RU2576768C2 - Helium refrigerator with excess back flow for cold generation at two temperature levels - Google Patents

Helium refrigerator with excess back flow for cold generation at two temperature levels Download PDF

Info

Publication number
RU2576768C2
RU2576768C2 RU2014101098/06A RU2014101098A RU2576768C2 RU 2576768 C2 RU2576768 C2 RU 2576768C2 RU 2014101098/06 A RU2014101098/06 A RU 2014101098/06A RU 2014101098 A RU2014101098 A RU 2014101098A RU 2576768 C2 RU2576768 C2 RU 2576768C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
heat exchange
flow
exchange unit
helium
Prior art date
Application number
RU2014101098/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014101098A (en
Inventor
Анатолий Иванович Агеев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Государственный научный центр Российской Федерации - Институт физики высоких энергий" Национального исследовательского центра "Курчатовский Институт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение "Государственный научный центр Российской Федерации - Институт физики высоких энергий" Национального исследовательского центра "Курчатовский Институт" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Государственный научный центр Российской Федерации - Институт физики высоких энергий" Национального исследовательского центра "Курчатовский Институт"
Priority to RU2014101098/06A priority Critical patent/RU2576768C2/en
Publication of RU2014101098A publication Critical patent/RU2014101098A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2576768C2 publication Critical patent/RU2576768C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

FIELD: heating.
SUBSTANCE: satellite refrigerator comprises helium compressor, heat exchange unit, two throttle gates, cryostat of the first cooled device at the temperature of approx. 4.4 K. Claimed refrigerator operates as follows. Backflow helium is compressed in the compressor and force into heat exchange unit straight flow channel to be cooled to the temperature of the second cooled device and, then, divided into two flows. One flow cools the second device and, then, forced back to the extra flow of heat exchange unit communicated via throttle with the first device cryostat. Another flow is also communicated with the first cooled device cryostat via the second throttle.
EFFECT: cooling of the second structure at temperatures above approx 4,4 k with no extra expander, simple and reliable design, enhanced performances.
2 dwg

Description

Изобретение относится к криогенной технике, а более конкретно к гелиевым рефрижераторам с избыточным обратным потоком.The invention relates to cryogenic technology, and more particularly to helium refrigerators with excessive backflow.

Известны гелиевые рефрижераторы с избыточным обратным потоком для производства холода на температурном уровне ~4,4 К, принцип действия которых и область применения наиболее полно отражены в монографии: В.П. Беляков. Криогенная техника и технологии. М., Энергоиздат, 1982. Н.Н. Агапов и др. Развитие и реконструкция криогенной системы ЛФВЭ ускорительного комплекса NIKA (2012-2015) Препринт Р8 2012-14, ОИЯИ, Дубна, 2012. Функциональная схема этого устройства показана на фиг. 1. Обратный поток гелия n сжимается в компрессоре 1 до давления прямого потока m. Прямой поток m охлаждается в теплообменном блоке 2, затем дросселируется в вентиле 3 и поступает в криостат 4 в виде парожидкостной смеси. Пары поступают в канал обратного потока n теплообменного блока, где нагреваются прямым потоком m. Жидкий гелий испаряется в криостате 4 за счет теплопритоков из окружающей среды и тепловой нагрузки от охлаждаемого устройства Q и в виде паров также поступает в канал обратного потока n теплообменного блока. В криостат дополнительно подается жидкий гелий LHe, пары которого создают избыточный по сравнению с прямым потоком m обратный поток n, необходимый для достижения положительного эффекта Джоуля-Томсона на дроссельном вентиле 3.Known helium refrigerators with excess return flow for the production of cold at a temperature level of ~ 4.4 K, the principle of operation of which and the scope are most fully reflected in the monograph: V.P. Belyakov. Cryogenic engineering and technology. M., Energy Publishing House, 1982. N.N. Agapov et al. Development and reconstruction of the cryogenic system of VBLHEP of the NIKA accelerator complex (2012-2015) Preprint P8 2012-14, JINR, Dubna, 2012. A functional diagram of this device is shown in FIG. 1. The helium backflow n is compressed in the compressor 1 to the forward flow pressure m. The direct flow m is cooled in the heat exchange unit 2, then throttled in the valve 3 and enters the cryostat 4 in the form of a vapor-liquid mixture. Vapors enter the reverse flow channel n of the heat exchange unit, where they are heated by the direct flow m. Liquid helium evaporates in the cryostat 4 due to heat influx from the environment and the heat load from the cooled device Q and in the form of vapors also enters the return channel n of the heat exchange unit. In addition, liquid helium LHe is supplied to the cryostat, the vapors of which create a reverse flow n, which is excessive in comparison with the direct flow m, necessary to achieve the positive Joule-Thomson effect on the butterfly valve 3.

