CN107905992A - 一种超低温冷压缩机性能试验系统 - Google Patents
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Abstract
一种超低温冷压缩机性能试验系统，包括第一储罐、过冷池、控压装置、负压换热器、节流阀、第二储罐、待测冷压缩机单元、负压加热器、压缩组件、液化装置和第三储罐，其中，第一储罐、过冷池、负压换热器、节流阀、第二储罐和待测冷压缩机单元设于冷箱内。上述试验系统，通过设置冷箱将待测冷压缩机单元测试平台与氦液化装置分离开来，且通过设置第三储罐起液氦缓冲作用，使得待测冷压缩机单元测试系统与制冷系统各自相对独立，提高测试过程中的稳定性与可靠性。此外，通过在第一储罐出口设置过冷池，提供一定过冷度的液氦，保证待测冷压缩机单元在低温下的入口温度测试范围，为待测冷压缩机单元的设计工况及变工况测试提供可行的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及制冷设备技术领域，尤其涉及一种超低温冷压缩机性能试验系统。
背景技术
近年来，随着我国大科学装置的建立，为其提供冷源的关键制冷设备-超流氦系统的研究和开发增强。为了保证大科学装置在非设计工况，极端运行条件下的安全性，则必须界定整个超流氦低温系统的安全工作范围。作为低温系统核心运动部件-低温压缩机，需要对其进行低温性能测试，以检测其是否能满足性能要求及相关质量标准，为开发研制出稳定运行、高效的低温压缩机(组)以及为进一步的优化设计提供基础参考数据。如果采用氦气进行冷压缩机的常温测试，由于密度的差异，导致冷压缩机的流量非常小，难以运行。因此，为了测试超流氦系统中低温压缩机(组)的工作范围，必须设法对低温压缩机在超流氦温区下进行充分的实验研究，建立低温压缩机性能试验系统必不可少。
基于上述描述，目前已有冷压缩机测试是将其接入4.5K制冷系统直接测试，一方面与4.5K制冷系统耦合在一起，增大集中调试难度。另外一方面，缺乏压缩机的入口状态参数调节手段，局限于测试额定入口温度下的冷压缩机性能参数。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种测试环境稳定性、可靠性，满足冷压缩机变工况运行的性能要求的超低温冷压缩机性能试验系统。
一种超低温冷压缩机性能试验系统，包括第一储罐、过冷池、控压装置、负压换热器、节流阀、第二储罐、待测冷压缩机单元、负压加热器、压缩组件、液化装置和第三储罐，其中，所述第一储罐、所述过冷池、所述负压换热器、所述节流阀、所述第二储罐和所述待测冷压缩机单元设于冷箱内，所述过冷池包括外壳和设于所述外壳内的换热器；
所述第一储罐的出口和所述过冷池内的所述换热器的入口连通，所述过冷池内的所述换热器的出口与所述负压换热器的高压侧入口连通，所述负压换热器的高压侧出口与所述节流阀的入口连通，所述节流阀的出口和所述第二储罐的入口连通，所述第二储罐的出口和所述负压换热器的低压侧入口连通，所述负压换热器的低压侧出口和所述待测冷压缩机单元的入口连通，所述待测冷压缩机单元的出口和所述负压加热器的入口连通，所述负压加热器的出口和所述压缩组件的入口连通，所述压缩组件的出口和所述液化装置的入口连通，所述液化装置的出口和所述第三储罐的入口连通，所述第三储罐的出口和所述第一储罐的入口连通，所述第三储罐的出口还和所述过冷池的外壳的第一入口连通，所述控压装置和所述过冷池的外壳的第二入口连通，所述控压装置为负压装置或正压装置。
在一个实施例中，所述压缩组件包括真空泵和压缩机，所述负压加热器的出口和所述真空泵的入口连通，所述真空泵的出口和所述压缩机的入口连通，所述压缩机的出口和所述液化装置的入口连通。
在一个实施例中，还包括回收气囊，所述压缩机的出口还和所述回收气囊的入口连通。
在一个实施例中，还包括流量计，所述负压加热器的出口和所述流量计的入口连通，所述流量计的出口和所述压缩组件的入口连通。
在一个实施例中，所述冷箱为真空冷箱，所述冷箱内设有液氮冷屏。
在一个实施例中，还包括旁通阀，所述旁通阀和所述待测冷压缩机单元并联设置。
在一个实施例中，所述待测冷压缩机单元的入口还设有阀门。
在一个实施例中，所述第二储罐还设有模拟负载加热器。
在一个实施例中，所述第一储罐为储存4.5K液氦的储罐，所述第二储罐为储存2K超流氦的储罐，所述第三储罐为储存4.5K液氦的储罐。
