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 PDF

Info

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
Application number
RU2022128391A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Иванович Агеев
Юрий Викторович Алтухов
Андрей Сергеевич Власов
Сергей Сергеевич Козуб
Максим Николаевич Столяров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт физики высоких энергий имени А.А. Логунова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ИФВЭ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт физики высоких энергий имени А.А. Логунова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ИФВЭ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт физики высоких энергий имени А.А. Логунова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ИФВЭ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2796457C1 publication Critical patent/RU2796457C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: cryogenic technology.
SUBSTANCE: invention is related in particular to helium refrigerators with excess reverse flow. Helium refrigerator with excess reverse flow contains a compressor, a heat exchanger with forward and reverse flow channels, a direct flow throttle valve, a cryogenic product collector, a liquid helium supply valve and temperature sensors at the inlet and outlet of the cooled object. The helium flow from the cooled object is directed through the atmospheric heat exchanger directly to the compressor inlet, and the degree of opening/closing of the liquid helium supply valve is determined by the temperature value of the temperature sensor at the cooled object inlet: when this temperature is below the set value, the liquid helium supply valve is closed and when this temperature is higher set value, the liquid helium supply valve opens slightly.
EFFECT: possibility of lowering the temperature of the cooled object directly by a helium refrigerator with an excess reverse flow is provided, critical mechanical stresses in the object are prevented.
1 cl, 3 dwg

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 relative flow rate 1 + y enter the return flow channel of the heat exchanger. Thus, the return flow rate exceeds the forward flow rate by the value y, as a result of which a positive Joule-Thomson effect is achieved on the throttle valve, which ensures the production of cooling capacity q. The temperature of the cold produced is equal to the boiling point of liquid helium in the refrigerator tank and is usually about 4.4 K, since the helium pressure at the compressor inlet is equal to atmospheric pressure, about 1 bar abs.

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/investigation 5 already has a temperature of ~4.4 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, L - liquid helium level gauge, Ti and To - inlet and outlet temperatures of the cooled object, respectively. 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 1+y, the amount of heat removed from the cooled object is q.

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)

Способ понижения температуры охлаждаемого объекта потоком гелия от гелиевого рефрижератора с избыточным обратным потоком, содержащим компрессор, теплообменник с каналами прямого и обратного потоков, дроссельный вентиль прямого потока, сборник криогенного продукта, вентиль подачи жидкого гелия и термодатчики на входе и выходе охлаждаемого объекта, отличающийся тем, что гелиевый поток от охлаждаемого объекта направляется через атмосферный теплообменник непосредственно на вход компрессора, а степень открытия/закрытия вентиля подачи жидкого гелия определяется значением температуры термодатчика на входе охлаждаемого объекта: когда эта температура ниже заданного значения, то вентиль подачи жидкого гелия прикрывается и когда эта температура выше заданного значения, то вентиль подачи жидкого гелия приоткрывается.A method for lowering the temperature of a cooled object by a helium flow from a helium refrigerator with an excess reverse flow, containing a compressor, a heat exchanger with forward and reverse flow channels, a forward flow throttle valve, a cryogenic product collector, a liquid helium supply valve and temperature sensors at the inlet and outlet of the cooled object, characterized in that that the helium flow from the cooled object is directed through the atmospheric heat exchanger directly to the compressor inlet, and the degree of opening/closing of the liquid helium supply valve is determined by the temperature value of the temperature sensor at the cooled object inlet: when this temperature is below the set value, the liquid helium supply valve is closed and when this temperature is higher than the set value, the liquid helium supply valve opens slightly.
RU2022128391A 2022-11-02 Method for lowering temperature of a cooled object using helium refrigerator with an excess reverse flow RU2796457C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2796457C1 true RU2796457C1 (en) 2023-05-23

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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&gt;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