液氮温区低温气体引射器的设计及实验研究

采用低温流体提供冷量时,由于热负载的波动,低温液体蒸发量和腔体内部压力会随之变化,为保持其稳定,设计了一种用于液氮温区的低温引射器,可有效地将饱和氮气从储罐中引出。介绍了低温气体引射器的设计方法并开展实验研究,发现随着工作压力和引射压力的升高,出口压力和引射比不断升高。

低温氦气向心透平变工况特性研究

以低温氦气为流动工质,采用实际气体模型计算工质物性,进行低温氦气向心透平的气动设计与性能研究。运用数值模拟方法,对所设计的氦气透平膨胀机进行设计和非设计工况下的三维稳态流场分析。结果显示:在设计工况下,流道内的流场合理,气动性能符合设计要求;在变工况条件下,随着转速的增大,效率先增大后减小,在设计转速时最大。漩涡的出现会导致透平效率迅速下降。当转速一定时,随着膨胀比的增大,质量流量近似线性的增大,效率先增大后减小,在设计膨胀比时最大;转速的减小可使最大效率点对应的膨胀比减小;转速的变化对流量几乎没有影响;随着入口温度增大,质量流量逐渐降低,效率先增大后降低,在设计入口温度下最大。

部分流低温液氮泵性能及流动特性仿真研究

对部分流低温液氮泵进行了外特性及内流场特性的数值模拟研究。通过两种数学模型及不同计算方法的对比,以扬程的预测差异为依据,确定了采用SIMPLEC压力耦合方式标准湍流模型最为精准,扬程偏差在4%以内。泵内流场的分析可知,泵的速度流场分布与部分流泵的设计理论相符;模拟的叶片头部的负压区验证了实验中的零压头现象。

污氦气配气系统研制和实验研究

为了研究氦基混合气体在氦液化器中内纯化器里的分凝分离纯化机理,同时积累更多的内纯化器设计、研制和性能提高的相关实验数据,需要开展氦基混合气体在低温下纯化实验研究。因此,搭建了内纯化器实验平台,配气系统装置是内纯化器实验平台的重要组成部分。配气系统可以实现不同组分的氦基两元混合气体的配比,通过对配气系统配置的气体进行分析检测,测量结果与理论计算的误差在5%范围内。最终配气实验的结果表明配气系统能满足内纯化实验对氦基混合气体的要求。

深低温可重复使用密封结构设计及试验

提出了一种低温下可重复使用低安装力矩管路密封连接结构,对其进行了结构设计,该结构采用台阶式双道密封连接结构,主密封选用金属碟形圈,采用橡胶O形圈作为辅助密封,对于可能泄漏出金属密封部位的少量气体进行二次密封,从而提高了整体密封可靠性。对安装力矩及密封性能进行了计算分析,确定了安装力矩范围。开展了安装力矩及常温气密试验、常低温循环试验,试验结果表明该密封结构能够满足管路系统低温下重复使用的密封要求。

多层绝热和支撑辐射对低温传输管线的影响分析

为了确保低温传输管线的设计质量,采用高真空多层绝热方式减少管线的漏热。通过分析多层绝热和支撑表面辐射,对低温传输管线进行了传热模拟研究,得到了内管道壁面间的辐射换热量和支撑总体漏热量。分析了三角形和正方形支撑漏热量的不同;同时对比了不同发射率支撑表面下,支撑辐射换热量、导热量和温度分布的变化。结果表明:在满足支撑强度条件下,应当增大热传导距离,减小支撑的接触面积以及辐射换热面积;随着支撑表面发射率增大,支撑表面辐射换热量增加,导热量减少,总体漏热量增大,当发射率为1时,模拟得到的漏热量仍小于1 W/m。

小型径-轴流式透平膨胀机全通流部分数值模拟及实验校核

通过对某小型透平膨胀机二级透平冷却降温实验,利用ANSYS软件进行CFX数值模拟进而与实验结果进行比较校核,基本吻合实验情况,说明三维数值模拟结果具有一定的准确性,在网格和边界条件设置中选用节点控制法和SST湍流模型以达到最优解;对模拟与实验结果中差别较大的等熵效率做了详尽的分析,为今后小型透平的数值模拟提供了可参考信息。

基于遗传算法的20 K氦制冷机的优化设计及其热力学分析

通过计算机程序实现10 k W@20 K的大型氦制冷机的热力学过程,在此基础上分析了流程中压缩机和透平膨胀机入口压力对系统制冷系数和效率的影响。同时与Matlab编写的遗传算法接口相连交互数据,从而实现针对该制冷机热力学参数的优化。选取制冷量和系统效率的加权值为优化目标,压缩机和透平膨胀机入口压力为待优化参数,通过遗传算法(GA)的优化计算得到了稳定的最优解,表明遗传算法在优化大型制冷系统过程中可以快速高效搜索到满足目标要求的全局最优解。

深低温球内伪稳态自然对流换热研究

基于CFD仿真软件FLUENT,建立了封闭球形容腔内氦气关键物性参数随温度变化的深低温自然对流仿真模型。利用该模型对封闭球形容腔内20～100 K温度下不同瑞利数(10~8<Ra<10^(11))伪稳态自然对流换热进行了数值模拟,得到了速度场分布、温度场分布和努塞尔数(Nu).开展了液氢温区球形封闭容腔内氦气伪稳态自然对流换热试验。通过与试验数据的对比分析,验证了本文所提出的深低温自然对流模型的有效性。利用最小二乘法,获得了深低温球形容腔内氦气自然对流换热准则数方程。