上述超低温冷压缩机性能试验系统，通过设置冷箱将待测冷压缩机单元测试平台与氦液化装置分离开来，使得待测冷压缩机单元测试平台控制方便，在不对已有的制冷系统进行改造的情况下，提供低温环境，提高测试过程中的稳定性与可靠性。通过设置第三储罐起液氦缓冲作用，使得待测冷压缩机单元测试系统与制冷系统各自相对独立，防止相互干扰，保证待测冷压缩机单元测试环境稳定性、可靠性。此外，在待测冷压缩机单元测试过程中需要首先通过液氦的节流产生超流氦，由于管道及设备的阻力会导致液氦部分气化，导致待测冷压缩机单元入口的状态参数发生变化，不能保证完整的测试工况范围。因此，上述超低温冷压缩机性能试验系统进一步通过在第一储罐出口设置过冷池，并控制过冷池的过冷度，提供一定过冷度的液氦，一方面保证了设计工况下待测冷压缩机单元的入口温度，另一方面还能够在偏离待测冷压缩机单元入口温度的情况下，测试待测冷压缩机单元的性能参数变化，满足待测冷压缩机单元变工况运行的性能要求。
附图说明
图1为一实施方式的超低温冷压缩机性能试验系统的结构示意图；
图2为实施例1的超低温冷压缩机性能试验系统的结构示意图；
图3为实施例2的超低温冷压缩机性能试验系统的结构示意图；
图4为实施例2中负压换热器的参数的计算方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一实施方式的超低温冷压缩机性能试验系统100，包括第一储罐10、过冷池20、控压装置22、负压换热器30、节流阀40、第二储罐50、待测冷压缩机单元60、负压加热器70、压缩组件、液化装置90和第三储罐95。其中，第一储罐10、过冷池20、负压换热器30、节流阀40、第二储罐50和待测冷压缩机单元60设于冷箱96内，过冷池20包括外壳(图未标)和设于外壳内的换热器(图未标)。
第一储罐10的出口和过冷池20内的换热器的入口连通，过冷池20内的换热器的出口与负压换热器30的高压侧入口连通，负压换热器30的高压侧出口与节流阀40的入口连通，节流阀40的出口和第二储罐50的入口连通，第二储罐50的出口和负压换热器30的低压侧入口连通，负压换热器30的低压侧出口和待测冷压缩机单元60的入口连通。负压换热器30用于完成液氦的过冷以及氦蒸汽的冷量回收。待测冷压缩机单元60的出口和负压加热器70的入口连通，负压加热器70的出口和压缩组件的入口连通，压缩组件的出口和液化装置90的入口连通，液化装置90的出口和第三储罐95的入口连通，第三储罐95的出口和第一储罐10的入口连通，第三储罐95的出口还和过冷池20的外壳的第一入口连通，控压装置22和过冷池20的外壳的第二入口连通，控压装置22为负压装置或正压装置。
控压装置22用于控制过冷池20内的压力，通过过冷池20内换热器内部流体的饱和压力与过冷池20外壳内流体的压力差异，实现其蒸发温度的差异，控制负压换热器30的高压入口侧温度，从而影响待测冷压缩机单元60的入口的温度变化。在如图2所示的实施例中，控压装置22为设置起跳压力为大气压的安全阀或者泄压阀等，不需要采用负压系统直接控制过冷池20的压力为大气压。在图3所示的实施例中，控压装置22为负压装置，控压装置22用于控制过冷池20的外壳内为负压。可以理解，负压装置可以为负压真空泵组装置。
在如图1所示的实施方式中，压缩组件包括真空泵82和压缩机84。压缩机84可以为螺杆压缩机。负压加热器70的出口和真空泵82的入口连通，真空泵82的出口和压缩机84的入口连通，压缩机84的出口和液化装置90的入口连通。
在如图1所示的实施方式中，超低温冷压缩机性能试验系统100还包括回收气囊86，压缩机84的出口还和回收气囊86的入口连通。
在如图1所示的实施方式中，超低温冷压缩机性能试验系统100还包括流量计72，负压加热器70的出口和流量计72的入口连通，流量计72的出口和压缩组件的入口连通。具体的，在图1所示的实施方式中，流量计72的出口和真空泵82的入口连通。
在如图1所示的实施方式中，冷箱96为真空冷箱，冷箱96内设有液氮冷屏(图未示)。
在如图1所示的实施方式中，超低温冷压缩机性能试验系统100还包括旁通阀62，旁通阀62和待测冷压缩机单元60并联设置。通过控制旁通阀62的开度可以控制待测冷压缩机单元60的流量。
