脉冲强磁场氦液化制冷系统流程及换热器的优化分析

论文摘要

脉冲强磁场装置是开展极端条件下科学研究的重要装置,低温系统是其重要组成部分,是整个装置可靠运行的前提和保障。脉冲强磁场装置低温系统主要由液氮系统、液4He系统、超流氦系统、3He系统,3He-4He稀释制冷系统、GM制冷机系统等组成。本文设计了以柯林斯循环为基础的100L/h氦液化循环制冷系统。柯林斯氦液化循环在中型氦液化装置中有着其自身的特点,它采用了两台膨胀机和液氮预冷,具有四个冷却级,其中温度最高的第一级为液氮预冷,温度最低的一级采用节流阀,其余为两台工作于不同温区的膨胀机。整个循环具有循环效率高和经济性好的特点。对柯林斯氦液化循环装置流程进行设计计算,讨论其中主要热力机械设备（螺杆压缩机、氦透平膨胀机）的特点及选型。围绕其关键部件——换热器的选型、设计方法、结构参数影响和结构优化设计展开了理论研究工作。对氦液化循环系统中的换热器选择汉普逊型翅片绕管式换热器,研究并给出了换热器的热力及结构设计方法,并分析了影响换热器结构与传热流动的主要因素。以传热高效、结构紧凑为目的,制定了一单位传热量下所需要的绕管式换热器的体积为目标函数,以函数变量相互制约条件和工程设计要求作为约束条件,对影响换热器的几何参数进行了优化设计,得到了优化结果。上述绕管式换热器的优化和设计方法可通用于同类结构的换热器。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 氦液化系统国内外发展现状
• 1.3 氦液化制冷系统的发展趋势
• 1.4 本文工作的主要内容和研究方案
• 2 氦液化循环系统的研究
• 2.1 液氦的获得方式
• 2.2 氦液化循环的分类
• 2.3 氦液化制冷系统流程研究
• 2.4 本章小结
• 3 低温换热器的传热及结构影响因素分析
• 3.1 低温换热器的传热流动性能研究
• 3.2 低温换热器的选型
• 3.3 滚轧翅片管绕管式换热器的传热研究
• 3.4 结构参数对翅片绕管的影响
• 3.5 本章小结
• 4 汉普逊型翅片绕管式换热器结构的优化
• 4.1 最优化数学模型的建立
• 4.2 优化方法及程序设计
• 4.3 优化结果
• 4.4 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献