2500 W@4.5 K&500 W@2 K氦制冷机可靠性可用性分析

中国科学院理化技术研究所研制了一台2500 W@4.5 K&500 W@2 K氦制冷机,从建立模型和收集数据两个方面入手,评估了该制冷机的可靠性和可用性。可靠性框图方法结合了故障模式、效应及危害度分析方法FMECA,采用低温部件失效的新输入数据,对制冷机进行了可靠性分析,计算了制冷机各部件的静态可靠度重要性。对压缩机、PLC控制系统的维修时间也进行了拟合,对制冷机进行了可用性分析。结果表明,影响2500 W@4.5 K&500 W@2 K氦制冷机长期可靠性的关键设备是压缩机,透平,冷压缩机等动设备,液氮预冷系统,PLC控制系统和真空系统等辅助系统,并提出了提高氦制冷机可靠性可用性的改进措施。

基于火积耗散热阻的Collins氦液化循环的优化分析

在固定换热器有效度的前提下,针对氦液化循环中的透平流量进行优化分析,结果发现,对于Collins循环而言,当每一级透平的流量相等且透平总流量为压缩机流量的80%时,所获得的液化率最大。由换热器热容比出发,引进了基于火积耗散热阻的概念,从换热器热容比引起热阻改变,从而影响换热状况的角度探究了这一结论的根本机理。所用的分析方法可用于其它流程的分析。

液氦传输管线的支撑设计和静力学分析

液氦传输管线是大型氦低温制冷设备高效运行和冷量运输的保障。为了设计出满足工程要求的管线,采用高真空多层绝热能减少管线的漏热。与此同时,选择合适的支撑结构和布置间距对减少漏热和满足强度要求是十分重要的。采用有限元软件ANSYS对液氦传输管线的支撑和补偿件等进行了静力学分析,结果表明:设计的液氦管线每间隔3 m布置一个支撑能很好的满足强度和减少漏热的要求;同时采用的波纹管进行低温应力补偿,对应力集中点进行了分析,模拟结果能满足强度要求,论证了管道设计的合理性和可行性。

一种低温可视化相平衡实验装置

混合工质的相平衡数据是相关工艺和流程设计的基础,然而在低温区实验数据匮乏,导致设计低温焦耳-汤姆逊节流制冷循环、优化空气液化流程、开发甲烷混合推进剂等重要应用缺乏数据支撑。本文搭建了一台低温可视化相平衡实验装置,可以测量温度40~300 K、压力0~5 MPa范围内的相平衡数据。基于装置内置低温电机实现待测工质的无轴搅拌,同时加快恒温浴内氦气的循环流动,为相平衡实验提供可靠的恒温环境。装置通过温度-时间曲线法实现工质固液相平衡特性的测量,实验的温度、压力最大不确定度分别不超过0.6 K和20 Pa。此外装置可以拓展功能,基于静态法可以测量流体的气液、液液相平衡特性,通过光学手段测量流体的迁移物性(如热扩散率、表面张力等)。

氖气液化工艺参数优化分析

目前适用于实验室用小型氖气液化方法主要有液氮预冷后节流液化以及制冷机提供冷量直接液化,基于Aspen HYSYS软件针对上述两种液化工艺流程进行了仿真计算,分析了进气压力和预冷温度对节流后氖的干度及进气压力和制冷量对制冷机做冷源时氖液化量的影响规律。结果表明,随着进气压力从20×105 Pa增大到200×105 Pa,节流前能够使氖气液化的最高预冷温度从43.6 K增大到68.3 K,且节流前采取气体回热可有效降低预冷温度。在使用两级G-M制冷机直接液化流程中,一级冷量预冷后的氖液化量约为未预冷时的3倍。

冷压缩机用多级连接管路的数值模拟

多级串联冷压缩机系统是大型超流氦低温系统关键部件,其每一级冷压缩机的性能同时受前后管网流动影响较大。为探究管路特性影响,结合实际系统中冷压缩机间低温连接管路的结构,建立了流-热耦合分析仿真模型,重点研究了管路内粗糙度、旋度流动特征及波纹管结构特征对气体流动特性的影响。结果表明管路粗糙度和流体旋度的变化会显著引起管路内总压的损失,同时分析得出波纹管的波节数和导流筒结构对管路内氦气流动的影响规律。

低温透平膨胀机的热力参数计算及数值模拟校核

针对某液化装置用一级透平膨胀机进行一维热力参数设计计算并使用商业软件ANSYS进行三维数值模拟的校核。计算表明,一维设计所得结果具有一定准确性。三维校核过程中,分别使用理想气体、PR方程以及He Pak三种不同的氦气体工质物性库,三者对工质密度计算的数据存在较大差别,且压力越大差别越大;喷嘴叶片表面压力分布差别较小,温度分布差别较大;工作轮叶片表面压力分布在前缘处有一定差别,尾缘处变化曲线基本重合,温度分布同样差别较大。此次模拟校核表明,理想气体物性库与实际气体物性库的结果存在一定偏差,故对于小型低温透平膨胀机而言,即便温区在20K以上,也应使用实际气体物性库对其进行数值模拟。

超低温离心式冷压缩机通流部分设计与分析

冷压缩机设计目标总压比为15,设计为三级串联运行,设计压比分别为3.2,2.5,1.875,压缩工质为超低温负压氦气。通过气动计算与模拟优化,得到了合理的三级冷压缩机各级转速与各项几何参数。通过CFD模拟计算,得到了三级冷压缩机在设计工况下的流量、压比和等熵效率值。并以第一级为例,对压缩机内部模拟流场进行了分析,表明设计冷压缩机内部流场压力分布均匀,没有出现较大的流动分离与激波。通过对各级冷压缩机选取大量工况点进行模拟计算,得到了各级的预估工作性能曲线。结果表明,各级的设计都满足流量范围随级数增加而增大的要求,且各级目标工况处都在该级的高效区范围内,能够满足设计目标。