s^(-1)。

基于斯特林制冷机的磁体冷却系统实验研究

为了减小磁共振成像低温超导磁体冷却过程中的液氮和液氦消耗,提高降温过程的可控性,提出基于千瓦级斯特林制冷机的氦气循环冷却系统,可将磁体快速冷却至液氮温度以下。对冷却系统建立数学物理模型并开展数值计算,在氦气平均压力为1.7 bar、流速为9.8 m/s时,系统冷却总重量为2 t的室温超导磁体至液氮温度仅需59.0 h。基于模拟结果开展实验研究,在相同条件下磁体实际降温时间为69.5 h,模拟计算与实验结果吻合良好。结果表明,该系统具备快速冷却超导磁体的能力,具有广阔的应用前景和深远的影响。