CN111243767A - 一种低温用户参数模拟实验方法及低温恒温器过冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于聚变反应堆技术，具体涉及一种低温用户参数模拟实验方法及低温恒温器过冷系统，在正常实验工作模式下，利用制冷机产生气液两相氦，储存在液氦杜瓦中，超临界氦送入实验平台，液氮过冷至4.3K后送入实验平台，在进入各个低温用户；再通过制冷机送回到液氦杜瓦中；在非正常实验工作模式时，液氦送至低温恒温器过冷系统中，升压过冷后对低温用户进行冷却，再进入液氦杜瓦中进行气液分离，完成一次迫流氦冷却循环。低温恒温器中内置有氦循环泵和热交换器可以提供大流量的超临界氦冷却和迫流氦冷却方式，依托低温系统产生大流量的液氦，同时在低温系统停机或出现故障时，也可对聚变堆低温用户进行性能测试。
Description
技术领域
本发明属于聚变反应堆技术，具体涉及一种低温系统低温用户参数模拟实验方法。
背景技术
近年来，聚变堆、加速器、强磁场装置等的参数性能不断提高，极大地促进了大型氦低温技术的发展。目前世界上已有液化量从0.5L/h到几千L/h的氦液化装置，制冷量从几十瓦到几十千瓦的氦制冷机。在国际热核反应实验堆(ITER)、中国科学院东方超环(EAST)、核工业西南物理研究院环流器2号M(HL-2M)等国内外聚变装置上，液氦低温系统作为最常规及有效的冷却系统被聚变研究者所采用。聚变堆低温用户中，主要有超导磁体、超导线圈、超导馈线系统、中性束注入低温泵、托卡马克内置低温泵、超导电子回旋装置以及弹丸注入系统等构成，制冷机的制冷量和液化率决定了低温系统的规模大小。由于聚变堆低温用户液氦消耗量巨大，因此，以往的低温系统中低温用户的使用往往伴随着聚变实验的进行，对于低温用户的参数性能测试也往往只能匹配于聚变堆实验参数，具有极大的限制性。
发明内容
本发明的目的是提供一种低温用户参数模拟实验方法及低温恒温器过冷系统，能够在正常实验状态和非正常实验状态下进行低温用户参数性能模拟。
本发明的技术方案如下：
一种低温用户参数模拟实验方法，包括如下步骤：
在正常实验工作模式a下，
步骤1、利用制冷机产生气液两相氦，通过节流阀氦流量产生部分超临界氦；
步骤2、将产生的气液两相氦储存在液氦杜瓦中，将产生的超临界氦送入实验平台；
步骤3、将液氮输入低温恒温器过冷系统中进行过冷至4.3K后送入实验平台，通过低温传输管线进入各个低温用户；
步骤4、液氮在低温用户中完成冷却后，将其通过低温系统的制冷机送回到液氦杜瓦中；
在非正常实验工作模式b下，
步骤5、将储存在液氦杜瓦3中的液氦6经过自增压方式压送至低温恒温器过冷系统中；
步骤6、低温恒温器过冷系统的氦循环泵对液氦进行升压，使液氦流经热交换器进行过冷，然后对低温用户进行冷却，完成后液氦进入液氦杜瓦中进行气液分离，完成一次迫流氦冷却循环。
所述的实验平台进行低温条件下液氮储存和工作的适应性测试。
所述的实验平台采用液氮预冷。
所述步骤4中，留在液氦杜瓦中的液体用于过冷流经的超临界氦，产生的饱和冷氦气则可从液氦杜瓦的回气管线回到低温系统的低压端，用于回收冷量。
液氦纯度为99.999％以上。
液氦杜瓦选用5000～10000L容量。
一种低温恒温器过冷系统，包括低温恒温器、设在低温恒温器内通过管线连接的氦循环泵和热交换器，热交换器通过管线连接至低温用户，液氮通入氦循环泵中，液氦杜瓦和制冷机通过管路连通，并且连通到氦循环泵和热交换器之间的管路上。
本发明的显著效果如下：
液氦经过输液管供给至实验平台，供控实验平台在液氮预冷下，主要设备低温恒温器中内置有氦循环泵和热交换器可以提供大流量的超临界氦冷却和迫流氦冷却方式，同时在低温用户前端配有测试元件，用于性能参数测量。测试完成后的液氦，通过回收管道进入液氦杜瓦中储存，或者直接回到低温系统低压端，完成整个实验过程。
依托低温系统产生大流量的液氦，同时在低温系统停机或出现故障时，也可对聚变堆低温用户进行性能测试。其中，产生的超临界氦和迫流氦均可用于低温用户性能测试。超临界氦压力和温度波动均比较均匀，但流量较小，迫流氦压力和温度波动相对较大，流量也大。
正常实验模式下可由制冷机产生液氦，测试完成后，液氦回收至低温系统低压端，完成循环；非正常实验模式下，可由杜瓦压送液氦，测试完成后，液氦回收至杜瓦中，完成循环。
使用氦循环泵可以极大地提高液氦流量，迫流冷却氦流量远大于超临界氦流量。
设计的两种循环模式，循环a和循环b。当制冷机2出现停机或者低温系统1出现故障时，此时循环a停止，该供控实验平台4进入循环b模式。期间制冷机2提供的超临界氦模式停止，只能采用迫流氦冷却。
附图说明
图1为聚变堆用低温系统供控实验平台示意图；
图2为低温恒温器示意图；
图中：a.正常循环模式，b.非正常循环模式；
1.低温系统；2.制冷机；3.液氦杜瓦；4.实验平台；5.低温用户；6.液氮；7.氦循环泵；8.热交换器；9.压力传感器；10.温度传感器；11.流量计；12.低温恒温器