在如图1所示的实施方式中，待测冷压缩机单元60包括三台串联的冷压缩机。可以理解，待测冷压缩机单元60也可以只包括一台冷压缩机或者包括几台冷压缩机。
在图1所示的实施方式中，待测冷压缩机单元60的入口还设有阀门64。阀门64用于控制待测冷压缩机单元60的开启和关闭。
在图1所示的实施方式中，第二储罐50还设有模拟负载加热器52。
在一个实施方式中，第一储罐10可以为储存4.5K液氦的储罐，第二储罐50可以为储存2K超流氦的储罐，第三储罐95可以为储存4.5K液氦的储罐。第二储罐50主要用于储存节流之后产生的超流氦。
在图1所示的实施方式中，第三储罐95的出口和一个三通的入口连通，三通的第一出口和第一储罐10的入口连通，三通的第二出口和过冷池20的外壳的第一入口连通。具体的，第一储罐10的入口设有阀门12，三通的第一出口和阀门12连通。过冷池20外壳的第一入口设有阀门14，三通的第二出口和阀门14连通。
上述超低温冷压缩机性能试验系统100，液化装置90生产的液氦存储在第三储罐95中，第三储罐95起中间缓冲作用，当储存到一定液位时，打开阀门12和阀门14进行降温，第三储罐95的液氦分成两股，一股流入第一储罐10，一股流入过冷池20的外壳内。从第一储罐10出口流出的液氦流入过冷池20内的换热器后进入负压换热器30降温，经节流阀40减压降温后，变为超流氦，超流氦与模拟负载加热器(或者用户)52换热之后变为超流氦蒸气进入负压换热器30回热，当待测冷压缩机单元60入口的压力降低到约20kPa时，开启待测冷压缩机单元60，通过旁通阀62的开度调节，控制通过待测冷压缩机单元60的流量，进行待测冷压缩机单元60的变工况性能测试。氦气经待测冷压缩机单元60增压后，进入负压加热器70升温到常温后经真空泵82增压到常压，再经压缩机84加压到回收气囊86或者返回到液化装置11中，再进入第三储罐95。
上述超低温冷压缩机性能试验系统100，通过设置冷箱96将待测冷压缩机单元60测试平台与氦液化装置分离开来，使得待测冷压缩机单元60测试平台控制方便，在不对已有的制冷系统进行改造的情况下，提供低温环境，提高测试过程中的稳定性与可靠性。通过设置第三储罐95起液氦缓冲作用，使得待测冷压缩机单元60测试系统与制冷系统各自相对独立，防止相互干扰，保证待测冷压缩机单元60测试环境稳定性、可靠性。此外，在待测冷压缩机单元60测试过程中需要首先通过液氦的节流产生超流氦，由于管道及设备的阻力会导致液氦部分气化，导致待测冷压缩机单元60入口的状态参数发生变化，不能保证完整的测试工况范围。因此，上述超低温冷压缩机性能试验系统100进一步通过在第一储罐10出口设置过冷池20，并控制过冷池20的过冷度，提供一定过冷度的液氦，一方面保证了设计工况下待测冷压缩机单元60的入口温度，另一方面还能够在偏离待测冷压缩机单元60入口温度的情况下，测试待测冷压缩机单元60的性能参数变化，满足待测冷压缩机单元60变工况运行的性能要求。
下面从以下两个实施例进行超低温冷压缩机60性能测试。
实施例1
请参阅图2，本实施例提供一种过冷液池内氦蒸汽压力为常压的超低温冷压缩机性能试验系统，其中，控压装置22为保持过冷液池20内的压力为一个大气压的阀门。第一储罐10可以为储存4.5K液氦的储罐，第二储罐50可以为储存2K超流氦的储罐，第三储罐95可以为储存4.5K液氦的储罐。假设本实施例中的负压换热器30的设计参数如下表1所示，则可通过计算得到其对数平均温差为0.53K，通过进出口的焓值得到负压换热器30的换热量为336W。其设计负压换热器30的UA值为633J/K-s：
表1负压换热器的额定设计参数
本实施例中通过阀门的设置使得过冷池20内的氦蒸气压力为一个大气压，保证了负压换热器的出口温度在设计工况范围内，防止了由于管路摩擦等造成的气体蒸发导致的测试过程中待测冷压缩机单元60入口达不到设计温度。
实施例2
请参阅图3，本实施例提供一种带有负压系统过冷池20的超低温冷压缩机性能试验系统。其中，控压装置22为负压真空泵组，通过其转速设置，可以控制过冷池20内的压力。第一储罐10可以为储存4.5K液氦的储罐，第二储罐50可以为储存2K超流氦的储罐，第三储罐95可以为储存4.5K液氦的储罐。该超低温冷压缩机性能试验系统的功能能够拓宽待测冷压缩机单元60的测试范围，待测冷压缩机单元60在可能的偏离设计工况下工作。实施例2在实施例1的基础上，通过设置控压装置22，控制过冷池20内的压力，从而能够符合多种工况下对于待测冷压缩机单元60入口温度的要求，测试其偏离设计工况的性能参数。按照实施例1中的保持负压换热器30的设计参数即换热器的设计UA值不变，假设待测冷压缩机单元60入口温度偏离设计工况90％情况下(即待测冷压缩机单元60入口温度为3K)的系统性能，按照流程图4可以计算得到负压换热器30的参数。
