低温脉动热管冷却超导磁体实验研究

为了研究低温脉动热管(PHP)冷却超导磁体的可行性,搭建了以液氦脉动热管为传热部件的GM制冷机传导型冷却超导磁体模型的实验装置,采用该装置实验研究了48通道液氦PHP的冷却性能和传热性能。该液氦PHP由内径为0.5 mm的不锈钢毛细管制成,其蒸发段、绝热段、冷凝段的长度分别为50 mm、100 mm、50 mm。实验结果表明,液氦PHP可将超导磁体模型从常温冷却至6 K,用时约95个小时,冷却过程中观察到液氦PHP超临界脉动和近临界强化换热现象。在充液率为38%时,液氦PHP最大可传递1.5 W热量,有效导热系数在2000—9200 W/(m·K)之间。而该液氦PHP在充液率为70%时未能正常启动。

标准铂钴电阻温度计百次低温温循稳定性研究

标准铂钴电阻温度计是0.65~24.5561 K(氖三相点)温区重要的测温器件,特别是高稳定的标准铂钴电阻温度计有潜力作为温度标定和温度国际比对的数据载体。为筛选出高稳定的标准铂钴电阻温度计,在前期研究基础上,建立以制冷机为冷源的温度计低温考核装置,5 K控温稳定性达13μK,24.5561 K控温稳定性达27μK,优于当前同类考核装置公开报道的控温稳定性结果。基于此,在5~24.5561 K温区开展标准铂钴电阻温度计百次低温温循研究,获得5支高稳定的标准铂钴电阻温度计,其中,4支50Ω标准铂钴电阻温度计的稳定性均优于0.2 mK@24.5561 K,1支100Ω标准铂钴电阻温度计的稳定性优于0.5 mK@24.5561 K,为当前标准铂钴电阻温度计低温稳定性国际最好结果。未来本文筛选的高稳定性标准铂钴电阻温度计将用于低温温度标定和低温温度国际比对等相关应用和研究。

中国散裂中子源低温系统氦制冷系统的安装与调试

氦制冷系统是中国散裂中子源(CSNS)低温系统的重要组成部分,能够为氢循环系统提供2 200 W@20 K的冷源。介绍了CSNS氦制冷系统的组成及设备布局图及氦制冷系统的调试原理,完成了控制界面图及氦制冷系统的安装和调试准备工作,详细说明了调试的过程,获得了700 W/1 400 W/2 200 W 3种制冷功率下的状态参数。氦制冷系统调试顺利完成,结果满足了验收指标。

低温氦气体轴承透平膨胀机实验系统设计

设计了一套氦透平膨胀机实验系统,该系统可以用来对工作在液氢—常温区范围内的不同规格的氦透平膨胀机进行性能测试,还可以用于开展以氦为工质的低温环境下透平膨胀机实验研究,以期掌握氦透平膨胀机的关键技术并进一步提高氦透平膨胀机的性能。

空间低温绝对辐射初级基准实验特性及测量精度评估

高精度星上辐射基准的建立是提升在轨辐射定标精度的主要技术手段,本文开展了溯源至国际基本单位制(SI)的空间低温绝对辐射基准研究。自主研制高灵敏度低温绝对辐射探测器,设计高热阻的探测器与冷指连接结构以提升灵敏度,通过多级精密温控建立优于0.4 mK的高稳定热环境。采用大冷量两级脉冲管制冷机,通过压缩工质气体的斯特林循环获得20 K的深低温工作环境。建立低温绝对辐射测量链路,评估测量不确定度,并与国家计量科学研究院的基准低温辐射计进行对比。实验结果表明:空间低温绝对辐射计实验样机的灵敏度达到3565 K/W,对0.4 mW量级激光功率的测量重复性达到0.017%,相对标准不确定度为0.029%;与基准低温辐射计的归一化偏差为0.4,验证了不确定度评估结果的有效性。该工作为研制空间低温绝对辐射计奠定关键技术基础,对基于绝对探测器的在轨辐射定标方法研究具有重要意义。

套管连续流低温恒温系统的设计与性能实验研究

连续流低温恒温系统是液氮冷冻暂堵研制项目的子系统之一,是实现待冷却套管的均匀、安全、平稳降温的重要配套设备。针对该连续流低温恒温系统开展了用户的需求分析,确定了该系统的主要技术指标和要求,并在此基础之上开展了该低温系统的流程设计和关键部件的结构设计,最后还搭建了低温恒温系统的性能实验台,通过实验验证了系统的合理性,在运行工况附近,兑温器的出口温度波动在0.3 K以内,满足设计的要求。

