RU2796457C1 - Method for lowering temperature of a cooled object using helium refrigerator with an excess reverse flow - Google Patents
Method for lowering temperature of a cooled object using helium refrigerator with an excess reverse flow Download PDFInfo
- Publication number
- RU2796457C1 RU2796457C1 RU2022128391A RU2022128391A RU2796457C1 RU 2796457 C1 RU2796457 C1 RU 2796457C1 RU 2022128391 A RU2022128391 A RU 2022128391A RU 2022128391 A RU2022128391 A RU 2022128391A RU 2796457 C1 RU2796457 C1 RU 2796457C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- helium
- cooled object
- reverse flow
- supply valve
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к криогенной технике, а более конкретно к гелиевым рефрижераторам с избыточным обратным потоком и может быть преимущественно использовано для испытания/исследования электрофизических устройств при гелиевых температурах (~4,5 К).The present invention relates to cryogenic engineering, and more specifically to helium refrigerators with excess reverse flow, and can be mainly used for testing/investigating electrophysical devices at helium temperatures (~4.5 K).
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.Known helium refrigerators with excess reverse flow for the production of cold at a temperature level of ~4.4 K, the principle of operation of which and the scope of the most fully reflected in the monograph: V.P. Belyakov. Cryogenic equipment and technologies. M., Energoizdat, 1982.
Известный способ осуществляется следующим образом: в стационарном режиме охлаждения прямой поток сжатого гелия с относительным расходом, равным 1, охлаждается в теплообменнике, затем дросселируется в вентиле и поступает в виде холодного потока гелия при Т≈4,4 К в каналы охлаждаемого объекта. В сборник рефрижератора через вентиль также поступает жидкий гелий с относительным расходом у<1.The known method is carried out as follows: in a stationary cooling mode, a direct stream of compressed helium with a relative flow rate equal to 1 is cooled in a heat exchanger, then throttled in a valve and enters in the form of a cold helium stream at T≈4.4 K into the channels of the cooled object. Liquid helium also enters the refrigerator collector through the valve with a relative flow rate y<1.
Пары от парожидкостного потока и испаряющегося от тепловой нагрузки q жидкого гелия с общим относительным расходом 1+у поступают в канал обратного потока теплообменника. Таким образом, расход обратного потока превосходит расход прямого потока на величину у, вследствие чего достигается положительный эффект Джоуля-Томсона на дроссельном вентиле, обеспечивающий производство холодопроизводительности q. Температура производимого холода равна температуре кипения жидкого гелия в сборнике рефрижератора и, как правило, равна примерно 4,4 К, так как давление гелия на входе в компрессор равно атмосферному давлению, примерно 1 бар абс.Vapors from the vapor-liquid flow and liquid helium evaporating from the heat load q with a total
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 исследовательских и испытательных 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 (Н.Н. Агапов и др. Развитие и реконструкция криогенной системы ЛФВЭ ускорительного комплекса NIKA (2012-2015). Препринт Р8 2012-14, ОИЯИ, Дубна, 2012).Helium refrigerators with excess reverse flow, unlike classic helium refrigerators, do not contain expanders in the pre-cooling stage and therefore are simple both in design and operation and have a high degree of reliability. Thanks to these qualities, helium refrigerators with excess reverse flow have found wide application both in various research and testing facilities using cold at helium temperatures, and in large cryogenic systems, for example, in the cryogenic complex of the Tevatron superconducting accelerator (USA, National Laboratory named after A.I. Fermi). The use of helium refrigerators with excess reverse flow is also considered in the new megaproject of the NIKA superconducting accelerator complex (N.N. Agapov et al. Development and reconstruction of the VBLHEP cryogenic system of the NIKA accelerator complex (2012-2015). Preprint P8 2012-14, JINR, Dubna, 2012).
Перед стационарным режимом охлаждения при Т≈4,4 К температуру объекта необходимо понизить с температуры окружающей среды до 4,4 К. Если объект имеет специальные демпфирующие устройства, исключающие возникновения критических термических усилий в конструкции, то понижение температуры объекта достигается подачей жидкого гелия непосредственно на вход объекта.Before the stationary mode of cooling at Т≈4.4 K, the temperature of the object must be lowered from the ambient temperature to 4.4 K. object input.