Как видно из фиг. 1, гелиевые рефрижераторы с избыточным обратным потоком в отличие от классических гелиевых рефрижераторов не содержат детандеров в ступени предварительного охлаждения и поэтому просты как в устройстве, так и в управлении и имеют высокую степень надежности. Благодаря этим качествам гелиевые рефрижераторы с избыточным обратным потоком нашли широкое применение как в различных экспериментальных установках, использующих холод при гелиевых температурах, так и в крупных криогенных системах, например в криогенном комплексе сверхпроводящего ускорителя «Теватрон» (США, национальная лаборатория им. Ферми). Рассматривается применение гелиевых рефрижераторов с избыточным обратным потоком и в новом мегапроекте сверхпроводящего ускорительного комплекса НИКА (ОИЯИ, г. Дубна) .As can be seen from FIG. 1, helium refrigerators with excess backflow, unlike classical helium refrigerators, do not contain expanders in the pre-cooling stage and therefore are simple both in the device and in control and have a high degree of reliability. Due to these qualities, helium refrigerators with excess return flow are widely used both in various experimental facilities that use cold at helium temperatures, and in large cryogenic systems, for example, in the cryogenic complex of the Tevatron superconducting accelerator (USA, Fermi National Laboratory). The use of helium refrigerators with excess return flow is also considered in the new megaproject of the NIKA superconducting accelerator complex (JINR, Dubna).

Недостатком гелиевого рефрижератора с избыточным обратным потоком является то, что он производит холод только на одном температурном уровне ~4,4 К. Однако практически все объекты, работающие при этой температуре, для снижения теплопритоков из окружающей среды имеют низкотемпературные экраны, функционирующие при более высокой температуре. Как правило, эти экраны охлаждаются потоком жидкого азота (Т≈80 К). Но когда по условиям техники безопасности применение жидкого азота запрещено, то приходится отказываться от гелиевого рефрижератора с избыточным обратным потоком и применять более дорогие и менее надежные классические рефрижераторы с детандерами в ступени предварительного охлаждения и дополнительным детандером для гелиевого потока, охлаждающего низкотемпературные экраны.The disadvantage of a helium refrigerator with excess backflow is that it produces cold only at one temperature level of ~ 4.4 K. However, almost all objects operating at this temperature have low-temperature screens operating at higher temperatures to reduce heat influx from the environment. . As a rule, these screens are cooled by a stream of liquid nitrogen (T≈80 K). But when, according to safety conditions, the use of liquid nitrogen is prohibited, then you have to abandon the helium refrigerator with excessive backflow and use more expensive and less reliable classic refrigerators with expanders in the pre-cooling stage and an additional expander for the helium stream cooling the low-temperature screens.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание такого гелиевого рефрижератора с избыточным обратным потоком, который бы производил холод на двух температурных уровнях: первый при Т=4,4 К для охлаждения устройства и второй при 4,4 К<Т<80 К для охлаждения экранов этого устройства.The problem to which the claimed invention is directed is to create such a helium refrigerator with excess return flow that would produce cold at two temperature levels: the first at T = 4.4 K to cool the device and the second at 4.4 K <T <80 K to cool the screens of this device.

Техническим результатом настоящего изобретения является наличие в гелиевом рефрижераторе с избыточным обратным потоком двух источников холода на различных температурных уровнях, что позволит использовать его и в тех случаях, когда по условиям техники безопасности запрещено применение жидкого азота для охлаждения экранов устройства, работающего при 4,4 К<Т<80 К.The technical result of the present invention is the presence in a helium refrigerator with an excess return flow of two sources of cold at different temperature levels, which will allow it to be used in cases where, according to safety conditions, the use of liquid nitrogen to cool the screens of a device operating at 4.4 K is prohibited <T <80 K.

Технический результат изобретения обеспечивается тем, что часть прямого потока гелиевого рефрижератора с избыточным обратным потоком отводится на охлаждение низкотемпературных экранов при 4,4 К<Т<80 К. Затем тепло, отведенное от экранов, передается с помощью дополнительного прямого потока обратному потоку в теплообменном блоке и далее эта часть прямого потока используется для получения холода уже при Т≈4,4 К.The technical result of the invention is ensured by the fact that part of the direct flow of the helium refrigerator with excess backflow is allocated to cool low-temperature screens at 4.4 K <T <80 K. Then, the heat removed from the screens is transferred using an additional direct flow to the return flow in the heat exchange unit and then this part of the direct flow is used to obtain cold even at T≈4.4 K.

