大型氦制冷机过程模拟技术应用研究综述

随着超导磁体在大科学工程上的快速发展,大型氦制冷机得到了广泛的应用。由于过程模拟技术有助于系统动态特性认识、控制策略设计、过程操作优化等,大型氦制冷机过程模拟技术开始出现并取得了快速发展。本文调研2004年以来大型氦制冷机过程模拟技术文献,分析大型氦制冷机过程模拟技术特点。根据氦制冷机过程模拟方法和模拟成果,归类总结大型氦制冷机过程模拟技术实施手段和应用领域,讨论大型氦制冷机过程模拟技术及其发展趋势。鉴于过程模拟技术的优越性,未来将会出现功能更强的大型氦制冷机过程模拟器和更多的过程模拟应用。     

G-M/J-T氦制冷机系统冷箱漏热分析

冷箱是G-M/J-T氦制冷机系统的核心装置,氦制冷机冷箱由真空杜瓦、热防护屏组件、低温阀门和换热器组等构成,工作温度远低于环境温度。冷箱的漏热是影响G-M/J-T氦制冷机性能的一个重要因素。通过对G-M/J-T氦制冷机冷箱各主要部件的漏热计算,得出了冷箱内部主要部件漏热量分布,并进行了冷箱漏热实验验证,为G-M/J-T氦制冷机系统的优化设计和实验运行提供指导。     

一种低温制冷机用氦压缩机的研究

介绍了低温制冷机系统中氦压缩机的工作原理。通过对一般压机泵的研究,设计了专用的氦压缩机泵,引用了先进的热交换及过滤技术,解决了该类压缩机的滤油问题,延长了其使用寿命,提高了制冷机的可靠性。     

基于可用能和熵产分析500 W/4.5 K氦制冷机优化

利用流程模拟软件对500 W/4.5 K氦制冷机建立静态模型,建立制冷循环的可用能效率以及系统熵产的分析公式。选取透平路分流系数、透平路中间压力、透平路进口温度和压机出口压力关键参数为研究对象,采取氦制冷机的可用能效率分析和系统熵产分析相结合的研究方法,对氦制冷流程进行优化分析。优化后的500 W/4.5 K氦制冷机的透平路分流系数为50%,透平路中间压力为4.7 bar,透平路进口温度为30 K,压机出口压力为10 bar。通过对氦制冷机的性能优化,极大提高了运行效率,减小了能耗。     

ITER气体注入系统汇集管道现场安装阶段的检漏方案

根据ITER设计真空手册泄漏检测的要求,提出了ITER气体注入系统汇集管道在现场安装阶段的检漏方案。对汇集管道内管的检漏采用真空氦喷吹法进行,按照窗口小室的焊接顺序,每完成一个窗口小室内的焊接就进行一次检漏。对内管检漏所需要的最长抽气时间和最长反应时间进行了评估。结果表明,单次检漏的抽气时间在30min以内,检漏的反应时间在10min以内。对汇集管道包容管的检漏采用正压氦吸枪法进行,在包容管所有焊接均完成后一次性进行检漏。     

EAST装置低温系统氦泄漏研究

解决氦泄漏问题,是超导托卡马克装置长期稳定运行的一项重要的任务,分析发生氦泄漏的各种途径,介绍了EAST装置2KW氦制冷机系统防止氦泄漏.     

10kW@20K氦制冷机故障树模型及可靠性分析

研制了一台10k W@20K氦制冷机。为评估该制冷机的可靠性,建立了10k W@20K氦制冷机的故障树模型。收集了国内相似制冷机用户的低温设备失效数据,利用寿命数据软件Weibull拟合了失效数据分布,利用可靠性分析软件Block Sim计算了故障树的顶事件发生概率。通过故障树底事件概率重要度分析,得出主要影响10k W@20K氦制冷机长期可靠性的关键设备是压缩机,透平等设备,并提出了提高氦制冷机可靠性的改进措施。     

基于逆布雷顿循环低温氦透平膨胀机测试平台研制

为了解决EAST低温系统中氦透平膨胀机不稳定性问题和开发新的国产氦透平膨胀机,中科院等离子体物理研究所低温工程研究室研制了低温氦透平膨胀机逆布雷顿循环氦制冷机测试平台,试验平台可以对多种结构类型的低温氦透平膨胀机进行测试,运行效果良好。     

贮箱漏率正压检测方法

氦质谱检漏技术是目前国内外应用较多的一种先进的检漏技术。"贮箱漏率正压检测方法"是为适应航天贮箱结构复杂、漏率要求严格等特点而开发的一种氦质谱检漏方法。被检容器充正压,外部集气容器保持常压或抽成真空,实现正压差累积法检漏和压力真空检漏,消除了人为及环境因素影响,具有检测效率高、结果精确、安全可靠等优点。经测算该检测方法较传统方法可降低成本30%。     

CFETR 25kW 4.5K氦制冷机RAMI初步分析

对25kW/4.5K氦制冷机进行了可靠性、可用性、可维修性和可监测性(RAMI)分析，建立了其可靠性框图，计算并评估了系统的可靠性和可用性。同时，通过故障、影响和危害分析指出了氦制冷机的故障模式，并提出了缓解和维护措施。     

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通过建立检漏结果不确定度的评定模型,应用蒙特卡罗方法对检漏数据进行随机模拟,获得了各输入量的随机样本,计算了检漏结果的不确定度,并与传统评定方法得到的不确定度进行了比较和分析。研究表明,两种方法计算得到的不确定度一致,说明蒙特卡罗方法可以作为评定氦质谱检漏结果不确定度的有效方法,且蒙特卡罗评定方法计算效率更高,应用范围更广。     