低温循环对标准铂钴电阻温度计稳定性影响的实验研究

低温,尤其是低于24.5561 K(氖三相点)温区,常用的三种标准电阻温度计是铂、铑铁和铂钴电阻温度计。铂钴电阻温度计在20 K以下的灵敏度和稳定性与铑铁电阻温度计相近,可作为精密测温的标准器使用,越来越受到低温界的重视。本文研究了自研的铂金壳标准铂钴电阻温度计低温温循后的短期稳定性,介绍了标准铂钴电阻温度计低温温循考核流程、水三相点标定装置和用于温度计液氮温循的装置,完成了4支标准铂钴电阻温度计在室温至液氮温区的温循考核测试。经过20次温循后,水三相点的稳定性测试结果显示,最优的铂钴温度计稳定性为0.3 mK。

斯特林发电机中气体轴承设计与实验研究

提出一种适用于大功率斯特林发电系统中动力活塞的稳定气体轴承支撑方案,所提方案采用独立气泵、间隙密封与气体轴承耦合的供排气气路、间隙密封隔绝两侧腔体压力。采用计算流体动力学数值模拟分析不同节流孔直径、不同气膜厚度对气体轴承耗气量和承载力的影响,并验证间隙密封耦合气体轴承的新型气路的可行性。通过节流器、气膜厚度、活塞摩擦力等实验测试分析,以及对气体轴承中结构参数的高精度测量,结合激光测距仪与推拉力测试,实现对动力活塞气体轴承性能的高精度、完整评测。最后,建立一套完整的气体轴承设计、测试与分析平台,实现气体轴承活塞支撑的完全可控设计。

干式量热器测量隔热结构热性能实验研究

设计搭建一套基于两级G-M制冷机的圆筒形干式量热器装置,首先分析铜制和铝制量热杆对装置误差的影响,其次对3组不同的隔热结构进行热性能实验测试,并研究不同的边界温度对隔热结构热性能的影响。实验结果表明,铝制量热杆测量误差更小;在高真空环境下,隔热泡沫对复合结构的绝热性能影响不大,MLI或者VDMLI起主要绝热作用;分别改变冷边界温度和热边界温度对隔热结构热性能的影响不同,热边界温度一定,冷边界温度由20 K增大到100 K时,通过隔热结构的热流密度略有减小;冷边界温度一定,热边界温度由300 K增大到350 K时,通过隔热结构的热流密度急剧增大。

4.3 K~299 K温区Cu-ETP热膨胀系数原位实验测量研究

采用多模式微波谐振法,开展了定压气体折射率基准测温系统中谐振腔材料电解精炼韧铜(Cu-ETP)线性热膨胀系数的高精度原位实验测量及其不确定度分析研究,温度范围为4.3~299 K.针对不同的温度区间,采用了降温法(5~299 K)和控温法(4.3~26 K)两种实验测量方案,通过降温法测得的线性热膨胀系数标准不确定度优于2.2×10^(−7)K^(−1),其中,重复性是其测量不确定度的主要来源;通过控温法测得的线性热膨胀系数标准不确定度优于2.9×10^(−9)K^(−1),微波模式一致性和重复性是其测量不确定度的两大主要来源.由于控温稳定性高、微波测量噪声低,控温法所获得的线性热膨胀系数结果更为精确.最后,按照温区范围进一步发展了该系统内Cu-ETP材料线性热膨胀系数的计算方程,实现了实验数据与温度的高精度关联.

5~25 K深低温区交流电桥高稳定控温影响因素研究

控温稳定性是影响深低温区热力学温度测量不确定度、热力学温度国际比对可靠性以及温度标定水平的关键因素之一。为探究影响深低温区高稳定性温度控制的影响因素,在前期研究基础上,本文设计了温度计引线电阻和标准电阻控温实验方案,并在5 K和25 K开展了相关控温实验,定量评估了温度计引线电阻和标准电阻对深低温区温度测量平均值和控温稳定性的扰动影响。结果表明:温度测量平均值几乎不受引线电阻和标准电阻的影响;控温稳定性会随引线电阻和标准电阻而变化,引线电阻越低深低温区控温稳定性越高,并存在一个最佳匹配的标准电阻。本文研究结果可为构建深低温区高稳定性的低温工作环境提供参考。

Cu-ETP等温压缩系数原位实验测量研究

电解精炼韧铜(Cu-ETP)通常用于制作基准级温度计中的核心部件微波谐振腔,其等温压缩系数对高准确度的热力学温度测量至关重要。但由于缺乏Cu-ETP在低温下的相关物性数据,常用高导无氧铜(OFHC)的等温压缩系数来近似Cu-ETP的等温压缩系数。为了获得Cu-ETP等温压缩系数的原位实验测量结果,在定压气体折射率基准级温度计实验系统的基础上,采用多模式微波谐振法测得了氖三相点(24.5561 K)处Cu-ETP的等温压缩系数,并计算了其不确定度。最终结果与通过间接计算得到的同温度下OFHC等温压缩系数之间具有较好的一致性且不确定度水平相当。参考氖三相点处Cu-ETP等温压缩系数的测量结果,获得了5~24 K温区内Cu-ETP等温压缩系数外推值。极低温区Cu-ETP等温压缩系数原位测量结果和外推计算结果可为热力学温度测量、气体基本热物性测量等提供参考数据。