Сущность изобретения поясняется чертежом, представленным на фиг. 2. Гелиевый рефрижератор с избыточным обратным потоком для производства холода на двух температурных уровнях содержит компрессор 1, теплообменный блок 2 с каналами обратного потока m, прямого потока n и дополнительного прямого потока s, дроссельных вентилей 3 и 5 и криостата 4.The invention is illustrated by the drawing shown in FIG. 2. The helium refrigerator with excess return flow for the production of cold at two temperature levels contains a compressor 1, a heat exchange unit 2 with channels for return flow m, forward flow n and additional forward flow s, throttle valves 3 and 5 and cryostat 4.

Обратный поток гелия n сжимается в компрессоре 1 до давления прямого потока m. Прямой поток m охлаждается в теплообменном блоке 2 до температуры Тн. При этой температуре от прямого потока отбирается часть (дополнительный прямой поток s), которая используется для охлаждения низкотемпературных экранов. Оставшаяся часть потока m проходит через теплообменный блок 2 и дроссельный вентиль 3, производя холод при температуре Т≈4,4 К.The helium backflow n is compressed in the compressor 1 to the forward flow pressure m. The direct flow m is cooled in the heat exchange unit 2 to a temperature of T. At this temperature, a portion (additional direct flow s) is taken from the direct flow, which is used to cool low-temperature screens. The rest of the flow m passes through the heat exchange unit 2 and the throttle valve 3, producing cold at a temperature of T≈4.4 K.

Поток s, проходя через каналы низкотемпературных экранов, охлаждает их, нагреваясь при этом от температуры Тн>4,4 К до температуры Тв<80 К, и при этой температуре направляется в отдельный канал теплообменного блока 2, проходя который охлаждается обратным потоком с температуры Тв до температуры Тн, отдавая таким образом тепло, отнятое от низкотемпературных экранов, обратному потоку n. Затем поток s поступает на дополнительный дроссельный вентиль 5, производя холод при температуре Т≈4,4 К.The flow s, passing through the channels of the low-temperature screens, cools them, while heating from a temperature Tn> 4.4 K to a temperature Tv <80 K, and at this temperature it is directed to a separate channel of the heat exchange unit 2, passing through which it is cooled by a reverse flow from the temperature Tv to the temperature Tn, thus giving off heat taken from the low-temperature screens to the reverse flow n. Then, the flow s enters the additional throttle valve 5, producing cold at a temperature of T≈4.4 K.

Таким образом, предлагаемый гелиевый рефрижератор с избыточным обратным потоком обеспечивает охлаждение второго объекта (низкотемпературных экранов) при температурах выше 4,4 К без введения в его схему дополнительного детандера, что сохраняет простоту и надежность гелиевого рефрижератора с избыточным обратным потоком при расширении его возможностей.Thus, the proposed helium refrigerator with excess return flow provides cooling of the second object (low-temperature screens) at temperatures above 4.4 K without introducing an additional expander into its circuit, which preserves the simplicity and reliability of the helium refrigerator with excess return flow while expanding its capabilities.

Claims (1)

Гелиевый рефрижератор с избыточным обратным потоком для производства холода на двух температурных уровнях, содержащий компрессор, теплообменный блок с каналами прямого и обратного потоков, дроссельный вентиль прямого потока и криостат охлаждаемого устройства при гелиевой температуре ~4,4 К, отличающийся тем, что для охлаждения второго устройства при температурах выше 4,4 К часть прямого потока выводится из теплообменного блока на второе охлаждаемое устройство и после второго охлаждаемого устройства возвращается в теплообменный блок в дополнительный канал прямого потока, соединенный с криостатом первого охлаждаемого устройства дополнительным дроссельным вентилем. An excess return helium refrigerator for producing cold at two temperature levels, comprising a compressor, a heat exchange unit with direct and return flows, a direct flow throttle valve and a cryostat of the device to be cooled at a helium temperature of ~ 4.4 K, characterized in that for cooling the second devices at temperatures above 4.4 K, part of the direct flow is removed from the heat exchange unit to the second cooled device and after the second cooled device is returned to the heat exchange unit in Accessory downstream channel connected to the first cryostat cooling device an additional throttle valve.
RU2014101098/06A 2014-01-14 2014-01-14 Helium refrigerator with excess back flow for cold generation at two temperature levels RU2576768C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014101098/06A RU2576768C2 (en) 2014-01-14 2014-01-14 Helium refrigerator with excess back flow for cold generation at two temperature levels

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014101098/06A RU2576768C2 (en) 2014-01-14 2014-01-14 Helium refrigerator with excess back flow for cold generation at two temperature levels

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014101098A RU2014101098A (en) 2015-07-20
RU2576768C2 true RU2576768C2 (en) 2016-03-10

Family

ID=53611476

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014101098/06A RU2576768C2 (en) 2014-01-14 2014-01-14 Helium refrigerator with excess back flow for cold generation at two temperature levels