蒙特卡罗方法模拟评定氦质谱检漏不确定度

通过建立检漏结果不确定度的评定模型,应用蒙特卡罗方法对检漏数据进行随机模拟,获得了各输入量的随机样本,计算了检漏结果的不确定度,并与传统评定方法得到的不确定度进行了比较和分析。研究表明,两种方法计算得到的不确定度一致,说明蒙特卡罗方法可以作为评定氦质谱检漏结果不确定度的有效方法,且蒙特卡罗评定方法计算效率更高,应用范围更广。     

HL-2M装置真空室预装阶段检漏试验

通过在加工现场和安装现场搭建的真空辅助系统、四极质谱计及氦检漏仪组成的检漏系统,运用残 余气体分析和氦质谱检漏方法在冷态下对 HL-2M 真空室扇形段及真空室整体进行了真空检漏试验。对漏点进行 修复后,测试了真空室的极限真空度和总漏气率等。真空室经过 72h 的抽气后,真空度达到 3.7×10⁻⁵Pa,超过了 1.0×10⁻⁴Pa 的预期预抽真空度。用静态定容法测得的真空室漏放气率为 2.3×10⁻⁷Pa⋅m³⋅s⁻¹,小于设定的真空漏率 技术指标 5×10⁻⁷Pa⋅m³⋅s⁻¹。试验结果表明 HL-2M 装置真空室满足超高真空条件,符合设计要求。     

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介绍了为开展漏孔检测、氘-氦分辨性能及真空检漏技术等相关实验研究而进行的四极质谱计分析与测量系统的研制,描述了真空室结构、抽气设备的选型、测量仪器的选择及控制保护子系统工作方式。对系统进行了包括极限真空、残余气体质谱分析、漏放气率、质谱计性能等测试,结果表明本系统达到了设计要求。     

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用有限元法对EAST装置磁体系统的高性能氦气密复合材料绝缘子性能作了全面的分析.结果表明:绝缘子可满足承受EAST装置耐电压15kV的使用要求;热应力对绝缘子的绝缘层影响最大,外力对绝缘层应力的影响可忽略;EAST复合材料绝缘子具有优良的低温力学性能.     

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对所研制的质谱测量与分析系统进行了性能测试。烘烤后系统的极限真空达到了7.3×10-7Pa,总漏气率为3.84×10-9Pa.m3.s-1。上下球室之间的气体压力,以及漏孔的漏气率与高分辨四极质谱计的氦分压力均呈现了良好的线性关系。结果满足动态流导法真空校准的技术要求,为氘、氦混合气体的测量与分析提供了条件。     

Spatial variations of radon and helium concentrations in soil-gas across the Shan-Chiao fault, Northern Taiwan

Spatial variability of gases like radon and helium in soil-gas can be used for seismic surveillance and for finding fault system. The present study is aimed at determining a possible connection between eventual radon/helium anomalies and active fault. Radon and helium concentrations in subsurface soil-gas have been monitored along the Shan-Chiao fault, Northern Taiwan. Twenty transverse profile surveys have been conducted across the fault, where 235 and 125 samples were collected for helium and radon analyses, respectively. The data analysis clearly reveals anomalous values of both radon and helium along the fault. To find the fault system, where the migration of gases is governed by advection, it is essential to identify the anomalies in both radon and helium together. The consistency of this pattern confirms that radon and helium together can act as a powerful tool for the detection and mapping of active fault zones.     

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利用一套四极质谱气体分析与测试系统,开展MicroVision Plus四极质谱计的氦(He)、氘(D2)分辨性能实验。分别向分析室送入He和D2,记录质谱图,得到质量刻度和分辨率等信息。He+峰位为(4.0022±0.0006)amu;D2+峰位为(4.0246±0.0006)amu。在10-6～10-4Pa的分压范围,观察到He和D2的分辨率随其分压强的增大而减小。在10-7Pa-m3-s-1的He漏孔条件下,调节D2送气量,He+/D2+分压峰值比在10-1量级可以分辨出He。     

输气管道声波法泄漏检测技术的理论与实验研究

为探究输气管道声波法泄漏检测技术的基本原理和研究方法,建立了输气管道泄漏仿真模型和实验模型。首先,研究输气管道发生泄漏时声波产生机理,从而明确声波法泄漏检测技术的工作原理;其次根据声波法泄漏检测的原理建立Fluent仿真模型,通过CFD软件模拟输气管道泄漏得到流场和声场,得到声波信号特征;再次根据声波法泄漏检测的原理搭建实验管道,设计完成声波信号数据采集终端,并在仿真结果指导下完成输气管道泄漏检测实验,采集得到实验数据并进行分析,得到泄漏时声波信号特征并对仿真结果进行验证;最后对比多工况条件下的实验结果和仿真结果,分析不同工况条件对压力波动值的影响规律,从而总结输气管道声波法泄漏检测的仿真与实验研究方法,为声波法泄漏检测的实际工程应用提供理论基础。研究结果表明:输气管道泄漏产生的声波来源于泄漏时气体不稳定流动产生的偶极子声源和四极子声源;仿真模拟和实验研究的方法都可以完成声波法泄漏检测技术的研究,可以对声波法泄漏检测技术的推广和工程应用提供强大的理论支持和可行性保证。结论是:声波法泄漏检测技术可以很好的检测输气管道泄漏,是一种灵敏度高,检测时间短,值得推广的方法。