请参考图4，负压换热器30的参数的计算方法包括如下步骤：
S1、输入条件，饱和超流氦温度T3，负压换热器高压侧压力P1，冷流和热流的流量，压降，设计负压换热器UA。
S2、设定待测冷压缩机单元入口测试温度T4。
S3、计算负压换热器负荷Q。
S4、假定负压换热器高压侧入口温度T1。
S5、计算负压换热器高压侧出口温度T2，及实际负压换热器UA’。
S6、判断UA’与UA的相对误差是否小于设定值，若是，则进入下一步，若否，则返回S4。
S7、计算负压系统控制压力等参数。
按照图4计算得到的负压换热器30的参数如下：
表2负压换热器的变工况参数
在此工况下，负压换热器30的热流的入口需为4K，因此，可以通过控制控压装置22，将过冷池20的压力降低为0.8bar，则能满足上述待测冷压缩机单元60入口温度偏离设计工况90％的性能测试要求。
本申请以制冷剂氦气作为举例，其同样适用于N2，氟利昂等其他制冷剂用压缩机的测试。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种超低温冷压缩机性能试验系统，其特征在于，包括第一储罐、过冷池、控压装置、负压换热器、节流阀、第二储罐、待测冷压缩机单元、负压加热器、压缩组件、液化装置和第三储罐，其中，所述第一储罐、所述过冷池、所述负压换热器、所述节流阀、所述第二储罐和所述待测冷压缩机单元设于冷箱内，所述过冷池包括外壳和设于所述外壳内的换热器；
所述第一储罐的出口和所述过冷池内的所述换热器的入口连通，所述过冷池内的所述换热器的出口与所述负压换热器的高压侧入口连通，所述负压换热器的高压侧出口与所述节流阀的入口连通，所述节流阀的出口和所述第二储罐的入口连通，所述第二储罐的出口和所述负压换热器的低压侧入口连通，所述负压换热器的低压侧出口和所述待测冷压缩机单元的入口连通，所述待测冷压缩机单元的出口和所述负压加热器的入口连通，所述负压加热器的出口和所述压缩组件的入口连通，所述压缩组件的出口和所述液化装置的入口连通，所述液化装置的出口和所述第三储罐的入口连通，所述第三储罐的出口和所述第一储罐的入口连通，所述第三储罐的出口还和所述过冷池的外壳的第一入口连通，所述控压装置和所述过冷池的外壳的第二入口连通，所述控压装置为负压装置或正压装置。
2.如权利要求1所述的超低温冷压缩机性能试验系统，其特征在于，所述压缩组件包括真空泵和压缩机，所述负压加热器的出口和所述真空泵的入口连通，所述真空泵的出口和所述压缩机的入口连通，所述压缩机的出口和所述液化装置的入口连通。
3.如权利要求2所述的超低温冷压缩机性能试验系统，其特征在于，还包括回收气囊，所述压缩机的出口还和所述回收气囊的入口连通。
4.如权利要求1所述的超低温冷压缩机性能试验系统，其特征在于，还包括流量计，所述负压加热器的出口和所述流量计的入口连通，所述流量计的出口和所述压缩组件的入口连通。
5.如权利要求1所述的超低温冷压缩机性能试验系统，其特征在于，所述冷箱为真空冷箱，所述冷箱内设有液氮冷屏。
6.如权利要求1所述的超低温冷压缩机性能试验系统，其特征在于，还包括旁通阀，所述旁通阀和所述待测冷压缩机单元并联设置。
7.如权利要求1所述的超低温冷压缩机性能试验系统，其特征在于，所述待测冷压缩机单元的入口还设有阀门。
8.如权利要求1所述的超低温冷压缩机性能试验系统，其特征在于，所述第二储罐还设有模拟负载加热器。
9.如权利要求1所述的超低温冷压缩机性能试验系统，其特征在于，所述第一储罐为储存4.5K液氦的储罐，所述第二储罐为储存2K超流氦的储罐，所述第三储罐为储存4.5K液氦的储罐。
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- 2017-11-21 CN CN201711171502.0A patent/CN107905992B/zh active Active
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