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2576768C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2710969C1 (en) * 2018-11-09 2020-01-14 Публичное акционерное общество криогенного машиностроения (ПАО "Криогенмаш") EXTRACTION PLANT OF 3He FROM COMMERCIAL LIQUID HELIUM BY RECTIFICATION METHOD
RU2792290C1 (en) * 2022-07-13 2023-03-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт физики высоких энергий имени А.А. Логунова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ИФВЭ) Method for producing cold at t>4.4 k by a helium refrigerator with an excess reverse flow

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3360955A (en) * 1965-08-23 1968-01-02 Carroll E. Witter Helium fluid refrigerator
SU387192A1 (en) * 1971-04-20 1973-06-21 В. М. Брод нский, А. В. Мартынов , Г. Я. Синицын Московский ордена Ленина энергетический институт CRYOGENIC INSTALLATION
SU515002A1 (en) * 1975-01-27 1976-05-25 Физико-Технический Институт Низких Температур Ан Украинской Сср Throttle cooling installation
SU1537980A1 (en) * 1988-02-04 1990-01-23 Всесоюзный заочный машиностроительный институт Method and cryogenic unit for producing cold

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3360955A (en) * 1965-08-23 1968-01-02 Carroll E. Witter Helium fluid refrigerator
SU387192A1 (en) * 1971-04-20 1973-06-21 В. М. Брод нский, А. В. Мартынов , Г. Я. Синицын Московский ордена Ленина энергетический институт CRYOGENIC INSTALLATION
SU515002A1 (en) * 1975-01-27 1976-05-25 Физико-Технический Институт Низких Температур Ан Украинской Сср Throttle cooling installation
SU1537980A1 (en) * 1988-02-04 1990-01-23 Всесоюзный заочный машиностроительный институт Method and cryogenic unit for producing cold

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2710969C1 (en) * 2018-11-09 2020-01-14 Публичное акционерное общество криогенного машиностроения (ПАО "Криогенмаш") EXTRACTION PLANT OF 3He FROM COMMERCIAL LIQUID HELIUM BY RECTIFICATION METHOD
RU2792290C1 (en) * 2022-07-13 2023-03-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт физики высоких энергий имени А.А. Логунова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ИФВЭ) Method for producing cold at t>4.4 k by a helium refrigerator with an excess reverse flow
RU2796457C1 (en) * 2022-11-02 2023-05-23 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт физики высоких энергий имени А.А. Логунова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ИФВЭ) Method for lowering temperature of a cooled object using helium refrigerator with an excess reverse flow

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014101098A (en) 2015-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108955084B (en) Mixed refrigerant system and method
US6820421B2 (en) Low temperature geothermal system
US6494054B1 (en) Multicomponent refrigeration fluid refrigeration system with auxiliary ammonia cascade circuit
JP2012163329A5 (en)
Lin et al. Mixed refrigerants for a glass capillary micro cryogenic cooler
He et al. Thermodynamic study on a new transcritical CO2 ejector expansion refrigeration system with two-stage evaporation and vapor feedback
RU2576768C2 (en) Helium refrigerator with excess back flow for cold generation at two temperature levels
Domínguez-Inzunza et al. Experimental assessment of an absorption cooling system utilizing a falling film absorber and generator
RU2018108055A (en) Improved method and system for cooling a hydrocarbon stream.
Dubey et al. Performance evaluation and optimal configuration analysis of a transcritical carbon dioxide/propylene cascade system with vortex tube expander in high-temperature cycle
GB1435773A (en) Refrigeration process and plant having an incorporated cascade circuit and a precooling circuit
Dubey et al. Numerical optimization of a transcritical CO 2/propylene cascaded refrigeration-heat pump system with economizer in HT cycle
RU2556731C2 (en) Method to liquefy natural gas by cooling mixtures, containing at least one non-saturated hydrocarbon
Khaliq Performance analysis of a waste‐heat‐powered thermodynamic cycle for multieffect refrigeration
US1574119A (en) Method for the liquefaction and separation of gases with the aid of external work
RU2563049C2 (en) Cascade refrigerating machine
RU2684232C1 (en) Installation and method of liquefying natural gas
Ujile et al. Performance evaluation of refrigeration units in natural gas liquid extraction plant
Yoon et al. Assessment of the performance of a natural gas liquefaction cycle using natural refrigerants
RU2796457C1 (en) Method for lowering temperature of a cooled object using helium refrigerator with an excess reverse flow
BR112017012198A2 (en) closed-cycle cryogen recirculation system and method
Patra et al. Heat pump without particle transport or external work on the medium achieved by differential thermostatting of the phase space
US20230204258A1 (en) Apparatus and method for generating cryogenic temperatures and use thereof
RU2792290C1 (en) Method for producing cold at t&gt;4.4 k by a helium refrigerator with an excess reverse flow
RU2258186C1 (en) Natural gas liquefaction method