基于遗传算法的双压氢液化流程性能优化研究

由于液氢具有储氢密度高等显著优势,因此氢液化技术是实现氢大规模化应用的关键技术之一。构建了双压Claude循环的氢膨胀制冷氢液化循环流程,调用Refprop软件物性库确保物性数据的准确性,利用遗传算法以总比功耗为优化目标,开展了氢液化流程热力参数设计与优化。优化后流程氢液化率达到6.5 t/d,液氢产品仲氢含量95%,总比功耗为10.53 kW·h/kg,流程(火用)效率为35.72%。给出了低温各部件(除却压缩机和水冷器部分)的(火用)损失分布和各部件(火用)损失占比;可为大型工业级氢液化装置研制提供参考。

不同状态方程对于氢热物性预测的对比研究

从状态方程的角度出发,针对不同状态方程在低温高压范围内对于氢热力学性质的预测展开研究,利用目前使用较多的立方型以及多参数状态方程对于氢的PVT数据、等容热容、等压热容、焓、熵等热力学性质进行计算。将计算结果与NIST数据库给出的标准值进行比较,并对方程参数进行修正,进一步探讨了各个压力段不同状态方程的优劣以及误差产生的原因,为之后状态方程的使用、改进以及液氢相关设备的设计提出了建议。

深冷处理技术对YG20硬质合金耐磨性的影响

研究了不同深冷处理工艺对YG20硬质合金耐磨性的影响,同时,对磨损形貌和微观组织进行了分析。结果表明,深冷处理能够显著提高YG20硬质合金的耐磨性,且深冷处理温度越低,耐磨性改善效果越好。深冷处理增强了粘结相Co与硬质相WC之间的结合力,有效降低YG20硬质合金表面的破损。深冷处理促使WC颗粒表面产生致密的鱼鳞状形貌。

R290工质直线压缩机的性能实验研究

根据R290工质的商业冷柜的制冷需求,开发了直线压缩机样机,开展了国标工况下的制冷性能实验研究。实验结果显示,直线压缩机样机在供电电压145 V,频率70.2 Hz条件下,制冷量为604 W,制冷COP为1.42,部分负荷制冷COP会发生一定的衰减,负荷率越低衰减越大,40%制冷量时COP仅为1.02。降低供电频率导致其与固有频率的偏离增大时,制冷量和COP也出现了较大的衰减。功耗分析表明,为提高直线压缩机能效,需要从直线电机的性能系数和降低活塞与气缸配合间隙两方面同时进行优化。

大型低温超流氦制冷系统

极端条件推动了前沿科学技术研究的发展,作为基本物理量的温度向绝对零度发展的过程是一个十分重要的极端条件,并且由此还带来了一系列特殊的极端环境。近年来我国应用于大科学工程的大型低温制冷系统取得了较大的进展,但是还不能满足科学研究飞速发展的需要。探讨了我国进一步发展大型低温制冷系统的需求与研究重点。

低温风洞大空间液氮喷雾冷却数值模拟分析

液氮喷雾冷却技术是实现低温风洞的降温及提高风洞试验雷诺数的最佳途径,为了深入研究液氮喷雾在风洞内的降温特性,应用CFD软件对低温风洞中液氮喷射制冷段部分的流动换热进行了数值模拟,分析了不同流场速度对于下游温度场的影响。建立了三维流体动力学模型,考虑顺流与垂直喷射两种喷嘴布置结构,考虑了液滴的蒸发、碰撞与破碎,在不同气流速度和温度下,获得了下游雾场分布特性。数值结果显示:来流速度的增加会加速液氮蒸发,从而降低下游的平均温度,但来流速度的增加会减小下游雾场的覆盖区域,导致计算区域温度不均匀;垂直喷射增加了来流与液氮颗粒之间的相对速度,降温效果优于顺流喷射。

三元混合物的爆炸极限实验

参照国标GB/12474-90的有关规定,设计了一套测试可燃气体爆炸极限的实验装置。系统地测量了三元混合物R290+R152a+R134的爆炸极限,积累了爆炸极限数据,绘制了爆炸极限曲线。混合物的临界爆炸比(CFR),随着R290/R152a体积比的增大而增大。

大口径低温管道变工况漏热特性分析与优化

建立了一个包含辐射漏热、固体导热和残余气体导热分析的复合热力学模型,对高真空绝热低温管道在热边界温度(环境温度)变化、冷边界温度变化(压力变化或者改变流体)和真空度变化等变工况的漏热特性开展了研究。结果表明,热边界温度(环境温度)对漏热量的影响显著高于冷边界温度改变(流体种类改变或者管道内压力变化)导致的影响;当真空度为10-10^-2Pa区间,随着真空的改善,漏热量明显变小,不过当真空度优于10^-3Pa时,真空的进一步改善对漏热量的影响不再显著。