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
在正常实验工作模式a下。
步骤1、利用低温系统1的核心设备制冷机2，使其经过多级换热和透平膨胀，在出口产生气液两相氦，通过节流阀氦流量产生部分超临界氦；
步骤2、将产生的气液两相氦储存在液氦杜瓦3中，将产生的超临界氦送入低温实验平台4；
步骤3、将液氮6过冷至4.3K后送入低温实验平台4，通过低温传输管线进入各个低温用户5；
低温实验平台4的作用是进行低温条件下液氮6储存和工作的适应性测试。
步骤4、液氮6在低温用户5中完成冷却后，将其通过低温系统1的制冷机2送回到液氦杜瓦3中。
留在液氦杜瓦3中的液体用于过冷流经的超临界氦，产生的饱和冷氦气则可从液氦杜瓦3的回气管线回到低温系统1的低压端，用于回收冷量。
在上述的步骤3中，
将液氮6输入低温恒温器过冷系统中进行过冷。
如图2所示的低温恒温器过冷系统，包括低温恒温器12、设在低温恒温12内通过管线连接的氦循环泵7和热交换器8，热交换器8通过管线连接至低温用户5，液氮6通入氦循环泵7中。低温恒温器12内装有液氦，氦循环泵7和热交换器8均在液氦液面以下，氦循环泵阀杆长度1-1.2m，测试杜瓦高度1.8-2m。
液氦杜瓦3和制冷机2通过管路连通，并且连通到氦循环泵7和热交换器8之间的管路上。
氦循环泵7将液氦6升压，迫使液氦6在管道中流动，升压后的液氦6首先将进入热交换器8进行过冷，再经由低温传输管线对各个低温用户5进行冷却，完成冷却后回到液氦杜瓦3中进行相分离。其中的液体留在液氦杜瓦3中用于过冷流经的带压氦，饱和冷氦气则回到低温系统的低压端，用于回收冷量。
制冷机2经过热交换器8过冷产生超临界氦压力大于2.275bar，氦循环泵7泵头压力0.5-1bar，经过热交换器8产生的迫流氦压力大于1.3bar。
其中低温用户5入口处安装有压力传感器9、温度传感器10及流量计11，可用于监控和测量液氦流质的物理性能。
当聚变实验停机、低温系统不工作、制冷机故障等非正常实验工作模式b下。
步骤5、将储存在液氦杜瓦3中的液氦6经过自增压方式压送至低温恒温器过冷系统中；
步骤6、低温恒温器过冷系统的氦循环泵7对液氦6进行升压，使液氦6流经热交换器8进行过冷，然后对低温用户5进行冷却，完成后液氦进入液氦杜瓦3中进行气液分离，完成一次迫流氦冷却循环；
液氦杜瓦3选用5000～10000L容量，以确保足够长时间完成迫流氦冷却循环过程。最大工作压力10psi(1bar≈14.5psi)，损失为0.5-1.2％/天。
液氦6纯度位99.999％以上。
上述的实验平台4采用液氮预冷至85-90K，比液氦预冷更加经济，同时能充分利用液氦冷量。
Claims (7)
1.一种低温用户参数模拟实验方法，其特征在于，包括如下步骤：
在正常实验工作模式a下，
步骤1、利用制冷机(2)产生气液两相氦，通过节流阀氦流量产生部分超临界氦；
步骤2、将产生的气液两相氦储存在液氦杜瓦(3)中，将产生的超临界氦送入低温实验平台(4)；
步骤3、将液氮(6)输入低温恒温器过冷系统中进行过冷至4.3K后送入低温实验平台(4)，通过低温传输管线进入各个低温用户(5)；
步骤4、液氮(6)在低温用户(5)中完成冷却后，将其通过低温系统(1)的制冷机(2)送回到液氦杜瓦(3)中；
在非正常实验工作模式b下，
步骤5、将储存在液氦杜瓦(3)中的液氦(6)经过自增压方式压送至低温恒温器过冷系统中；
步骤6、低温恒温器过冷系统的氦循环泵(7)对液氦(6)进行升压，使液氦(6)流经热交换器(8)进行过冷，然后对低温用户(5)进行冷却，完成后液氦进入液氦杜瓦(3)中进行气液分离，完成一次迫流氦冷却循环。
2.如权利要求1所述的一种低温用户参数模拟实验方法，其特征在于：所述的实验平台(4)进行低温条件下液氮(6)储存和工作的适应性测试。
3.如权利要求1所述的一种低温用户参数模拟实验方法，其特征在于：所述的实验平台(4)采用液氮预冷。
4.如权利要求1所述的一种低温用户参数模拟实验方法，其特征在于：所述步骤4中，留在液氦杜瓦(3)中的液体用于过冷流经的超临界氦，产生的饱和冷氦气则可从液氦杜瓦(3)的回气管线回到低温系统(1)的低压端，用于回收冷量。
5.如权利要求1所述的一种低温用户参数测试方法，其特征在于：液氦(6)纯度为99.999％以上。
6.如权利要求1所述的一种低温用户参数测试方法，其特征在于：液氦杜瓦(3)选用5000～10000L容量。
7.一种低温恒温器过冷系统，其特征在于：包括低温恒温器(12)、设在低温恒温器(12)内通过管线连接的氦循环泵(7)和热交换器(8)，热交换器(8)通过管线连接至低温用户(5)，液氮(6)通入氦循环泵(7)中，液氦杜瓦(3)和制冷机(2)通过管路连通，并且连通到氦循环泵(7)和热交换器(8)之间的管路上。
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