Если по каким-либо причинам в охлаждаемом объекте нет демпфирующих устройств, то понижение его температуры производится потоком гелия, температура которого изменяется по закону, исключающему возникновения критических механических напряжений в конструкции объекта. (А. Агеев и др. Криогенные аспекты сверхпроводящего квадрупольного магнита FFS. Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения: Третья международная научно-практическая конференция (Москва, 19-20 ноября 2019 г), материалы конференции МГТУ им. Н.Э. Баумана. Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020. Стр. 26-33).If for some reason there are no damping devices in the cooled object, then its temperature is lowered by a helium flow, the temperature of which changes according to a law that excludes the occurrence of critical mechanical stresses in the object structure. (A. Ageev et. Bauman, Moscow: N.E. Bauman Moscow State Technical University Publishing House, 2020, pp. 26-33).
Недостатком известного способа для получения гелиевого потока с заданным законом изменения температуры является использование дополнительного дорогостоящего криогенного оборудования, в котором смешиваются потоки газообразного и жидкого гелия. Как правило, такое оборудование серийно не выпускается.A disadvantage of the known method for obtaining a helium flow with a given law of temperature change is the use of additional expensive cryogenic equipment in which flows of gaseous and liquid helium are mixed. As a rule, such equipment is not mass-produced.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является нахождение такого способа работы гелиевого рефрижератора с избыточным обратным потоком, при котором бы этот гелиевый рефрижератор обеспечивал понижение температуры охлаждаемого объекта по заданному закону изменения температуры, исключающему появление в объекте критических механических напряжений без привлечения дополнительного криогенного оборудования.The task to be solved by the claimed invention is to find such a method of operation of a helium refrigerator with an excess reverse flow, in which this helium refrigerator would provide a decrease in the temperature of the cooled object according to a given law of temperature change, which excludes the appearance of critical mechanical stresses in the object without involving additional cryogenic equipment .
Техническим результатом настоящего изобретения является возможность понижения температуры охлаждаемого объекта от температуры окружающей среды до 4,4 К непосредственно гелиевым рефрижератором с избыточным обратным потоком.The technical result of the present invention is the possibility of lowering the temperature of the cooled object from the ambient temperature to 4.4 K directly by a helium refrigerator with an excess reverse flow.
Технический результат изобретения обеспечивается тем, что в режиме понижения температуры гелий после охлаждаемого объекта через атмосферный теплообменник подается непосредственно на вход компрессора рефрижератора, а температура на входе охлаждаемого объекта регулируются количеством жидкого гелия, подаваемого в сборник рефрижератора с избыточным обратным потоком.The technical result of the invention is ensured by the fact that in the mode of lowering the temperature, helium after the cooled object is fed directly through the atmospheric heat exchanger to the inlet of the refrigerator compressor, and the temperature at the inlet of the cooled object is controlled by the amount of liquid helium supplied to the refrigerator collector with an excess reverse flow.
Во время процесса понижения температуры охлаждаемого объекта от температуры окружающей среды до ~5 К гелий из охлаждаемого объекта с относительным расходом, равным 1, направляется в атмосферный теплообменник, где за счет атмосферного тепла нагревается до температуры окружающей среды и после атмосферного теплообменника направляется непосредственно на вход компрессора. Жидкий гелий с относительным расходом у через вентиль поступает в сборник рефрижератора, где за счет теплового контакта с теплообменником сборника испаряется и в газообразном состоянии поступает в рефрижераторный теплообменник.During the process of lowering the temperature of the cooled object from the ambient temperature to ~5 K, helium from the cooled object with a relative flow rate equal to 1 is sent to the atmospheric heat exchanger, where it is heated to the ambient temperature due to atmospheric heat and, after the atmospheric heat exchanger, is sent directly to the compressor inlet . Liquid helium with a relative flow rate y enters the refrigerator collector through the valve, where it evaporates due to thermal contact with the collector heat exchanger and enters the refrigerator heat exchanger in a gaseous state.
После компрессора поток гелия с относительным расходом, равным 1, охлаждается в теплообменниках рефрижератора до заданной температуры гелия на входе в охлаждаемый объект Ti. Закон изменения температуры Ti от температуры на выходе из охлаждаемого объекта То задается уравнением Ti=f(To), полученным из анализа механических напряжений в объекте при его охлаждении от температуры окружающей среды до значения ~5 К. Значение температуры Ti, равной заданной, достигается подачей необходимого количества жидкого гелия в сборник через вентиль: когда температура Ti ниже заданного значения, то вентиль подачи жидкого гелия прикрывается и когда эта температура выше заданного значения, то вентиль приоткрывается. Это регулирование достаточно легко исполняется как в ручном режиме управления, так и в режиме с использованием автоматизированной системы управления. После достижения То значения ~5 К гелиевый рефрижератор работает в стационарном режиме охлаждения объекта при температуре 4,4 К.After the compressor, the helium flow with a relative flow rate equal to 1 is cooled in the refrigerator heat exchangers to a predetermined helium temperature at the inlet to the cooled object Ti. The law of change in temperature Ti from the temperature at the outlet of the cooled object To is given by the equation Ti=f(To), obtained from the analysis of mechanical stresses in the object when it is cooled from the ambient temperature to ~5 K. The value of the temperature Ti equal to the specified one is achieved by supplying the required amount of liquid helium into the collector through the valve: when the temperature Ti is below the set value, the liquid helium supply valve is closed, and when this temperature is above the set value, the valve opens slightly. This regulation is quite easy to perform both in manual control mode and in the mode using an automated control system. After reaching the To value of ~5 K, the helium refrigerator operates in the stationary mode of object cooling at a temperature of 4.4 K.
Сущность заявляемого способа поясняется чертежами фиг. 1 и фиг. 2.The essence of the proposed method is illustrated by the drawings of Fig. 1 and FIG. 2.
На фиг. 1 изображена функциональная схема гелиевого рефрижератора с избыточным обратным потоком, работающим в стационарном режиме охлаждения, когда испытываемый/исследуемый объект 5 уже имеет температуру ~4,4 К. Здесь 1 - компрессор, 2 - теплообменник с каналами прямого m и обратного n потоков, 3 - дроссельный вентиль прямого потока, 4 - сборник жидкого гелия, 5 - охлаждаемый объект, 6 - вентиль подачи жидкого гелия, 7 - теплообменник сборника, L - уровнемер жидкого гелия, Ti и То - соответственно входная и выходная температуры охлаждаемого объекта. Относительный расход прямого потока равен 1, относительный расход жидкого гелия равен у, относительный расход обратного потока равен 1+у, количества тепла, отводимое от охлаждаемого объекта равно q.In FIG. 1 shows a functional diagram of a helium refrigerator with an excess reverse flow operating in a stationary cooling mode, when the object under test/
На фиг. 2 изображена функциональная схема гелиевого рефрижератора с избыточным обратным потоком, с помощью которой реализуется заявляемый способ понижения температуры охлаждаемого объекта от температуры окружающей среды до гелиевой температуры ~5 К. Здесь 1 - компрессор, 2 - теплообменник с каналами прямого m и обратного n потоков, 3 - дроссельный вентиль прямого потока, 4 - сборник жидкого гелия, 5 - охлаждаемый объект, 6 - вентиль подачи жидкого гелия, 7 - теплообменник сборника, 8 - атмосферный теплообменник, L - уровнемер жидкого гелия, Ti и То - соответственно входная и выходная температуры потока гелия охлаждаемого объекта. Относительный расход прямого потока равен 1, относительный расход жидкого гелия равен у, относительный расход обратного потока равен у, относительный расход через атмосферный теплообменник равен 1.In FIG. 2 shows a functional diagram of a helium refrigerator with excess reverse flow, which implements the proposed method for lowering the temperature of a cooled object from ambient temperature to helium temperature ~5 K. Here 1 is a compressor, 2 is a heat exchanger with channels for direct m and reverse n flows, 3 - direct flow throttle valve, 4 - liquid helium collector, 5 - cooled object, 6 - liquid helium supply valve, 7 - collector heat exchanger, 8 - atmospheric heat exchanger, L - liquid helium level gauge, Ti and To - inlet and outlet flow temperatures, respectively helium of the cooled object. The relative flow rate of the forward flow is 1, the relative flow rate of liquid helium is y, the relative flow rate of the reverse flow is y, the relative flow rate through the atmospheric heat exchanger is 1.
В Институте физики высоких энергий имени А.А. Логунова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» создана криогенная установка для испытания/исследования различных электрофизических устройств при гелиевых температурах. Эта установка позволяет «собирать» различные конфигурации рефрижераторов с избыточным обратным потоком, в том числе и конфигурацию, изображенную на фиг. 2 описания изобретения. На этой установке в процессе наладочных пусков 26.11.2019, 02.12.2020 и 07.12.2021 было успешно осуществлено охлаждение объекта по закону Ti=f(To) (фиг. 3), полученному для создаваемого сверхпроводящего квадрупольного магнита FFS.At the Institute of High Energy Physics named after A.A. Logunov National Research Center "Kurchatov Institute" created a cryogenic facility for testing / researching various electrophysical devices at helium temperatures. This setup allows for the "assembly" of various configurations of refrigerated backflow refrigeration vehicles, including the configuration shown in FIG. 2 descriptions of the invention. At this installation, during the commissioning starts on November 26, 2019, December 2, 2020 and December 07, 2021, the object was successfully cooled according to the law Ti=f(To) (Fig. 3), obtained for the FFS superconducting quadrupole magnet being created.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2796457C1 true RU2796457C1 (en) | 2023-05-23 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1366815A1 (en) * | 1986-07-11 | 1988-01-15 | МВТУ им.Н.Э.Баумана | Low-temperature solar compressor station |
SU1451483A1 (en) * | 1987-04-01 | 1989-01-15 | Мвту Им.М.Э.Баумана | Helium refrigerator |
RU2302589C2 (en) * | 2001-07-12 | 2007-07-10 | Дженерал Электрик Компани | Cryogenic refrigeration plant |
JP2010121835A (en) * | 2008-11-19 | 2010-06-03 | Nihon Univ | Reduced-pressure superfluid helium cooling heat exchanger |
RU2576768C2 (en) * | 2014-01-14 | 2016-03-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Государственный научный центр Российской Федерации - Институт физики высоких энергий" Национального исследовательского центра "Курчатовский Институт" | Helium refrigerator with excess back flow for cold generation at two temperature levels |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1366815A1 (en) * | 1986-07-11 | 1988-01-15 | МВТУ им.Н.Э.Баумана | Low-temperature solar compressor station |
SU1451483A1 (en) * | 1987-04-01 | 1989-01-15 | Мвту Им.М.Э.Баумана | Helium refrigerator |
RU2302589C2 (en) * | 2001-07-12 | 2007-07-10 | Дженерал Электрик Компани | Cryogenic refrigeration plant |
JP2010121835A (en) * | 2008-11-19 | 2010-06-03 | Nihon Univ | Reduced-pressure superfluid helium cooling heat exchanger |
RU2576768C2 (en) * | 2014-01-14 | 2016-03-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Государственный научный центр Российской Федерации - Институт физики высоких энергий" Национального исследовательского центра "Курчатовский Институт" | Helium refrigerator with excess back flow for cold generation at two temperature levels |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6502422B2 (en) | System and method for improving liquefaction rate in cryogenic gas liquefier of low temperature refrigerator | |
Du et al. | A study on the cycle characteristics of an auto-cascade refrigeration system | |
JP2012163329A5 (en) | ||
CN108800638A (en) | Low-temperature thermostat | |
Liu et al. | Temperature and mass-flow behavior of a He-4 Joule-Thomson cryocooler | |
Pakzad et al. | Investigation of a new energy‐efficient cryogenic process configuration for helium extraction and liquefaction | |
US3742721A (en) | Method of regulation of the temperature of the liquefied gas or gaseous mixture in an apparatus for the liquefaction of gaseous fluids | |
Casi et al. | Performance assessment of an experimental CO2 transcritical refrigeration plant working with a thermoelectric subcooler in combination with an internal heat exchanger | |
RU2796457C1 (en) | Method for lowering temperature of a cooled object using helium refrigerator with an excess reverse flow | |
CN116699079B (en) | Ultralow-temperature gas experiment platform and working method thereof | |
Bychkov | An integrated approach for designing Joule-Thomson refrigerators operating with mixtures | |
Zhai et al. | Performance optimization of a mK dilution refrigerator based on the first law of thermodynamics | |
Wang et al. | Development and performance test of a miniature movable mixed-refrigerant liquid nitrogen generator | |
RU2792290C1 (en) | Method for producing cold at t>4.4 k by a helium refrigerator with an excess reverse flow | |
Flaig et al. | Design, control procedure and start-up of the sCO2 test facility SCARLETT | |
Chen et al. | Performance testing and temperature fluctuations of a 4.5 K@ 150 mW Joule-Thomson closed cycle cryocooler for space applications | |
CN201852346U (en) | Modular temperature display controller capable of realizing vortex refrigeration and heat exchange | |
CN113607448A (en) | Heat exchanger performance test bed for oil gas liquefaction recovery and test method thereof | |
Wang | A HELIUM RE‐LIQUEFIER FOR RECOVERING AND LIQUEFYING HELIUM VAPOR FROM CRYOSTAT | |
Tamson et al. | Set-up of the cryogenic phase equilibria test stand CryoPHAEQTS | |
Wang | Efficient helium recondensing using a 4 K pulse tube cryocooler | |
RU2576768C2 (en) | Helium refrigerator with excess back flow for cold generation at two temperature levels | |
Dalakov et al. | Innovative neon refrigeration unit operating down to 30 K | |
RU2747123C1 (en) | Gas liquefaction method | |
Chernikov | On a 3He Refrigerator Based on Closed-Cycle Cryocooler Cooling |